露天爆破中炸药单耗对岩石破碎块度的数值模拟研究

露天爆破中岩石破碎块度是钻爆、铲装、运输及后续工艺等综合成本的主要衡量标准,炸药单耗是其主要影响因素,而炸药单耗对破碎块度的研究一般采用爆破模型试验,但其存在成本高、试验结果误差大等缺点.为了优化炸药单耗来降低爆堆的大块率、平均块度,并预测实际工程块度,在爆炸破岩理论基础上,运用基础力学测试设备对模型材料进行了单轴抗压、弹性模量、断裂韧度等测试,标定RHT本构模型参数,通过LS-DYNA数值仿真软件和粒子流算法(SPH)构建了三维露天台阶爆破数值仿真模型,首次对爆破破岩数值模拟结果实现块度精准统计,并对爆破破岩块度随炸药单耗的变化规律开展了系统研究.研究结果表明:炸药单耗在0.23~0.79 kg·m^(-3)范围内,岩块最大尺寸均小于240 mm,其变化区域分为240、220、140 mm三个最大块度相近区和240~220 mm、220~140 mm两个明显下降区;随单耗增加,均匀性指数n呈波浪式减小,分形维数D与n的变化趋势相反,平均块度尺寸呈现先快速下降后缓慢变化的趋势;炸药单耗的块度分布拟合曲线采用G–G–S函数拟合,相关系数均在0.91~0.97间,其变化规律验证了通过SPH法来模拟岩石爆破和岩石破碎块度统计方法的可行性和准确性.研究结果对爆破破碎块度分布规律的完善及块度控制工程具有一定的意义.

炮孔间距对偏心不耦合装药贯通裂纹扩展的影响

为研究光面爆破中偏心不耦合装药炮孔间距对贯通裂纹扩展的影响,利用同心不耦合装药的孔壁压力计算公式并结合应力波叠加原理,推导偏心不耦合装药的炮孔间距计算方法。基于求得的炮孔间距范围,计算3种岩石介质在不同炮孔间距条件下贯通裂纹的扩展位置,并选择砂岩材料进行数值模拟。结果表明:偏心不耦合装药爆破中,贯通裂纹主要集中于偏心侧;抗拉强度大的岩石,贯通裂纹偏离炮孔连心线的程度也较大。砂岩的炮孔间距为60 cm时,贯通裂纹扩展方向与炮孔连心线重合,连心线下方出现裂纹比较集中的贯通区域;炮孔间距的增大导致贯通裂纹远离炮孔连心线,从而造成欠挖。偏心不耦合装药爆破后,偏心侧岩石的损伤明显大于非偏心侧。

矿山救援钻孔中井涌井漏事故预警预测

为解决矿山应急救援钻孔作业过程中井涌井漏事故预警预测困难等问题,建立了基于机器学习的钻进过程井涌井漏事故预警预测模型。首先对井涌井漏事故发生初期时的钻进参数进行事故表征参数分析;其次对事故表征参数进行数据清洗处理,在此基础上,通过XGBoost事故诊断预警模型对井涌井漏事故进行早期诊断识别;随后建立PSO-LSTM事故发展预测模型,对事故发生后的孔底压力参数发展趋势进行预测,提前掌握钻进事故发展状态;最后通过实际钻进数据对预警预测模型的有效性进行验证。结果表明:XGBoost事故诊断预警模型能根据总池体积、立管压力、出入口流量差和动力头负荷这4种钻进参数的异常变化,快速准确诊断钻进过程中的井涌井漏事故;PSO-LSTM事故发展状态预测模型能充分学习孔底压力参数发展规律,综合EMAP、EMA、ERMS、R2这4项误差评价指标,PSO-LSTM模型相较于BP、RNN、SVM模型的预测性能最佳,能准确预测事故发生之后的孔底压力发展趋势,提前掌握井涌井漏事故的严重程度和发展态势。研究结果丰富了钻进过程井涌井漏事故预警预测方法,提高了矿山事故地面救援的可靠性,对矿山应急救援钻孔作业过程中事故控制有着借鉴与指导作用。

中凯矿业大直径深孔爆破落矿装药结构优化研究

装药结构对厚大矿体大直径深孔爆破落矿效果具有重要影响。中凯矿业帮中矿区现行装药结构(空气间隔长度比例24.2%)存在爆破后冲破坏作用严重的问题,造成后一排炮孔堵塞、坍塌甚至报废,严重影响生产效率;而盲目增大空气间隔长度比例则存在爆破大块率增加的风险。以矿山实际的炸药和岩石参数为基础,采用数值模拟软件LSDYNA开展大直径深孔爆破落矿装药结构优化研究。选择常用空气间隔器作为间隔材料,以空气间隔长度比例为研究对象设计了12种装药结构方案进行数值模拟,得到了装药结构与爆破后冲作用、大块率、自由面质点振动峰值速度以及峰值有效应力等评价指标之间的关系。结果表明:自由面质点振动峰值速度以及峰值有效应力随空气间隔长度比例增加逐渐下降;当空气间隔长度比例小于等于30.5%时后冲作用明显,后排炮孔可能出现塌孔现象,当空气间隔长度比例大于等于45.3%时,存在大块率增加的风险,最优装药结构的空气间隔长度比例为44.2%。现场深孔爆破落矿试验表明,优化的装药结构爆破后大块率为7.1%且爆破后冲作用得到有效控制。

基于DIC的露天矿山微差爆破模型试验及数值模拟

随着电子雷管在露天矿山台阶爆破中的全面使用,微差爆破技术得到进一步发展,如何通过调整孔间延时提高炮孔之间相互作用力,成为矿山爆破技术的研究重点。基于混凝土模型模拟露天矿山微差爆破,建立高速摄影技术与数字图像相关(DIC)试验系统,基于全场微应变、高速摄影技术和数值模拟对不同孔间延时条件下的炮孔间裂纹发展过程进行了研究。结果表明:爆炸载荷下模型表面裂纹附近的应变持续时间约为3 ms,孔间延时为3 ms时下一个炮孔起爆能够提高炮孔之间的相互作用力;通过数值模拟展示了测点的压力分布特征,在孔间延时为3 ms时测点压力最大,验证了模型试验的准确性;利用MATLAB对数值模拟结果分析发现,孔间延时为3 ms时其破碎程度最佳,与模型试验结果具有较好的一致性;使用高速摄影技术结合DIC方法为研究炮孔之间的相互作用力及裂纹扩展提供了新思路。

径向不耦合装药孔壁冲击压力特性

径向不耦合装药结构广泛应用于实际爆破工程中,为探究径向不耦合装药孔壁冲击压力的变化规律,基于冲击波理论,利用激波管模型对径向不耦合装药条件下孔内波系作用过程进行简化分析。研究了孔内爆炸冲击波在各介质面的冲击压力,获得了径向不耦合装药条件下孔壁初始冲击压力的计算表达式,模拟了径向不耦合装药时冲击波的作用过程。研究结果表明:径向空气层的存在极大削减了爆炸冲击波压力,孔壁峰值压力在不耦合系数1~2时发生指数型衰减,在不耦合系数大于2时,其衰减速度较缓慢。冲击波作用在孔壁处时存在多个波峰,且初始峰值压力最大,后续峰值压力随时间的延长逐渐减小;随着不耦合系数的增大,初始峰值压力逐渐减小且到达峰值压力的出现时间也逐渐延后;不耦合系数越大,多波峰特性越明显,不耦合系数较小时峰值压力较大,会对围岩产生较大的破坏。为减小对围岩的破坏且满足相应的爆破要求,应充分利用不耦合系数较大时的多波峰特性,根据岩石性质选择合理的径向装药系数。

周边孔聚能装置间隔装药在光面爆破中的应用研究

隧道光面爆破工程的周边孔需要采用间隔装药方式,而大部分间隔装药方式采用“导爆索+雷管”联合起爆技术,此技术具有一定的局限性且经常发生拒爆现象。如何在保证隧道掘进效率的前提下提高光面爆破效果成为目前亟待解决的难题,从现场试验方面开展相关研究,提出“聚能装置+数码电子雷管”新型联合起爆技术,将其应用于高原某隧道,通过与原始的“导爆索+数码电子雷管”联合起爆技术的爆破后效果进行对比分析。实验结果表明:对比原始技术,新技术炸药单耗降低了0.2 kg/m^(3),半孔留痕率提高了5%,平均装药时间由原来的1.3 h降为1.0 h,稳定循环进尺的同时极大降低了耗材费用,提高了隧道光面爆破效果。

基于K-Means聚类与熵权TOPSIS法的岩石可爆性评价研究

露天矿山的爆破块度分布,直接影响到后续的采装、运输和破碎工作。为了控制石墨矿山不同区域爆破块度分布,基于K-means无监督聚类学习法与熵权TOPSIS评价法建立了一种新的岩石可爆性评价模型,选取岩石密度、动力能量耗散率、动态抗压强度、平均应变率、脆性指数作为评价指标,通过熵权计算,发现岩石破碎程度受脆性指数影响最大,受平均应变率影响最小。将此模型应用于实际石墨矿山,可爆性分为10个等级,统计不同分级下的岩石平均破碎粒径,发现可爆性分级等级越高平均粒径越大,有明显的分级特征,验证了模型的有效性。从爆破石墨矿石岩体类型看,岩石可爆性从易到难排序为:片岩、片麻岩、变粒岩、混合岩。结合石墨矿石微观观测结果分析可知:岩性从片岩向混合岩转变,岩石内部石墨晶质呈下降趋势,石墨矿石可爆性等级也随之越来越高。岩石密度、能量耗散率、动态抗压强度之间呈线性正相关,岩石可爆性与平均应变率、脆性指数存在负相关性。研究成果为矿山矿岩可爆性评价提供了一条新思路,对露天矿山爆破块度优化具有一定的理论和实践指导意义。

大断面隧道掘进爆破分区优化设计研究

某隧道工程地质、水文地质等条件均较复杂,采用原爆破设计施工方案(常规“两步”台阶法)常出现隧道断面超挖、冒顶等情况,严重制约了隧道工程建设,无法满足隧道工程建设目标,需对原设计方案参数进行优化调整。根据隧道断面规格、工程岩性等条件,为控制隧道顶板暴露面积、防止顶板冒落及降低支护成本等,优选“CRD法”“三步台阶”及“两步台阶”作业法,开展隧道爆破分区掘进试验研究,并严格控制隧道顶板周边孔布置间距(400~450 mm)。为降低隧道爆破数码电子雷管使用量,隧道顶部周边孔采用导爆索与32 mm乳化炸药绑扎(胶布缠绕),各炮孔间通过导爆索传爆,取代传统光面爆破参数。现场施工结果表明:Ⅴ级围岩隧道采用“CRD法”施工,顶部超、欠挖量满足技术规范;Ⅳ级围岩隧道采用“三步台阶”施工,炮孔残留率达60%~72%;Ⅲ级围岩隧道采用“两步台阶”施工,炮孔残留率达84%~94%。优化传统光面爆破参数布置,利用导爆索实现顶部周边孔孔间传爆、孔内起爆,可总体降低数码电子雷管使用量,降低爆破成本约18.5%,该技术可为类似隧道工程及地下矿山巷道掘进爆破提供参考。

深部破碎软岩巷道超前控顶加固及控制爆破技术

随着矿山开采深度逐渐增加,深部破碎围岩工程地质条件转为复杂多变,极大程度上影响巷道等工程施工过程及后续使用安全;为确保深部破碎软岩巷道施工过程中安全及质量,提出了软岩巷道超前控顶加固及控制爆破技术。针对钟九铁矿-550 m水平6号交岔点岩体裂隙极为发育、稳定性差等特点,拟采用超前控顶措施加固顶板围岩,提高深部破碎软岩巷道的承载力。为便于6号交岔点掘进施工,沿6号交岔点东北侧方向划分17个掘进区,并采用“四步”台阶法分段施工。针对同段起爆数码电子雷管,起爆器系统可随机设置单发雷管起爆间隔时间为3~5 ms,实现同段炮孔单孔单响,降低爆破振动对6号交岔点影响。根据不同掘进区总体岩性情况,优化支护方式(管棚支护、W型钢带及锚索支护等联合支护方式等),确保6号交岔点后续使用期安全。试验结果表明:采用超前控顶加固、控制分区爆破技术,降低破碎软岩巷道顶板偏帮、下沉,保证6号交岔点断面成型效果,削减其支护、后期维护等综合成本达8.7%,该技术可为类似巷道施工提供一定指导建议。

公路隧道爆破振动对洞口区域建筑物的影响研究

在贵州省高速公路某隧道进行爆破开挖时,采用现场监测的方法研究隧道爆破振动对洞口区域建筑物的影响。依据测点布设原则,选取爆破振动影响区域具有代表性的4栋区域建筑物开展监测,根据第一次监测结果,结合现场的实际情况,确定区域建筑物的爆破振动安全允许标准为2.0 cm/s,以此推算爆破作业最大段装药量的限定范围为12.3~13.2 kg,据此将最大段装药量调整为13.0 kg。调整爆破方案后的监测结果表明:4个测点的峰值振速均小于2.0 cm/s,结合调整爆破方案前和调整爆破方案后的现场调研情况,验证选定的区域建筑物振动控制标准和最大段装药量取值的建议是合理可行的。

轻轨结构在隧洞掘进爆破下的响应数值模拟

依托深圳大芬水分洪箱涵暗挖隧洞工程,采用动力有限元软件建立了三维数值模型,研究了轻轨结构在隧洞爆破开挖下的响应特性。结果表明:随着爆心距增加,同一高程的轻轨结构峰值应力、位移和峰值振速逐渐减小;随着高程增加,同一立柱峰值应力逐渐减小,而峰值位移和峰值振速具有高程放大效应;隧洞已开挖区形成的空腔使上部轻轨结构的振速响应存在空腔放大效应和空腔阻尼效应。在此基础上,基于萨道夫斯基公式回归预测和仿真计算对隧洞掘进爆破单响药量进行优化,结果为:轻轨结构位于掌子面前面和后面,两种工况条件下的爆心距均为20.52、28.65 m,则在允许振速条件下的最大单响药量分别为1.8、6.0 kg和2.1、6.3 kg。

水电站边坡智能爆破设计与管控系统研究

水利工程爆破施工具有周期长、规模大的特点,传统爆破设计与施工管控方式难以满足当前水利工程的建设和发展要求,研究建立平台化、网络化、智能化的爆破设计与管控系统具有重大的工程意义。基于BIM、WebGIS和已开发的爆破设计软件,利用Angular框架和SpringBoot框架,采用前、后端分离式方法开发了智能爆破设计与管控系统,系统由智能爆破设计模块、三维可视化模块、数字化爆破管控模块以及智能安全评价及预测预警模块四个功能模块组成,实现了智能爆破设计与全流程爆破审核功能一体化,能够根据现场实际施工情况,采用模型参数化动态联合裁剪方法,选取开挖轮廓线上的控制点进行智能爆破设计,生成爆破设计方案,并将设计方案上传审查,有效地促进了爆破全流程的标准化、信息化、数字化管理,加强设计、施工、监理等单位的实时交互办公。该系统在叶巴滩水电站边坡爆破开挖工程的应用结果表明,系统能有效进行爆破设计,并提高管控效率,可为水电站边坡爆破设计开挖施工提供技术支持。

基于工程地质分区的某钨矿爆破参数优化

针对复杂岩性矿山爆破参数单一所导致整体爆破效果不佳、大块率高、存在根底、边坡不平整等问题,通过矿区工程地质岩组划分及爆破参数优化现场试验进行爆破工程地质分区,将该矿区分为Ⅰ~Ⅵ区,并基于岩石力学参数测定、地质强度调查及现场爆破试验提出适用于不同分区的预裂爆破及深孔台阶爆破参数。试验结果表明:Ⅰ区废石、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区预裂爆破建议单耗0.3 kg/m^(3);Ⅱ区预裂爆破建议单耗0.32 kg/m^(3);Ⅰ区矿石预裂、采矿爆破单耗为0.38~0.39 kg/m^(3)。Ⅰ、Ⅱ区线装药密度建议0.65~0.70 kg/m;Ⅲ区根据风化程度不同建议线装药密度0.4~0.5 kg/m;Ⅳ区线装药密度建议0.54~0.57 kg/m;Ⅴ区线装药密度建议0.57~0.60 kg/m;Ⅵ区线装药密度建议0.52~0.54 kg/m。该爆破参数下,矿山预裂爆破半孔率达85%以上,采矿爆破平均大块率从20%降至10%,降幅达50%。

现场混装乳化基质自动加料系统的研究开发

为解决传统工艺中给现场混装车加注乳化基质效率低、现场人员多等问题,研究开发了自动加料系统。采用二维码视频识别和图像处理技术进行混装车的准确定位,并对基质储罐下料口和混装车加料口的对准情况进行自动提示;自动加料控制模块实现了自动、定量加料和现场/远程操作与控制,并且能够防止飞溅和溢出,乳化基质的加注量等信息,由系统自动记录和管理,达到了混装车乳化基质加料过程的智能化和少人化目标。该系统在炸药厂运行了近3年时间,共加注现场混装乳化基质近12 000 t,通过加料数据的实时反馈,还实现了生产任务制定、车辆调度等的精细化管理。应用结果表明,开发的自动加料系统不仅实现了乳化基质加料过程的智能化,还对提升我国现场混装乳化炸药全工序智能化水平有促进作用。

乳胶基质危险性分级技术发展

为规范乳胶基质在全球范围内的安全管理,联合国危险货物运输专家委员会建立了统一的乳胶基质危险性分级管理方法--《试验和标准手册》试验系列8。目前,我国关于乳胶基质安全管理的研究较少,远落后于国际水平。因此,对比分析了乳胶基质危险性分级程序的研究和发展过程,探索了相应试验方法的研究过程。发现采取最新版的乳胶基质危险性分级程序可避免试验的偶然性,通风管试验的改进和最小自持燃烧压力试验的增加可在保证安全的前提下减少乳胶基质生产和管理的经济成本。讨论了对乳胶基质危险性的基本认识以及展望了分级技术发展前景,可为国内乳胶基质危险性分级管理提供理论支撑。

爆破振动作用下桥梁桩孔稳定性振动台试验研究

为了解爆破振动对邻近桥梁桩基成孔后桩孔稳定性的影响,以与山体爆破工程计划同时施工的某主跨280 m的斜拉桥为背景,设计、制作土箱和缩尺比1∶40桩孔模型开展振动台试验,研究桩孔孔壁的破坏特征、土体振动速度和动土压力的变化规律。结果表明:土体的振动速度峰值和动土压力峰值均随着爆破强度的增大而增大,在土体产生破坏后,土体的振动速度峰值和动土压力峰值均呈现出非线性增大趋势;爆破强度较小时土体的动土压力峰值曲线为U形,爆破强度较大时桩孔区域土体的动土压力峰值曲线为W形,桩孔中上部区域的动土压力峰值较大;山体爆破振动会使钢护筒底部与土体交界面以下桩孔的中上部区域出现破坏,应对山体爆破施工加强现场监测,桩孔附近的振动速度峰值不宜超过2 cm/s,以保障桩孔的稳定性。

基于深度学习的轻量化炮孔智能检测方法

在隧道(巷道)钻爆法施工过程中,智能装药可以取代人工作业,减少装药作业中危险事故的发生。然而,隧道中光线条件差、炮孔目标小和掌子面裂隙等因素会造成智能装药时炮孔的错检和漏检,同时车载计算机有限的算力也是制约炮孔识别大模型使用的难点。MCIW-2深度学习模型,可以解决在隧道掘进作业环境中的高精度炮孔检测和实时性部署问题。模型根据采集到的炮孔图像尺寸特征采取自适应锚框聚类算法优化检测框的长宽比尺寸参数;采用了具有动态非单调聚焦机制的损失函数WIoU(Wise Intersection over Union),通过优化边框回归的损失应对低质量炮孔图片的挑战实现了高精度检测;采用了MobileNetv3-Small网络与CBAM(Convolutional Block Attention Module)注意力机制构建了主干网络结构,减少了模型参数保证了检测准确率,满足车载设备的轻量化部署需求。经实验证明,MCIW-2模型在炮孔识别精确率方面达到了96.18%,检测速度达到了59 fps。与基准YOLO(You Only Look Once)系列目标检测模型文件最小的模型相比,所构建的轻量化炮孔智能检测模型减小了75.86%,模型文件仅为2.80 Mb,优于YOLO系列的基准目标检测模型。使用MCIW-2深度学习模型对工作面现场视频进行测试,实现了快速、精确地检测炮孔,测试结果表明,该模型适用于智能装药工程的轻量化部署需求,具有良好的适应性,在综合性能方面具有显著优势。

基于VMD-HHT的井下预裂爆破振动效应分析

云南玉溪大红山铜矿现有采矿方法为分段空场嗣后充填法,采用大爆破工艺,由于一次爆破的药量过大导致对保留岩体的损伤较大,影响采场的稳定性。为解决此问题,按照多打孔少装药的原则,在距保留岩体一定距离处布置一排较为密集的炮孔,并减小单孔装药量,在主爆区起爆之前先起爆该排炮孔,形成一条具有一定宽度的缝隙,以减弱对保留岩体的损伤。基于变分模态分解和希尔伯特黄变换(VMDHHT)方法对现场实测的爆破振动信号进行分析。结果表明:本次预裂爆破振动信号的瞬时能量分布区间主要集中在0~0.5 s内,频率分布的区间主要集中在40 Hz以内;采用3个测点的合速度进行减振率计算,得到3个测点减振率分别为21.0%、30.1%和38.5%,有效减小了爆破振动对保留岩体的损伤和破坏。

高应力扇形中深孔采场边帮控制爆破参数优化

针对扇形孔采场爆破边帮控制问题,提出了一种将靠近边帮的扇形炮孔施工成垂直平行孔用以控制边帮的构想。首先,通过理论计算得到4组平行炮孔不耦合系数与炮孔间距匹配下的模型参数,使用LS-DYNA对4组参数进行数值模拟;然后,通过对比分析4组模型在无地应力作用和不同方向地应力作用时的爆破裂纹扩展情况,获得最优参数;最后基于优化参数开展工业试验。结果表明:高地应力会促进最大应力方向爆破裂纹扩展;4种模型中,不耦合系数为1.65,炮孔间距为1.1 m时开挖区域破岩效果最为合理;在试验采场开展工业试验,使用优化后的爆破参数进行爆破,采场回采后边帮平整,稳定性较好,验证了研究结论的正确性。