深孔爆破破岩能量分析及其应用

论文摘要

深孔采矿作为地下采矿生产中最流行的一种安全、高效、低成本和大规模的采矿方法在许多低品位矿山和厚大矿体中被采用,然而这种采矿方法所采用的深孔爆破技术却始终围绕着爆破破岩和防止爆破破坏两个对立的问题展开着。一方面,要保证破碎质量,满足出矿要求;另一方面,大爆破所形成的空气冲击波和地震波对矿山设施的破坏往往是一大生产问题,而且深孔崩矿的优越性会因超负荷爆破所致的贫化率高、大块多、岩层破裂和矿山安全问题而被抵消,更有甚者,矿山可能因严重破坏和生产损失而停产。深孔爆破所衍生的破岩和破坏都是爆破能作用的结果,在爆破过程中,最初施加于矿岩上的是柱面应力波能,后期作用的是似静态气体压力的膨胀能。矿岩在该应力波作用下将爆破能传递给矿岩并转化为矿岩的动能和变形能,当矿岩所吸收的能量大于某一值时,矿岩将发生破碎,从而有一部分能量用于矿岩的裂纹扩展和新表面的形成,而余下的能量就转化为弹性地震波。之后成破碎松散体的矿岩在静态气体作用下移动,静态气体的膨胀能一部分转化为矿岩的移动能和抛掷能,其移动速度和加速度则主要取决于气体压力和抵抗线大小,而余下的膨胀能量就转化为空气冲击波。为保证破碎质量和控制爆破破坏,有必要对矿岩深孔爆破能量转化与控制进行研究,本论文以具体工程的实际问题为背景,综合运用室内试验、数值试验、理论分析、现场试验等手段和方法,以矿岩深孔爆破破岩能量分析为研究课题展开了系统研究,取得了一系列的理论成果,并将该成果运用到黄沙坪矿多金属开采的深孔爆破中。本文的主要研究成果及创新点如下:(1)根据矿岩深孔爆破应力波的波形和延续时间在不同爆破条件下和在不同的爆破作用范围内不同的特点,通过对具有不同波形的应力波在矿岩中的能量耗散的理论分析,得出矿岩在这些波形作用下的破坏形式和能量耗散规律,并通过室内试验获得具体矿岩在爆破应力波单次作用破坏、累积作用破坏和无损伤作用的能量准则。(2)采用数值模拟技术,研究了矿岩爆破破碎机理,得到了冲击剪切是矿岩爆破破碎的主因且矿岩冲击剪切破坏是径向运动速度梯度所致的结论;基于能量转化与守衡原理,建立了基于动能的矿岩爆破破碎块度分布模型。(3)运用数值试验研究了不同炸药、不同抵抗线和不同炮孔密集系数下矿岩爆破的能量密度分布,根据能量准则和块度分布模型,进行了炸药的选型、抵抗线和炮孔密集系数的优化。(4)运用相似理论,推导出柱状耦合药包爆破几何相似准则,得到了柱状耦合药包爆破孔网参数的规范化形式,揭示了不同孔径下爆破抵抗线间和不同孔径下炮孔密集系数间的内在相似关系,从而解决了利用浅孔来优化深孔爆破参数的技术问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状及进展
• 1.2.1 矿岩爆破破碎物理过程
• 1.2.2 矿岩爆破破碎动力学分析
• 1.2.3 矿岩爆破破碎能量分析
• 1.2.4 矿岩爆破破碎能量分析的数值模拟
• 1.3 课题研究背景及意义
• 1.4 研究内容及技术路线
• 第二章 爆破破岩能量准则
• 2.1 引言
• 2.2 爆破破岩准则研究现状
• 2.3 矿岩在爆炸应力波作用下的能量耗散
• 2.4 矿岩爆破破碎能量准则研究
• 2.4.1 矿岩爆破破碎能量准则
• 2.4.2 SHPB试验装置与冲击加载应力波形
• 2.4.3 试样特性与试验结果
• 2.4.4 总入射能与破碎能耗密度的关系
• 2.4.5 岩石破碎平均块度与破碎能耗密度的关系
• 2.5 小结
• 第三章 矿岩爆破物理过程模拟与机理分析
• 3.1 前言
• 3.2 矿岩爆破物理过程数值模拟
• 3.2.1 炸药在无限矿岩中爆破
• 3.2.2 炸药在半无限矿岩中爆破
• 3.3 矿岩爆破破碎动力学分析
• 3.4 矿岩爆破破碎能量分析
• 3.5 矿岩爆破破碎能量模型
• 3.6 小结
• 第四章 不同爆破条件下矿岩爆破能量分布
• 4.1 引言
• 4.2 不同炸药矿岩爆破的能量分布
• 4.2.1 爆破模型
• 4.2.2 模拟结果及分析
• 4.3 不同抵抗线下矿岩爆破能量分布
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 模拟结果及分析
• 4.4 不同炮孔密集系数下矿岩爆破能量分布
• 4.4.1 计算模型
• 4.4.2 计算结果及分析
• 4.5 小结
• 第五章 深孔爆破破碎能量分析应用
• 5.1 黄沙坪矿概况
• 5.2 现场爆破验证试验
• 5.2.1 试验地点选择
• 5.2.2 试验炮孔布置
• 5.2.3 装药、堵塞与爆破
• 5.2.4 爆破漏斗体积与半径测量
• 5.3.5 爆破试验结果
• 5.3 黄沙坪矿多金属矿床深孔爆破参数优化
• 5.3.1 爆破相似律
• 5.3.2 柱状耦合药包爆破几何相似准则
• 5.3.3 孔网参数的规范化形式
• 5.3.4 深孔爆破参数
• 5.4 小结
• 第六章 全文结论及研究展望
• 6.1 全文结论
• 6.2 本文主要创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 参加的科研项目、获得奖励与专利
• 致谢