摘要
无底柱分段崩落法是一种比较成熟的采矿方法，在国内外矿山中已得到广泛应用。具有高效率、高生产能力、高机械化、低成本和作业安全等优点，但由于无底柱分段崩落法是在覆岩条件下放矿，爆破大块率较高、矿石的贫化、损失现象严重。程潮铁矿自1966年采用无底柱分段崩落法进行矿体开采至今，已有四十余年的历史。生产早期，所用的采场结构参数为：阶段高度50m、分段高度10m、进路间距10m；随着开采水平下降和生产规模的不断扩大，为满足新的生产需要，采场结构参数和主要生产设备均进行了相应的调整。目前采用的采场结构参数为：阶段高度140m、分段高度17.5m，进路间距15m；由于采场结构参数的大幅度增加，势必造成：中深孔崩矿参数的不相匹配；中深孔爆破回采区域加大，每排炮孔所担负的矿量大大提高。这样，中深孔爆破区域的地质结构与地质条件对爆破质量，特别是爆破块度的影响进一步增加。由于地质条件的复杂多变性、爆破条件和环境的特殊性，使得采场爆破效果仍难以满足要求。目前采场回采爆破大块多，大块率高达15％以上，二次爆破量大，采矿成本高。据此，本文采用数值模拟方法与现场爆破漏斗试验，对程潮铁矿东西采区在分段高度与进路间距既定条件下的崩矿步距进行优化，得到科学合理的崩矿步距参数，并通过现场生产试验进行验证。 根据岩石爆破破碎机理和爆破动载下岩石的特性，在岩体破碎主要是由于应力波作用观点的基础上，应用有限元数值计算软件ANSYS，建立数值模型、划分网格，假定材料服从弹塑性本构关系和Mises屈服准则，再运用LS-DYNA3D数值计算，对程潮铁矿东西区各六种不同崩矿步距进行了模拟，并应用系列爆破漏斗试验进行中深孔参数优化，在对数值模拟和爆破漏斗试验的结果进行分析的基础上，通过现场生产试验进行验证。 论文的主要研究内容与成果有以下几方面： 1)中深孔采矿步距优化数值模拟。论文根据现场使用参数情况和经验，在东西采区分别选择六种不同步距分别进行模拟，采用1:10的比例建立计算三维扇形模型。使用ANSYS/LS-DYNA软件分析，其中ANSYS作为前处理分析，LS-DYNA作为计算和后处理分析。通过模拟得到六种不同步距情况下的有效应力云图，并取一些特殊位置单元记录应力-时间历程曲线，取有代表性节点记录速度-时间历程曲线，从中提取一些关键值，通过模拟与分析讨论得到如下结论：①六种不同步距的数值模拟研究均采用柱状装药形式，应力波在岩石介质中是以爆炸孔为中心轴以柱面波向外传播的，当受到自由面和其它条件影响时，应力波优先向自由面以及相邻两炮孔的连心线方向发展，这一结果验证了柱状装药结构时的应力波传播理论。②六种不同步距的数值模拟结果(应力-时间曲线)还印证了爆破过程中应力波的动压作用特点，即从炸药的爆轰到冲击波、应力波的传播及反射，作用时间极短；应力波衰减也是按照指数衰减规律。③在自由面附近应力波发生反射，形成拉伸波，由于岩石的抗拉强度较小，因此此处岩石破坏主要是拉伸式破坏；而在炮孔附近的小区域由于冲击波压应力大于岩石抗压强度，此处破坏以压破坏形式为主；炮孔连线中心附近压应力波己衰减至较小，只有少量单元的应力值仍大于抗压强度，大部分单元是由于环向拉应力使岩石产生破裂与自由面上裂隙贯通，再由爆生气体的气楔作用而剥离岩石。这也与现代爆破理论(拉伸式破岩论)相符合。④根据六种不同步距的数值模拟结果，推荐在东区矿石爆破回采现场采用3.0m(1.5m+1.5m)步距微差爆破进行采矿，西区矿石爆破回采现场采用2.5m(1.2m+1.3m)步距微差爆破进行采矿。 2)系列爆破漏斗试验。根据数值模拟研究结果，对现场试验地段进行爆破漏斗试验，对数值模拟参数进行进一步优化与对比验证，针对崩矿步距、排距、孔底距、微差间隔时间等其他爆破要素进行研究，确定合理的现场试验参数与现场试验措施。通过对现场试验结果进行研究分析，进一步检验和修正理论研究结果。得到以下结论：①通过统计分析，分别得出了在2#岩石炸药东西区不同矿体的爆破漏斗特性曲线的回归多项式，回归曲线的相关性好，复相关系数均在0.75以上。经多项式求解，求得的爆破漏斗最佳状态下的基本参数：东区矿岩：理论最佳深度0.63m，体积0.18m3；西区矿岩：理论最佳深度0.53m，体积0.10m3。②根据本次现场系列爆破漏斗试验结果，推荐中深孔生产爆破的主要参数：东区矿岩：炮孔排距w为：1.4～1.6m；孔底距a为：2.6～3.0m；西区矿岩：炮孔排距w为：1.1～1.3m；孔底距a为：2.0～2.5m；③现场爆破漏斗试验的结果更加能够验证数值模拟计算得到的结论：东区采用步距为3.0m(1.5m+1.5m)时，西区采用2.5m(1.2m+1.3m)时采矿爆破效果最好。 3)在数值模拟与现场爆破漏斗试验的基础上进行现场生产试验。分别在东西区选取六种不同步距的崩矿参数，通过现场生产试验得到：东区采用步距为3.0m(1.5m+1.5m)时，西区采用2.5m(1.2m+1.3m)时采矿爆破效果最好。 最后，结合论文的主要研究内容与结论，给出了进一步研究工作的相关建议。
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