阶段采场“品”字形无井切槽爆破机理研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.11.012

摘要/Abstract

摘要：

针对阶段采场切割立槽爆破施工难度大、成本高的问题，以山东某矿山为工程背景，开展阶段采场“品”字形无井切槽爆破机理研究.采用LS-DYNA数值模拟方法，分析“品”字形无井切槽爆破与垂直深孔落矿阶段矿房法无井切槽爆破的差异性，揭示了“品”字形无井切槽爆破的多自由面效应.数值计算结果表明，“品”字形无井切槽爆破方法，在侧向自由面与底部自由面组合作用下，柱状炮孔在长度方向上爆破应力分布更加均匀，增加了爆破在自由面处的破岩能力，降低了爆破对未爆区的损伤，提高了爆破能量的利用率.综合比较，“品”字形无井切槽爆破方法超挖率降低了23.2%，有效破岩应力增加12 MPa，未爆区围岩振动值降低了16.7%，大幅改善了阶段采场的切槽爆破效果.

关键词: 阶段采场, 切槽爆破, 自由面, 等效应力, 爆破振动

Abstract:

To response to high difficulty and cost in the blasting operation for cutting vertical slots in sublevel stope， a mine in Shandong as the engineering background is used to conduct research on the blasting mechanism of the “pin”?shaped slotting without raise in sublevel stope. The LS-DYNA numerical simulation method is employed to analyze the differences between the “pin”?shaped without raise cutting blasting and the VCR method cutting blasting. The study reveals the multi?free?surface effect of the “pin”?shaped blasting for slot cutting. The numerical results show that under the combined action of lateral and bottom free surfaces， the blasting stress distribution of the cylindrical blastholes in the “pin”?shaped without raise cutting blasting method is more uniform along their length， enhancing the rock?breaking capability at the free surfaces， reducing damage to the unexploded area， and improving the utilization of blasting energy. Through comprehensive comparison， the overbreak rate of the “pin”?shaped without raise cutting blasting method is reduced by 23.2%， the effective rock?breaking stress is increased by 12 MPa， and the vibration values of the surrounding rock in the unexploded area are reduced by 16.7%， significantly improving the blasting effect of slot cutting in sublevel stope.

Key words: sublevel stope, slot blasting, free face, equivalent stress, blasting vibration

中图分类号:

TD 235

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图/表 23

图1 无井切割拉槽方法

Fig.1 Method of cutting and slotting without raise

图2 “品”字形无井切割拉槽方法

Fig.2 Cutting and slotting method of “pin” shaped without raise

图3 “品”字形爆破拉槽方法炮孔布置

Fig.3 Layout of the holes for the “pin”?shaped blasting slotting method

图4 “品”字形梯段切槽爆破顺序（a）—第1次爆破；（b）—第2次爆破；（c）—第4次爆破；（d）—第5次爆破；（e）—第9次爆破；（f）—第10次爆破.

Fig.4 Blasting sequence of “pin”?shaped blasting slotting

图5 无井切割拉槽方法爆破顺序

Fig.5 Blasting sequence for method of cutting and slotting without raise

图6 LS-DYNA数值模型示意图

Fig.6 Schematic diagram of the LS-DYNA numerical model

表1 HJC模型参数

Table 1 Parameters of HJC model

ρ₀/(kg·m^-3)	G/MPa	σ_c/MPa	A	B	C	N	T/MPa	P_C	μ_c	p₁/MPa	μ₁	K₁/GPa	K₂/GPa	K₃/GPa
2 700	24 929.7	126.67	0.55	1.77	0.009 7	0.77	4.25	17	0.002 53	2 500	0.38	3.1	6	8.4

表2 炸药材料参数

Table 2 Parameters of explosive material

ρ_e/(kg·m^-3)	v/（m·s^-1）	P_cj/GPa	A/GPa	B/GPa	R₁	R₂	E₀/(MJ·m^-3)	V₀	ω
1 150	5 122	9.53	276.2	8.44	5.199	2.099	3 870	1.0	0.5

表3 空气材料参数

Table 3 Parameters of air

ρ_a/(kg·m^-3)	C₀	C₁	C₂	C₃	C₄	C₅	C₆	V₀
1.29	0	0	0	0	0.4	0.4	0	1.0

图7 数值模拟失效区域（a）—无井切槽失效范围；（b）—“品”字形切槽失效范围.

Fig.7 Failure zone of numerical simulation

图8 超挖等效深度

Fig.8 Equivalent depth of over excavation

图9 爆破应力叠加云图（a）—无井切槽爆破应力云图；（b）—“品”字形阶梯爆破应力云图.

Fig.9 Superposition nephogram of blasting stress

图10 无井切割拉槽爆破过程应力云图（a）—t=0.005 ms；（b）—t=0.01 ms；（c）—t=0.015 ms；（d）—t=0.02 ms.

Fig.10 Blasting stress nephogram of cutting and slotting without raise

图11 “品”字形爆破过程应力云图（a）—t=0.005 ms；（b）—t=0.01 ms；（c）—t=0.015 ms；（d）—t=0.02 ms.

Fig.11 Blasting stress nephogram of “pin” shaped

图12 监测点布置（a）—无井切槽监测点；（b）—“品”字形监测点.

Fig.12 Layout of the supervision points

图13 底部自由面监测点等效应力峰值对比

Fig.13 Comparison of equivalent stress peaks on bottom free surface

图14 自由面等效应力峰值对比

Fig.14 Comparison of stress peaks on free surface

图15 设计爆破边界应力峰值对比

Fig.15 Comparison of peak stress of expected blasting boundary

图16 底部自由面质点速度分布（a）—t=0.005 ms；（b）—t=0.01 ms；（c）—t=0.015 ms；（d）—t=0.02 ms.

Fig.16 Velocity distribution of particle on bottom free surface

图17 侧向自由面质点速度分布（a）—t=0.005 ms；（b）—t=0.01 ms；（c）—t=0.015 ms；（d）—t=0.02 ms.

Fig.17 Velocity distribution of particle on lateral free surface

图18 自由面监测点振动速度

Fig.18 Vibration velocity of supervision point on free surface

图19 设计爆破边界爆破振动速度

Fig.19 Blasting vibration velocity of design blasting boundary

图20 现场切槽爆破效果

Fig.20 Field slotting blasting effect

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