精确延时爆破控制破碎块度机理研究

The project is aiming at controlling blasting quality in open pit mining, through theoretical analysis, model test, numerical simulation , field test, and other methods, systematic research on mechanism of utilizing millisecond precision time delay to control rock fragmentation size. On account of single hole blasting wedge theory of rock fragmentation in hole-by-hole initiation, carry out rock fragmentation theory research of per-hole initiation of precise time delay in a deep-going way. With the aid of digital image correlation method and other test means carrying out indoor bench blasting model test, by analyzing the stress wave propagation, blasting crack propagation rate and crack expansion form between the hole, present theory model of rock fragmentation and calculation method of precise time delay interval in hole-by-hole initiation. Combined with finite element and popular element numerical simulation, etc, Further exploration of rock fragmentation distribution regularity of millisecond delay blasting, establish different lithology rock fragmentation prediction model of precision time delay in hole-by-hole initiation. Through the field blasting test validates the above calculation method and prediction model, for improving the quality of the open-air bench blasting and the optimization of bench blasting design to provide the scientific basis.

本项目针对露天矿开采中爆破质量控制问题，通过理论分析、模型试验、数值模拟及现场试验等方法，系统研究利用毫秒级精确延时控制岩石破碎块度机理。基于逐孔起爆条件下台阶单孔爆破岩石的楔形破碎理论，深入开展逐孔起爆精确延时起爆的岩石破碎理论研究；借助数字图像相关方法等试验手段开展室内台阶爆破模型试验，通过分析孔间应力波传播、爆生裂纹扩展速度和裂纹扩张形态，提出逐孔起爆岩石破碎理论模型和精确延时间隔计算方法；结合有限元和流行元等数值模拟研究，进一步探索毫秒延时爆破岩石破碎块度的分布规律，建立不同岩性的精确延时逐孔起爆岩石破碎块度预测模型。通过现场爆破试验验证上述计算方法和块度预测模型，为改善露天台阶爆破质量和优化台阶爆破设计提供科学依据。

破碎块度是评估爆破效果的关键，并直接影响着装运效率和矿岩开采整体经济效益。目前关于逐孔起爆条件下获取合理破碎块度的精确延时时间选取仍无定论，亟待开展针对延时时间的相关爆破机理的研究工作。本项目采用理论分析、模型试验、数值模拟研究和现场试验相结合的方法，对精确延时爆破条件下控制破碎块度机理进行了研究，取得如下研究成果：.（1）基于各向同性岩石介质假设，将逐孔起爆问题简化为平面应变问题。研究了逐孔起爆条件下岩体中应力分布状态，分析应力波叠加对岩石破碎范围及破碎程度的影响，提出逐孔起爆的岩石破碎楔块理论模型。此外，对台阶表面裂纹萌生及台阶爆破能量分布进行了研究。.（2）通过相似理论进行台阶模型设计，利用高速三维数字图像（3D-DIC）测试系统，研究了模型表面裂纹起裂和扩展。结果显示，随着延时时间的增加，坡面裂纹发展方向由水平向竖直转变。爆后台阶拼接对比发现，表面裂纹数量随延时增加呈现“W”分布。利用Swebrec函数研究应力波叠加与破碎块度x50的关系，先爆孔为后爆孔提供自由面的破碎效果优于应力波相互叠加的破碎效果。延时1 ms/m（孔间延时与孔距比值）存在最佳爆破破碎块度x50。基于相似理论提出了包含延时时间的爆破破碎块度预测模型。.（3）利用PFC3D软件实现台阶模型爆破模拟，研究了双孔多自由面模型的应力分布特征、能量分布特征和爆破破碎块度，模拟结果与试验结果基本一致。同时开发了结合统一强度理论和孕育特征时间准则的新型动态损伤本构，采用ABAQUS软件结合VUMAT子程序实现了新型本构模型的应用，模拟了台阶模型在不同延时下的爆破破碎，对不同延时的爆破破碎效果进行了分析。.（4）在内蒙古满洲里开展了现场爆破试验，通过对比爆破破碎块度、铲装效率和破碎站效率，研究了精确延时对爆破破碎效果的影响。试验结果表明孔间延时9 ms的破碎效果优于孔间延时17 ms，利用精确延时设计爆破网路改善了现场爆破破碎效果，降低了爆破工程的生产成本。