基于ANSYS的石墨矿爆破优化数值分析

刘忠强,张成良,李宗楠,孙国凯

(1.昆明理工大学 国土资源学院,云南 昆明　650000;2.北京矿冶研究总院,北京　100160)



基于ANSYS的石墨矿爆破优化数值分析

刘忠强1,张成良1,李宗楠2,孙国凯1

(1.昆明理工大学 国土资源学院,云南 昆明650000;2.北京矿冶研究总院,北京100160)

摘要针对某石墨矿露天台阶爆破效果不佳,采用优化台阶爆破参数的思路,提出了三种不同方案,并按照参数优化分析中的思路进行了对比分析,优选出其中一个方案进行工程试验,采用ANSYS 软件系统对方案的技术优越性进行爆破过程的数值模拟。最终,设计、分析、试验与数值模拟相结合,论证了该石墨矿采用间隔装药结构进行台阶爆破可取得良好的爆破效果。其相关结论和思路能够为露天台阶爆破的参数优化和爆破方案的技术经济优选提供参考。

关键词台阶爆破;参数优化;数值分析;ANSYS

1矿山背景

背景矿山为某石墨矿,计划产能为0.3百万t/a,日产量达0.1万t/d,年采剥总量约600万t。该矿山《地质勘探报告》显示,矿石、风化矿石、原生矿石平均容重分别为2.51 t/m3、2.36 t/m3、2.69 t/m3;矿石平均湿度1.88%;矿石松散系数1.52;矿石松散堆积安息角为38°～42°;矿石硬度为Ⅴ~Ⅶ级,f=8~12;矿石内摩擦角为35.6°;矿区远离地表水源,水文条件良好;矿区矿石的结构为鳞片粒状变晶结构、嵌晶变晶结构,构造以片麻状构造为主,其次为片状构造,局部呈块状构造。

该矿露天开采,台阶高12 m,采用的孔网参数为4 m×5 m,孔径140 mm,超深1.0 m,炸药实际单耗0.35～0.45 kg/m3,钻孔采用孔径140 mm潜孔钻机凿岩,炸药为2号岩石乳化炸药,人工装药,微差起爆。本次爆破试验段采场选于该石墨矿南部,地质条件较好地段,该地段主要岩性为混合花岗岩。

经分析,除地质原因引起的爆破质量问题外,可能存在爆破参数选择不当的问题,需对爆破参数进行进一步优化。

2爆破方案比选及分析

2.1爆破方案比选

针对石墨矿爆破质量欠佳,出现爆破大块和爆破根底,通过前期细致的工程地质调查和爆破方案论证,提出了三个爆破设计方案:方案一,连续装药4 m×6 m;方案二,连续装药3 m×8 m;方案三,间隔装药4 m×6 m。方案一、方案二、方案三技术参数详见表1。

表1　技术参数

2.2方案分析

对于优化后的三个方案,其技术经济指标对比情况见表2。

表2　三个方案爆破指标对比

从技术经济角度进行分析:

(1)方案一与方案二从相同点来看,设计单耗相同,延米爆方量相同,两方案具有相同的经济性指标;从相同的装填率系数来看,两方案指标值相同,说明其安全指标相当(装药结构相同)。从差异来看,主要体现在布孔密集系数上面,前者密集系数较后者小,后者采用的是“宽孔距,小排距”的布孔方式[1-3]。采用“宽孔距,小排距”方式进行台阶爆破具有一定的技术优越性,其现场表现需要根据试验结果来确定,如果方案一的现场试验效果优于方案二的试验效果,说明4 m×6 m孔网参数优于3 m×8 m孔网参数,两方案经济性相当,技术性需进行爆破试验判定;

(2)方案一与方案三从相同点来看,二者布孔密集情况相同,即二者不存在孔网参数差异;此外延米爆方量相同,结合爆破经济模型,说明钻孔的成本费用相当。从不同点来看,后者单耗低,说明爆破综合经济性能更优越,从技术角度来考虑,若单耗0.36 kg/m3满足矿山生产且能获得合格的爆破质量,则方案三整体优越性好。另外,方案三的装填率系数较前者低,说明填塞段比方案一长,则其安全性指标优于方案一;

(3)初步判断方案三具有最优方案的潜质,对其进行数值模拟,进一步论证。

3爆破优化方案的数值分析

在爆破数值模拟方面,ANSYS/LS-DYNA系统在国内外运用比较广泛,它是一种对爆破过程的有限元分析,对大变形流固耦合等问题进行数值模拟,主要用于分析爆破过程中岩体物理力学参数,对爆破过程进行直观分析,并能从微观和定量层次上把握分析爆破效果和质量,在岩石动力学、岩石破碎学及爆破和冲击领域具有重要的作用[4-10]。

3.1爆炸材料模型和JWL状态方程

状态方程一般用于模拟流体材料在压力作用下体积与内能之间的关系。在爆炸与冲击模拟过程中,常用的流体材料一般包括炸药和空气两种[3,7]。

炸药材料一般采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型以及如下JWL状态方程加以描述:

(1)

其中:P为爆轰压力;V为相对体积;E为单位体积内能;ω、A、B、R1、R2为材料常数。

空气采用NULL材料模型以及LINERA_POLUNOMIAL状态方程加以描述,线性多项式状态方程为

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ2+C6μ3)E,

(2)

(3)

其中:P为爆轰压力;E为单位体积内能;V为相对体积,上述公式用于空气时,V取1.0,且有C0=C1=C2=C3=C6=0,C4=C5=0.4。

在ANSYS/LS-DYNA分析过程中,对于炸药和空气材料采用EOS(需要状态方程)材料进行定义,可通过修改K文件对其相关参数进行定义。

3.2建立模型

仅考虑影响爆破效果的主要因素,简化后对爆破模型进行数学建模,分析外排孔间隔装药的爆破效果,拟通过分析自由面及外排孔之间区域应力和位移变化,以及坡面上不同位置质点的位移和应力变化情况,探讨间隔装药对克服过大的底盘抵抗线所产生的影响,用以验证爆破优化方案实施的可行性。设计方案如图1所示。

简化后的三维模型,采用3D-SOLID164单元类型,厚度方向设置为单元厚度2 cm,网格尺寸:炸药单元1 cm×2 cm;岩石单元2 cm×2 cm。

炸药选乳化炸药,质量密度1 200 kg/m3,爆速4 000 m/s,矿岩性质见表3。

3.3数值计算及过程分析

(1)自由面方向应力变化情况沿坡面方向即为爆破自由面方向,爆破产生大块根底的主要原因就是外排孔底盘抵抗线较大,无法使炸药的能量被最大限度利用,因此,将自由面方向作为分析的主要因素,通过建模分析,各时间点模拟效果如图2所示。

图1　间隔装药结构参数Fig.1　Parameter diagram of interval charging structure

密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa泊松比屈服应力/MPa切线模量/GPa2.8×1031.180.1881.30.5

图2　数值模型截面上不同时间点应力变化情况Fig.2　Changing condition of stress on numerical model section at different time point

从应力变化情况来看,间隔装药时,爆破的上下两段药柱在同一时间引爆,所产生的应力波同时向着自由面的方向进行传播,在第3 ms前后,在简化模型的截面上发生叠加,见图2(c),但此时爆炸所产生的应力波还没有达到自由面,其等效应力沿炮孔方向相对均匀;随着爆破应力波的传播,在第9 ms前后应力波到达坡面,见图2(g),之后,截面内的等效应力变化较为平缓,说明两个药柱爆炸时所产生的影响发生了叠加;在台阶底部出现相当大的应力区是因为受到了夹制作用;而自由面的存在,使得台阶顶部应力值相对较小,这与上部填塞具有一定的关系。因此,如果采用连续装药,药柱中心在此基础上下移,下部区域的应力值必然更大,不利于岩体破碎,这也就充分说明,采用间隔装药方案对提高竖直方向上的爆破力效应作用明显。

(2)自由面方向位移变化数值模型截面上不同时间点位移变化情况见图3。从图3可以看出位移变化情况与应力变化情况相似,最大位移以药柱为中心,向自由面方向逐步扩散,在4 ms分段药柱爆破产生的位移变形图见图3(c),表明炸药在上下两段同时起爆的情况下,在岩体中产生贯通裂隙,之后在10 ms内,最大位移抵达自由面,应力波发生反射(振动),质点发生拉压振动变形。

图3　数值模型截面上不同时间点位移变化情况Fig.3　Changing condition of displacement on numerical model section at different time point

(3)坡面质点(单元)位移随时间变化曲线坡顶质点位移随时间的变化关系如图4所示,坡腰质点位移随时间的变化关系如图5所示,坡底质点位移随时间的变化关系如图6所示。

图4~图6皆反映了在爆破过程中坡面岩体位移总体持续增大,考察质点X向位移的最大幅值分别为35 mm、18 mm和28 mm,其值的相对比较反应了底部岩体材料在分段装药条件下能获得较好的位移指标。其中,重点考察的底部质点位移能获得较好的幅值,说明其爆破能量沿坡面分部较均匀,能获得比较理想的爆破效果,底部岩石能够得到很好破碎。该石墨矿采用分段装药解决地盘抵抗线过大而导致的根底残留问题。

图4　坡顶某质点位移随时间变化情况Fig.4　Diagram of displacement of certain particle at topof slope along with change of time

图5　坡腰某质点位移随时间变化情况Fig.5　Diagram of displacement of certain particle atmidslope along with change of time

图6　坡底某质点位移随时间变化情况Fig.6　Diagram of displacement of certain particle at baseof slope along with change of time

(4)坡面质点(单元)应力随时间变化坡顶质点应力随时间的变化关系如图7所示。图7表明坡顶质点在0~16 ms内发生激烈的震荡,应力峰值发生拉压振动。

图7　坡顶某质点应力随时间变化情况Fig.7　Diagram of stress of certain particle at top ofslope along with change of time

坡腰质点应力随时间的变化关系图如图8所示。总体变化情况同坡顶质点一样,在考察时间0～16 ms内发生激烈振动,应力值出现拉压变化。

坡底质点应力随时间的变化关系如图9所示。图9表明,坡底质点也发生类似的激烈振动,且振动幅值与坡顶、坡腰基本相当。值得注意的是,从起振时间上来看,坡腰质点先振动,之后是坡顶和坡底,表明距离药柱近的坡腰,应力最先到达,较远的滞后到达,与实际吻合较好。

图8　坡腰某质点应力随时间变化情况Fig.8　Diagram of stress of certain particle at midslope along with change of time

图9　坡底某质点应力随时间变化情况Fig.9　Diagram of stress of certain particle at base ofslope along with change of time

该石墨矿采用分段装药有效地解决了由于底盘抵抗线过大而导致大块率高、根底残留等问题,从ANSYS模拟分析的数据来看,分段装药能够得到较为理想的结论,且其设计时使用的参数亦适合在矿山运用。总之,通过对爆破过程的模拟研究,体现了数值模拟手段的先进性。

同时,从现场进行的间隔装药爆破试验效果来看,方案优化后的爆破效果比方案优化前得到明显提高,方案优化前后的爆堆大块率足以说明这一可喜变化,见图10。

4结论

从间隔装药爆破设计参数出发,采用数值分析方法,基于ANSYS软件在考虑影响爆破效果的主要因素后,建立数学模型,对各种参数的变化进行综合、全面、深入地分析,分析结果与实际效果吻合,是ANSYS在爆破工程领域较好的应用。

(1)通过研究和分析爆破参数及其优化设计过程,提出科学合理的台阶爆破参数设计方法和思路,从技术、经济与安全角度,为露天台阶爆破设计、爆破参数优化、钻具优选与台阶高度匹配等提供解决思路和方法。

图10　间隔装药爆破前后爆破效果对比Fig.10　Contrast of blasting effects before and afterblasting by using interval charging structure

(2)从参数优化方法和思路出发,针对某石墨矿爆破大块、根底残留等爆破质量问题,设计详细的爆破方案,对比分析各方案的优劣,优选爆破方案进行工程试验,以期达到设计目的。

(3)对优选的爆破参数建立爆破分析数值模型,进行台阶爆破过程数值模拟研究,分析优选方案爆破过程的力学效应,以此对优选方案的技术可行性进行初步论证。

石墨矿间隔装药设计方案进行爆破过程数值模拟,从数值模拟结果来看,能够获得相对较好的效果,从工程实践来看,按照优化的爆破方案及其参数实施爆破之后,爆破大块和根底残留得到有效控制。采用参数设计、数值模拟和现场试验相结合的方式,有助于方便快捷地观察优化方案的爆破效果,节约爆破成本。

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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

中图分类号:TD235.4

文献标志码:A

文章编号:1004-0366(2016)01-0138-06

作者简介:刘忠强(1983-),男,湖北洪湖人,硕士研究生,研究方向为采矿工程.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.[刘忠强,张成良,李宗楠,等.基于ANSYS的石墨矿爆破优化数值分析[J].甘肃科学学报,2016,28(1):138-143.]