深孔爆破一次成井模拟优化与应用研究

【摘要】：在国防和民用的地下建筑工程中，天井（竖井）的应用十分广泛。如军事地下仓库的通风、人行天井，城市地下商场的通风、安全天井，采矿工程的提升、通风、人行、采矿切割天井等等。 目前，天井的掘进方法，主要采用钻爆法。深孔爆破法掘进天井，是50年代发展起来的一种爆破技术，按爆破方法的不同，深孔爆破法掘进天井可分为一次爆破成井和分段爆破成井，其实质就是用深孔钻机按天井断面尺寸，沿天井全高自上向下或自下向上钻凿一组平行炮孔，再分段或一次爆破。在该方法中，对中短天井而言，最经济实用的掘井方法是一次爆破成井法。但多年来，我国矿山等部门对短天井巳习惯于普通法掘进，而一次爆破成井法讨论不多，生产中使用更少。其中主要原因之一，是由于缺乏合理的选取、确定一次成井爆破掏槽方式及其它相关参量的手段和方法，从而使得最终的爆破效果难以定论。 针对该研究现状，本文结合武钢大冶铁矿采矿生产实际，在对深孔爆破成井技术国内外现状、现场工程地质、生产状况，深孔爆破成井钻爆参数与工艺的影响因素、矿岩可爆性影响因素及试验地段矿岩可爆性评价等方面的分析研究基础上，采用计算机数值模拟、模型试验、现场试验爆破领域“三位一体”的研究方法，对深孔一次爆破成井中的相关爆破技术进行了全面研究。 首先，本文在现场试验地段进行了声波测试和爆破漏斗试验，以评价该地段的可爆性，并寻求与矿岩生产爆破更匹配的炸药，同时也为后续研究提供初始资料和指导性依据；在此基础上，用数值模拟方法对四种典型的一次爆破成井掏槽方式进行了模拟与优化比较，以选择最优掏槽方式；进而采用室内物理模型试验方法，对四种典型掏槽方式的天井断面布孔与相关爆破参数进一步加以优化，以获得指导现场应用的相关爆破参数；最后用上述研究成果，指导现场试验设计，进行现场试验，并获得了现场满意的应用性成果。 本着上述研究思路，论文主要研究内容具体如下： 1）一次爆破成井技术关键性影响因素研究 对现有的相关资料、国内外前人研究成果和试验现场的生产现状进行了一系列的调查研究工作。通过分析研究，得出了一次爆破成井的主要影响参量为：掏槽方式、天井断面总体布孔方式、微差间隔时间、现场凿岩质量等因素。并选择四种典型的掏槽方式及其相应的四种天井断面布孔形式，作为下一步技术优化研究的基本模型。 2）现场工程地质及物理力学参数调查与分析 对应用现场岩体岩性、地质裂隙等进行了现场勘察；通过现场取样，测定并分析了岩 WP=8 体相关的物理力学参数；用RSMSY5智能声波仪对试验地段的矿岩纵波速度进行了跨孔测量，获得了该地段三个方向上的岩体声波速度值。综合分析上述三种手段所获取的资料信息，评价、判定了现场地段的岩体性质。 3）现场系列爆破漏斗试验研究 根据利文斯顿爆破能量平衡准则，在一次爆破成井的应用现场进行了系列单孔爆破漏斗试验以及变孔距的多孔同段爆破漏斗试验，并在装药孔附近按不同的间距，布置空孔，以观察实际爆破时的装药孔与平行空孔之间的间距关系；对两种炸药爆破漏斗试验结果的爆破漏斗特性曲线、爆破漏斗体积与炸药埋深及其与漏斗半径关系、爆破漏斗的最佳埋深与临界埋深、爆破漏斗的炸药单耗等内容进行分析研究。选择了与矿岩条件相匹配的炸药类型，得出了试验地段的岩体爆破漏斗特征曲线，为试验地段的可爆性分级及一次爆破试验的相关参数选取，提供了依据。 4）应用地段的岩体可爆性研究 依据现场地质勘查、岩石物理力学参数测定、跨孔法超声波测试、现场爆破漏斗试验研究成果，在分析评价国内外岩体可爆性分级方法的基础上，按岩体可爆性四指标分级方法，详细介绍了分级指标的测定、计算方法，最终对试验地段的岩体可爆性进行了分析、评定。 5）掏槽方式的计算机模拟优化研究 采用ANSYS/LS-DYNA3D非线性动力有限元软件，按弹性力学模型，对深孔一次爆破成井的九孔、单螺旋、双螺旋、双空孔菱形四种掏槽方式，在炸药爆炸荷载作用下应力产生、传播机理，进行了分析研究。计算机模拟结果，得到了四种掏槽方式的节点最大应力产生时间、空孔周边产生应力的时间、有效应力作用时间、节点最大运动速度、掏槽孔应力全部贯穿时间，等相关参数的定量计算值。通过对计算结果的综合优化研究，选择了单螺旋掏槽方式优化模型。 6）物理模型试验研究 在数值模拟研究的基础上，对初步选定的四种掏槽方式的天井断面布孔形式，进行室内物理模型试验。模型试验应用相似理论，对试验中涉及到的材料、几何、爆炸动力等相似问题，进行了全面深入的分析研究。在满足相似律和相似准则的基础上共进行了6个模型的试验（对两种试验结果相近的模型进行了重复试验），试验结果获得了四种布孔方式的爆破平均块度、爆破大块率、炸药单耗、有效爆破体积等定量指标；通过对试验结果的综合比较及优化研究，得出了现场试验条件下，单螺旋掏槽的天井断面布孔方式为最优布孔方式的结论，这与数值模拟的研究结论是相一致的；同时，模型试验结果还获得了炮孔间距及微差爆破时间的相关参量，进一步为现场试验提供理论指导依据。 7）现场应用研究 根据应用现场