基于矿山爆破与岩体粒度大小的计算模型

基于矿山爆破与岩体粒度大小的计算模型

钟林

广州市越堡水泥有限公司

摘要：现代矿山生产由于生产设备服务年限长更换成本重，随着设备的老化为了保障生产的稳定可持续必须通过改变工艺流程以匹配设备生产能力。本文水泥矿山生产实际出发，从爆破能量传播变化角度入手，根据设备生产对爆堆矿石粒度要求为控制点，通过爆破数据收集模拟计算实现爆破分析、控制数字化模拟管理。

关键词：爆破；能量变化；爆破矿石粒度

前言

爆破安全在矿山生产中占有重要地位。爆破安全问题可归纳为如下三类：由于爆破的力学效应（如爆破产生的地震波、冲击波、噪声和个别飞石）引起的安全事故；由于炸药爆炸时的物理化学反应，即炸药爆炸时产生的大量有毒气体、电磁效应等引起的安全事故；爆破引起的突发性事故，如炸药的早爆、拒爆和因操作失误而引起的安全事故。矿山爆破引起的人身伤亡和设备损坏事故，在整个矿山事故中占有较大比例。随着采掘工业的发展，露天矿爆破距矿山本身的工业场地很近，也有邻近乡镇居民区的；地下开采矿山深孔爆破和大药量的工程爆破等日益增多，矿岩物质形成高温区引起炸药自爆、早爆等，以及炮烟中毒等事故常有发生。因此，如何建立一个模型去计算在露天台阶爆破能量传播距离，减少传播距离内的障碍物，从而减少事故，同时计算爆破能量与爆破后产生过的岩体粒度大小，要复合矿石加工的要求，减少矿石的开采成本，就显得尤为重要。

一、爆破是矿山开采的第一步

矿山爆破作为矿山生产的首道工序，良好的爆破质量对后续生产工艺优化以及设备寿命提高起到关键作用。近代矿山行业的发展以爆代破，优化下游生产工艺减少设备消耗的观点逐渐得到认同。通过适当增加爆破工艺成本以达到降低整体综合成本实现系统成本最低。考虑成本节约，适度过爆应控制在爆破能量充分利用基础上，以爆破控制量化爆破质量可控化为前提。目前矿山的爆破发展的趋势是数字化矿山，即将开采的和未开采的矿山，按照颗粒或者形状大小，在计算机连接在线监测系统的情况下，实时监控矿物的质量以及规模，并能给生产和开采提供有效的信息。

而数字化控制遇到的问题就是，岩层结构复杂产生破坏裂隙各向异性存在较多计算干扰因素，若仅以计算机数据收集模拟，所需数据量大模，修正过程复杂，某一矿山生产爆破无法得到足够有效数据。数据分析是技术管理的方法，准确的数据分析建立在对研究事物根本的把握上。因此回到根本，从岩体吸收和释放炸药爆炸所产生的能量过程中发现解决问题的办法。

二、对数字化矿山实施计算模型项目

2.1对爆破后矿石粒度大小分布模型计算，是数字化控制的目标。通过按照对岩体、山体的扫描，确定岩体的走势，明细岩体变化，找出爆破效果最大的点，计算爆破后的能量范围内对岩体造成的破坏和所形成的矿物粒度大小是否符合进矿口的要求。用透视或者扫描方式对岩体进行初步预报，并拍摄爆破之后的开采过程，对比计算出来的效果图是否准确。

2.2适度过爆的效果控制要求

爆破过程中，控制炸药单耗避免过爆以及爆破后爆堆矿石粒度大小分布情况控制是把握爆破能量有效利用的关键所在。爆破效果控制的经济指标：炸药单耗；爆堆集中度；岩体粒度；爆堆的松散度。

2.3控制指标：孔径、装药方式、爆破圆半径（应力波传播距离）。在模型的计算方面，要关注和计算每个爆破孔径的大小，深度，全部爆破孔径的布置图，计算每个爆破孔径的爆破范围，以及所有爆破点的合力爆破范围。

三、理论计算和建立模型的方法

3.1、爆破内部作用估算极限值

爆破内部作用情况下，以药包中心为圆心画圆，岩体破坏程度按传播半径分为粉碎圈、拉伸破坏圈和振动圈三个部分。通过圈体半径大小以及爆破能量的衰减变化情况，可以初步判断距离药包中心各半径范围内岩体破坏程度。判定方法通过爆破产生的应力波传播至岩体某处产生的应力变化与岩体动态抗压、抗拉强度对比人为界定，后续通过数据试验收集进行模拟计算。

已知炸药爆破的初始径向峰值压力P与炸药性质、岩体性质以及装药方式有关。（以下计算数据取值均为越堡水泥石灰石矿石现场实际数据）

通过计算初始径向峰值压力P大小，可以求得距离药包中心各距离处岩体由应力波产生径向压应力和法向拉应力大小。通过比较岩体动态抗压和抗拉应力可得知药包爆破破坏岩体半径范围大小以及初步判定各半径岩体破坏程度。

通过研究发现，径向压应力和法向拉应力大小变化与压力衰减系数a取值有很大关系。而a的变化大小与岩体结构变化以及岩体弹性模量有关。通过现场比对，越堡石灰石矿山平均衰减系数a=1.8，计算得到数据如下表。越堡石灰石矿山岩体动态抗压强度120MPa，抗拉动态强度12MPa。根据爆破内部作用理论大致得到粉碎圈半径1.7m，拉伸破坏圈半径4m。

小结：通过此方法可以初步得到岩体爆破破坏粉碎程度判定，但由于a值判断的不确定性以及岩体破碎程度（即粒度大小）模糊性，难以形成直观数据比对，因此需要在此基础上探究更为可靠的数字化判定方法。考虑到炸药爆炸以应力波方式传播，以此为切入点继续发现可量化计算理论。

以单个炮孔为圆心画圆。通过表格数据，可以得到单个炮孔在不同岩体条件下各半径的爆破后矿石粒度大小情况。根据粒度控制要求选择所需粒度大小圆的半径以及相邻炮孔间圆形的叠加，可得到对应孔网参数。

根据计算，越堡水泥矿山爆破孔排距为8和3.8，台阶高度20m，单孔装药量400kg情况下，爆堆粒度770mm以下达85%，大块率低于1%。

四、爆破与爆破后粒度大小计算模型的应用

根据某一矿山现有的爆破施工作为实验条件，对不同矿山的地质条件和施工参数作数据收集建立全国统一共享的数据库。采用互联网加模式为后续矿山爆破设计提供参考依据或设计服务。

软件开发方面，目前我国已有专业的爆破公司进行相关的数据库软件建立并取得一定的成果，要实现我国数字化控制爆破，要努力的方向之一，就是研究出一个更加优势的数据库计算模型，来模拟矿山数字化控制爆破效果。

参考文献：

[1]于秋，张勤彬，李晓泉，曹邦君，吴聪.用事故树分析法研究爆破作业中的安全问题[J].山西建筑.2016（32）

[2]刘殿中主编.工程爆破实用手册[M].冶金工业出版社，1999

[3]王忠伟，李杰.浅埋隧道控制爆破施工技术[J].铁道建筑.2011（10）

[4]徐荣文，梁虎，吴从师.不同炮孔直径爆破振动频带能量特征小波分析[J].采矿技术.2016（06）

[5]王志亮.煤层深孔预裂爆破裂隙扩展机理与应用研究[D].徐州：中国矿业大学（徐州）2009