基于ANSYS的石墨礦爆破優(yōu)化數(shù)值分析

劉忠強,張成良,李宗楠,孫國凱

(1.昆明理工大學 國土資源學院,云南 昆明　650000;2.北京礦冶研究總院,北京　100160)

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基于ANSYS的石墨礦爆破優(yōu)化數(shù)值分析

劉忠強1,張成良1,李宗楠2,孫國凱1

(1.昆明理工大學 國土資源學院,云南 昆明650000;2.北京礦冶研究總院,北京100160)

摘要針對某石墨礦露天臺階爆破效果不佳,采用優(yōu)化臺階爆破參數(shù)的思路,提出了三種不同方案,并按照參數(shù)優(yōu)化分析中的思路進行了對比分析,優(yōu)選出其中一個方案進行工程試驗,采用ANSYS 軟件系統(tǒng)對方案的技術優(yōu)越性進行爆破過程的數(shù)值模擬。最終,設計、分析、試驗與數(shù)值模擬相結合,論證了該石墨礦采用間隔裝藥結構進行臺階爆破可取得良好的爆破效果。其相關結論和思路能夠為露天臺階爆破的參數(shù)優(yōu)化和爆破方案的技術經(jīng)濟優(yōu)選提供參考。

關鍵詞臺階爆破;參數(shù)優(yōu)化;數(shù)值分析;ANSYS

1礦山背景

背景礦山為某石墨礦,計劃產(chǎn)能為0.3百萬t/a,日產(chǎn)量達0.1萬t/d,年采剝總量約600萬t。該礦山《地質勘探報告》顯示,礦石、風化礦石、原生礦石平均容重分別為2.51 t/m3、2.36 t/m3、2.69 t/m3;礦石平均濕度1.88%;礦石松散系數(shù)1.52;礦石松散堆積安息角為38°～42°;礦石硬度為Ⅴ~Ⅶ級,f=8~12;礦石內摩擦角為35.6°;礦區(qū)遠離地表水源,水文條件良好;礦區(qū)礦石的結構為鱗片粒狀變晶結構、嵌晶變晶結構,構造以片麻狀構造為主,其次為片狀構造,局部呈塊狀構造。

該礦露天開采,臺階高12 m,采用的孔網(wǎng)參數(shù)為4 m×5 m,孔徑140 mm,超深1.0 m,炸藥實際單耗0.35～0.45 kg/m3,鉆孔采用孔徑140 mm潛孔鉆機鑿巖,炸藥為2號巖石乳化炸藥,人工裝藥,微差起爆。本次爆破試驗段采場選于該石墨礦南部,地質條件較好地段,該地段主要巖性為混合花崗巖。

經(jīng)分析,除地質原因引起的爆破質量問題外,可能存在爆破參數(shù)選擇不當?shù)膯栴},需對爆破參數(shù)進行進一步優(yōu)化。

2爆破方案比選及分析

2.1爆破方案比選

針對石墨礦爆破質量欠佳,出現(xiàn)爆破大塊和爆破根底,通過前期細致的工程地質調查和爆破方案論證,提出了三個爆破設計方案:方案一,連續(xù)裝藥4 m×6 m;方案二,連續(xù)裝藥3 m×8 m;方案三,間隔裝藥4 m×6 m。方案一、方案二、方案三技術參數(shù)詳見表1。

表1　技術參數(shù)

2.2方案分析

對于優(yōu)化后的三個方案,其技術經(jīng)濟指標對比情況見表2。

表2　三個方案爆破指標對比

從技術經(jīng)濟角度進行分析:

(1)方案一與方案二從相同點來看,設計單耗相同,延米爆方量相同,兩方案具有相同的經(jīng)濟性指標;從相同的裝填率系數(shù)來看,兩方案指標值相同,說明其安全指標相當(裝藥結構相同)。從差異來看,主要體現(xiàn)在布孔密集系數(shù)上面,前者密集系數(shù)較后者小,后者采用的是“寬孔距,小排距”的布孔方式[1-3]。采用“寬孔距,小排距”方式進行臺階爆破具有一定的技術優(yōu)越性,其現(xiàn)場表現(xiàn)需要根據(jù)試驗結果來確定,如果方案一的現(xiàn)場試驗效果優(yōu)于方案二的試驗效果,說明4 m×6 m孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)于3 m×8 m孔網(wǎng)參數(shù),兩方案經(jīng)濟性相當,技術性需進行爆破試驗判定;

(2)方案一與方案三從相同點來看,二者布孔密集情況相同,即二者不存在孔網(wǎng)參數(shù)差異;此外延米爆方量相同,結合爆破經(jīng)濟模型,說明鉆孔的成本費用相當。從不同點來看,后者單耗低,說明爆破綜合經(jīng)濟性能更優(yōu)越,從技術角度來考慮,若單耗0.36 kg/m3滿足礦山生產(chǎn)且能獲得合格的爆破質量,則方案三整體優(yōu)越性好。另外,方案三的裝填率系數(shù)較前者低,說明填塞段比方案一長,則其安全性指標優(yōu)于方案一;

(3)初步判斷方案三具有最優(yōu)方案的潛質,對其進行數(shù)值模擬,進一步論證。

3爆破優(yōu)化方案的數(shù)值分析

在爆破數(shù)值模擬方面,ANSYS/LS-DYNA系統(tǒng)在國內外運用比較廣泛,它是一種對爆破過程的有限元分析,對大變形流固耦合等問題進行數(shù)值模擬,主要用于分析爆破過程中巖體物理力學參數(shù),對爆破過程進行直觀分析,并能從微觀和定量層次上把握分析爆破效果和質量,在巖石動力學、巖石破碎學及爆破和沖擊領域具有重要的作用[4-10]。

3.1爆炸材料模型和JWL狀態(tài)方程

狀態(tài)方程一般用于模擬流體材料在壓力作用下體積與內能之間的關系。在爆炸與沖擊模擬過程中,常用的流體材料一般包括炸藥和空氣兩種[3,7]。

炸藥材料一般采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型以及如下JWL狀態(tài)方程加以描述:

(1)

其中:P為爆轟壓力;V為相對體積;E為單位體積內能;ω、A、B、R1、R2為材料常數(shù)。

空氣采用NULL材料模型以及LINERA_POLUNOMIAL狀態(tài)方程加以描述,線性多項式狀態(tài)方程為

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ2+C6μ3)E,

(2)

(3)

其中:P為爆轟壓力;E為單位體積內能;V為相對體積,上述公式用于空氣時,V取1.0,且有C0=C1=C2=C3=C6=0,C4=C5=0.4。

在ANSYS/LS-DYNA分析過程中,對于炸藥和空氣材料采用EOS(需要狀態(tài)方程)材料進行定義,可通過修改K文件對其相關參數(shù)進行定義。

3.2建立模型

僅考慮影響爆破效果的主要因素,簡化后對爆破模型進行數(shù)學建模,分析外排孔間隔裝藥的爆破效果,擬通過分析自由面及外排孔之間區(qū)域應力和位移變化,以及坡面上不同位置質點的位移和應力變化情況,探討間隔裝藥對克服過大的底盤抵抗線所產(chǎn)生的影響,用以驗證爆破優(yōu)化方案實施的可行性。設計方案如圖1所示。

簡化后的三維模型,采用3D-SOLID164單元類型,厚度方向設置為單元厚度2 cm,網(wǎng)格尺寸:炸藥單元1 cm×2 cm;巖石單元2 cm×2 cm。

炸藥選乳化炸藥,質量密度1 200 kg/m3,爆速4 000 m/s,礦巖性質見表3。

3.3數(shù)值計算及過程分析

(1)自由面方向應力變化情況沿坡面方向即為爆破自由面方向,爆破產(chǎn)生大塊根底的主要原因就是外排孔底盤抵抗線較大,無法使炸藥的能量被最大限度利用,因此,將自由面方向作為分析的主要因素,通過建模分析,各時間點模擬效果如圖2所示。

圖1　間隔裝藥結構參數(shù)Fig.1　Parameter diagram of interval charging structure

密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比屈服應力/MPa切線模量/GPa2.8×1031.180.1881.30.5

圖2　數(shù)值模型截面上不同時間點應力變化情況Fig.2　Changing condition of stress on numerical model section at different time point

從應力變化情況來看,間隔裝藥時,爆破的上下兩段藥柱在同一時間引爆,所產(chǎn)生的應力波同時向著自由面的方向進行傳播,在第3 ms前后,在簡化模型的截面上發(fā)生疊加,見圖2(c),但此時爆炸所產(chǎn)生的應力波還沒有達到自由面,其等效應力沿炮孔方向相對均勻;隨著爆破應力波的傳播,在第9 ms前后應力波到達坡面,見圖2(g),之后,截面內的等效應力變化較為平緩,說明兩個藥柱爆炸時所產(chǎn)生的影響發(fā)生了疊加;在臺階底部出現(xiàn)相當大的應力區(qū)是因為受到了夾制作用;而自由面的存在,使得臺階頂部應力值相對較小,這與上部填塞具有一定的關系。因此,如果采用連續(xù)裝藥,藥柱中心在此基礎上下移,下部區(qū)域的應力值必然更大,不利于巖體破碎,這也就充分說明,采用間隔裝藥方案對提高豎直方向上的爆破力效應作用明顯。

(2)自由面方向位移變化數(shù)值模型截面上不同時間點位移變化情況見圖3。從圖3可以看出位移變化情況與應力變化情況相似,最大位移以藥柱為中心,向自由面方向逐步擴散,在4 ms分段藥柱爆破產(chǎn)生的位移變形圖見圖3(c),表明炸藥在上下兩段同時起爆的情況下,在巖體中產(chǎn)生貫通裂隙,之后在10 ms內,最大位移抵達自由面,應力波發(fā)生反射(振動),質點發(fā)生拉壓振動變形。

圖3　數(shù)值模型截面上不同時間點位移變化情況Fig.3　Changing condition of displacement on numerical model section at different time point

(3)坡面質點(單元)位移隨時間變化曲線坡頂質點位移隨時間的變化關系如圖4所示,坡腰質點位移隨時間的變化關系如圖5所示,坡底質點位移隨時間的變化關系如圖6所示。

圖4~圖6皆反映了在爆破過程中坡面巖體位移總體持續(xù)增大,考察質點X向位移的最大幅值分別為35 mm、18 mm和28 mm,其值的相對比較反應了底部巖體材料在分段裝藥條件下能獲得較好的位移指標。其中,重點考察的底部質點位移能獲得較好的幅值,說明其爆破能量沿坡面分部較均勻,能獲得比較理想的爆破效果,底部巖石能夠得到很好破碎。該石墨礦采用分段裝藥解決地盤抵抗線過大而導致的根底殘留問題。

圖4　坡頂某質點位移隨時間變化情況Fig.4　Diagram of displacement of certain particle at topof slope along with change of time

圖5　坡腰某質點位移隨時間變化情況Fig.5　Diagram of displacement of certain particle atmidslope along with change of time

圖6　坡底某質點位移隨時間變化情況Fig.6　Diagram of displacement of certain particle at baseof slope along with change of time

(4)坡面質點(單元)應力隨時間變化坡頂質點應力隨時間的變化關系如圖7所示。圖7表明坡頂質點在0~16 ms內發(fā)生激烈的震蕩,應力峰值發(fā)生拉壓振動。

圖7　坡頂某質點應力隨時間變化情況Fig.7　Diagram of stress of certain particle at top ofslope along with change of time

坡腰質點應力隨時間的變化關系圖如圖8所示。總體變化情況同坡頂質點一樣,在考察時間0～16 ms內發(fā)生激烈振動,應力值出現(xiàn)拉壓變化。

坡底質點應力隨時間的變化關系如圖9所示。圖9表明,坡底質點也發(fā)生類似的激烈振動,且振動幅值與坡頂、坡腰基本相當。值得注意的是,從起振時間上來看,坡腰質點先振動,之后是坡頂和坡底,表明距離藥柱近的坡腰,應力最先到達,較遠的滯后到達,與實際吻合較好。

圖8　坡腰某質點應力隨時間變化情況Fig.8　Diagram of stress of certain particle at midslope along with change of time

圖9　坡底某質點應力隨時間變化情況Fig.9　Diagram of stress of certain particle at base ofslope along with change of time

該石墨礦采用分段裝藥有效地解決了由于底盤抵抗線過大而導致大塊率高、根底殘留等問題,從ANSYS模擬分析的數(shù)據(jù)來看,分段裝藥能夠得到較為理想的結論,且其設計時使用的參數(shù)亦適合在礦山運用?？傊?通過對爆破過程的模擬研究,體現(xiàn)了數(shù)值模擬手段的先進性。

同時,從現(xiàn)場進行的間隔裝藥爆破試驗效果來看,方案優(yōu)化后的爆破效果比方案優(yōu)化前得到明顯提高,方案優(yōu)化前后的爆堆大塊率足以說明這一可喜變化,見圖10。

4結論

從間隔裝藥爆破設計參數(shù)出發(fā),采用數(shù)值分析方法,基于ANSYS軟件在考慮影響爆破效果的主要因素后,建立數(shù)學模型,對各種參數(shù)的變化進行綜合、全面、深入地分析,分析結果與實際效果吻合,是ANSYS在爆破工程領域較好的應用。

(1)通過研究和分析爆破參數(shù)及其優(yōu)化設計過程,提出科學合理的臺階爆破參數(shù)設計方法和思路,從技術、經(jīng)濟與安全角度,為露天臺階爆破設計、爆破參數(shù)優(yōu)化、鉆具優(yōu)選與臺階高度匹配等提供解決思路和方法。

圖10　間隔裝藥爆破前后爆破效果對比Fig.10　Contrast of blasting effects before and afterblasting by using interval charging structure

(2)從參數(shù)優(yōu)化方法和思路出發(fā),針對某石墨礦爆破大塊、根底殘留等爆破質量問題,設計詳細的爆破方案,對比分析各方案的優(yōu)劣,優(yōu)選爆破方案進行工程試驗,以期達到設計目的。

(3)對優(yōu)選的爆破參數(shù)建立爆破分析數(shù)值模型,進行臺階爆破過程數(shù)值模擬研究,分析優(yōu)選方案爆破過程的力學效應,以此對優(yōu)選方案的技術可行性進行初步論證。

石墨礦間隔裝藥設計方案進行爆破過程數(shù)值模擬,從數(shù)值模擬結果來看,能夠獲得相對較好的效果,從工程實踐來看,按照優(yōu)化的爆破方案及其參數(shù)實施爆破之后,爆破大塊和根底殘留得到有效控制。采用參數(shù)設計、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相結合的方式,有助于方便快捷地觀察優(yōu)化方案的爆破效果,節(jié)約爆破成本。

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ANSYS-based Optimized Numerical Analysis for Explosion of Graphite Ores

Liu Zhongqiang1,Zhang Chengliang1,Li Zongnan2,Sun Guokai1

(1.FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650000,China;2.BeijingGeneralResearchInstituteofMiningandMetallurgy,Beijing100160,China)

AbstractThree different solutions were proposed by using the thought of optimizing platform blasting parameters in allusion to the condition that the platform blasting in the open air of the graphite ore had poor effect,one solution was selected preferably through the comparative analysis according to the thought in optimized analysis of parameters to carry out engineering test,and the numbers of the blasting process were simulated for the technological merit by using the ANSYS software system.And combination of design,analysis,test and numerical simulation proved that the platform blasting of the graphite ore could achieve excellent blasting effect by using interval charging structure finally.Moreover,relevant conclusion and thought could provide parameters optimization of the open-air platform blasting and technical and economical optimization of the blasting scheme with reference.

Key wordsPlatform blasting;Parameter optimization;Numerical analysis;ANSYS

中圖分類號:TD235.4

文獻標志碼:A

文章編號:1004-0366(2016)01-0138-06

作者簡介:劉忠強(1983-),男,湖北洪湖人,碩士研究生,研究方向為采礦工程.E-mail:393163530@qq.com.

收稿日期:2015-01-12;修回日期:2015-04-09.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.030.

引用格式:Liu Zhongqiang,Zhang Chengliang,Li Zongnan,etal.ANSYS-based Optimized Numerical Analysis for Explosion of Graphite Ores[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):138-143.[劉忠強,張成良,李宗楠,等.基于ANSYS的石墨礦爆破優(yōu)化數(shù)值分析[J].甘肅科學學報,2016,28(1):138-143.]