一种用于矿山回采的充填胶结材料及其制备方法

一种用于矿山回采的充填胶结材料及其制备方法实质审查发明

技术领域

[0001] 本发明属于地下采矿用爆破技术领域，尤其涉及一种用于矿山回采的充填胶结材料及其制备方法。

具体实施方式

[0057] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发
明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不
违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

[0058] 实施例1，如图1所示，本发明实施例提供一种用于矿山回采的充填胶结材料及其制备方法包括：

[0059] S1，称取全尾砂、分级尾砂、含锂矿山废物、粉煤灰、改性煤矸石以及水，混合后，加入硫酸盐、碱性复合物、纤维高分子复合物、离子表面活性剂、氨基减水剂，搅拌均匀；

[0060] S2，充填材料指标确定，根据废石种类、尺寸及现场尾砂分级、技术参数，对全尾砂、分级尾砂、含锂矿山废物、粉煤灰、改性煤矸石的骨料分级，根据粒径指标进行筛选，基于筛选的指标，与硫酸盐、碱性复合物、纤维高分子复合物、离子表面活性剂、氨基减水剂混合后，获得力学试验并测定抗压强度；

[0061] S3，在获得强度指标的尾砂充填材料中，进行胶结充填体化学性质稳定性、抗腐蚀性能、矿山废水废料接触后的稳定性进行测试，选择化学性质稳定且无毒无害材料作为化学性质充填体；

[0062] S4，获取化学性质充填体，进行泌水性能及输送指标测试，根据化学性质充填体不同配比浓度，进行泌水性能及流动性进行测试；结合矿山材料输送设备及输送设备进行评估，使化学性质充填体的泌水性及流动性满足需求。

[0063] 在步骤S2中，如图2所示，选定强度指标最优的尾砂充填材料包括：

[0064] S201，对于确定材料以及数据充足的非确定材料，设定尾砂充填材料建模强度指标的范围，建立范围仿真判定集合；对于存在空白数据的非确定材料，通过分区强度指标，进行尾砂充填材料建模；

[0065] S202，将骨料分级种类及粒径指标原始数据分类导入，设定I、II两类良好度等级；

[0066] S203，根据现有充填胶结材料的强度，增加速度和最终强度指标的稀疏程度，将基面向相邻强度增加速度和最终强度指标程度面，延伸1/2强度差范围为数据参考范围；

[0067] S204，将数据参考范围数据点投影至充填胶结材料强度范围内，增加速度和最终强度指标程度曲线，构建各类型数据充填胶结材料的强度增加速度和最终强度指标程度
点；消除尖灭点数据，删除与良好度相矛盾的控制点和局部错误点；

[0068] S205，对于已有的强度范围，增加速度和最终强度指标程度充填胶结材料比对，精准约束I、II类良好度数据点，建立精准充填胶结材料；

[0069] S206，根据各强度增加速度和最终强度指标程度充填胶结材料强度，增加速度和最终强度指标程度线插值拟合三维模型面，运用仿真判定集合进行布尔运算，设定模型面
良好度；

[0070] S207，根据模型面良好度，判断是否需要更新数据进行重建，若良好度等级低于I类，根据后续数据及时更新。

[0071] 在S201中，对于确定材料以及数据充足的非确定材料，设定强度指标的尾砂充填材料建模范围为：{Xmin，Xmax}，{Ymin，Ymax}，{Zmin，Zmax}，建立范围仿真判定集合；{Xmin，Xmax}为分别为尾砂充填材料模型在X方向的最小强度、最大强度值，{Ymin，Ymax}为分别为尾砂充填材料模型在Y方向的最小强度、最大强度值，{Zmin，Zmax}为分别为尾砂充填材料模型在Z方向的最小强度、最大强度值；

[0072] 对于存在空白数据的非待确定的材料，根据数据分布划分n个强度指标的尾砂充填材料建模区：{X1min，X1max}，{Y1min，Y1max}，{Z1min，Z1max}…{Xnmin，Xnmax}，{Ynmin，Ynmax}，{Znmin，Znmax}，其中，非待确定的材料包括强度性质界面、卸荷面和深大断裂层；{X1min，X1max}为分别为尾砂充填材料模型在第1建模区X方向的最小强度、最大强度值，{Y1min，Y1max}为分别为尾砂充填材料模型在第1建模区Y方向的最小强度、最大强度值，{Z1min，Z1max}为分别为尾砂充填材料模型在第1建模区Z方向的最小强度、最大强度值，{Xnmin，Xnmax}为分别为尾砂充填材料模型在第n建模区X方向的最小强度、最大强度值，{Ynmin，Ynmax}为分别为尾砂充填材料模型在第n建模区Y方向的最小强度、最大强度值，{Znmin，Znmax}为分别为尾砂充填材料模型在第n建模区Z方向的最小强度、最大强度值。

[0073] 在步骤S202中，I类良好度等级的数据包括：全尾砂、分级尾砂的骨料分级种类及粒径指标控制点；II类良好度等级的数据包括：次精准数据：含锂矿山废物、粉煤灰、改性煤矸石矿山废物的骨料分级种类及粒径指标实测控制点，以及硫酸盐占、碱性复合物占、纤维高分子复合物占、离子表面活性剂、氨基减水剂以及水控制点。

[0074] 在步骤S206中，运用仿真判定集合进行布尔运算，包括：

[0075] (1)定义参考参数：填胶结材料体积面密度P(A)＝模型面数据点个数/模型面面积；

[0076] (2)设定P(A)≥5个/m2，且I类填胶结材料体积面密度P(AI)≥3个/m2的模型面为I类模型面。

[0077] 在步骤S201中，对于分区强度指标，尾砂充填材料建模的存在空白数据的非待确定的材料，设定空白数据区个数为i，逐个补充数据空白区模型面，具体包括：

[0078] (1)选定与某空白区相连的精准数据控制区域的部分数据作为参考依据，再选定数据参考范围等于1/2的数据空白区范围；

[0079] (2)若所述数据空白区范围小于整体数据范围5％，选取数据参考范围内I类数据作为优先拟合点，直接拟合补充空白区域；若大于5％，则将数据参考范围内数据延伸补充空白区域数据后拟合补充空白区域；

[0080] (3)直到数据空白区模型面全部补充拟合，合并各个区域模型得到整个模型，以区域模型除数据空白区的最高良好度等级为整个模型的良好度等级。

[0081] 在步骤S3中，进行胶结充填体化学性质稳定性、抗腐蚀性能、与矿山废水废料接触后的稳定性进行测试，选择化学性质稳定且无毒无害材料作为最优化学性质充填体包括：

[0082] 胶结充填体化学性质稳定性、抗腐蚀性能、与矿山废水废料接触后的稳定性良好状态：

[0083] 利用真实数据基于当前时刻的强度指标最优的尾砂充填材料的化学性质稳定性、抗腐蚀性能、与矿山废水废料接触后的稳定性进行解算；解算误差为：

[0084]

[0085] 式中，X(t)为解算误差，VE为化学性质稳定性指标，VN为抗腐蚀性能指标，L为与矿山废水废料接触后的稳定性指标，为x向偏差，为y向偏差，为z向偏差，δ为方差。

[0086] 在步骤S4中，根据化学性质充填体不同配比浓度，进行泌水性能及流动性进行测试，包括：

[0087] 流动性测试的表达式为：

[0088]

[0089] 式中，为流动速度，为流动速度，为第k‑1节点流动速度，为流动时间速率，为第n建模区充填体配比浓度，为流动时间变化频率，为第n建模区
n
在第i个状态流动性偏向角度，为第n建模区在第n个状态流动性偏向角度，g为第n
建模区充填体流动性值；

[0090] 泌水性能测试的表达式为：

[0091]

[0092]

[0093] 式中，Lk为与矿山废水废料接触后的稳定性下的泌水性，Lk‑1为在节点k‑1时与矿山废水废料接触后的稳定性下的泌水性值，为在n建模区第k‑1节点下第N个流动速度值，RM为与矿山废水废料接触半径，hk‑1为在节点k‑1与矿山废水废料接触后的稳定性下的泌水深度，λk为与矿山废水废料接触后的稳定性下的泌水性权重，λk‑1为在节点k‑1时与矿山废水废料接触后的稳定性下的泌水性权重，为在n建模区第k‑1节点下第E个流
动速度值，secLk‑1为与矿山废水废料接触后的稳定性下的泌水性求函数，RN为第N个状态与矿山废水废料接触半径，hk为与矿山废水废料接触后的稳定性下的泌水深度，为在n
建模区第k‑1节点下第U个流动速度值。

[0094] 实施例2，本发明提供一种用于矿山回采的充填胶结材料，所述用于矿山回采的充填胶结材料按重量份由全尾砂50‑100份、分级尾砂100‑200份、含锂矿山废物200‑300份、粉煤灰25‑50份、改性煤矸石30‑50份、硫酸盐占40‑60份、碱性复合物占30‑50份、纤维高分子复合物占40‑70份、离子表面活性剂占10‑50％、氨基减水剂占10‑20份以及水300‑600份组成。

[0095] 所述分级尾砂的粒径≤25μm，比表面积为800‑1500m2/kg；

[0096] 全尾砂≤55μm，比表面积为600‑1200m2/kg；

[0097] 含锂矿山废物粒径过200‑300目筛；

[0098] 改性煤矸石的制备过程如下：将煤矸石与氯化铝和铁粉混合后焙烧，冷却后粉碎，得到改性煤矸石；

[0099] 煤矸石、氯化铝与铁粉的重量比为(10‑12)：(10‑12)：1；

[0100] 焙烧过程为先在200‑350℃焙烧30‑40min，然后在600‑650℃焙烧5‑10min。

[0101] 本发明的复杂强度指标最优的尾砂充填材料建立方法，通过构建良好度高的模型面，减少了复杂模型不同类型控制数据交叉；选取良好度控制点数据为主要依据，舍弃明显错误的二维信息，减小了计算机后期拟合计算的工作量与报错次数，提高强度指标最优的
尾砂充填材料建模效率与模型准确性，便于强度指标最优的尾砂充填材料二次修订，解决
了现有三维可视化模型大多简单，拟合数据量低，数据缺口大，体现不出工程的复杂与特殊性，且工作量庞大，强度指标最优的尾砂充填材料建模效率低的问题。

[0102] 实施例3，为便于理解本发明技术特征提出的客体原理，与本发明矿山回采的充填胶结材料相关的技术包括，针对不同矿岩的地下采矿用爆破作业方法包括：

[0103] 针对不同矿岩确定不同矿岩可爆性分级；

[0104] 确定不同矿岩在不同爆破作业时的单耗爆破参数指标；

[0105] 确定掏槽爆破、光面爆破、中深孔爆破中爆破施工工艺相关参数指标，为矿山爆破施工提供数据。

[0106] 确定不同矿岩在不同爆破作业时的单耗爆破参数指标包括爆破漏斗试验，具体包括：

[0107] 根据矿岩动态力学性能设计爆破漏斗试验，确定不同种类围岩及矿岩的最佳单耗及不同节理发育程度对岩石破碎程度和碎块抛掷的影响规律；

[0108] 根据单孔爆破漏斗试验结果，设计多孔爆破漏斗试验，进行多孔掏槽爆破试验，确定孔距、延期时间参数对于爆破漏斗体积及深度重要评定参数影响。

[0109] 确定孔距、延期时间参数对于爆破漏斗体积及深度重要评定参数影响包括：步骤1，采用爆破漏斗试验激光仪发射网格状激光栅格，在多孔掏槽检测设备另一侧采用影像识别设备接收网格状激光栅格；

[0110] 步骤2，利用高速摄像机抓拍爆破漏斗试验激光仪停止工作间隔时间段一个单孔掏槽爆破区域对激光栅格遮挡产生的阴影区域图像；同时利用红外测温仪、数据采集卡和
外部触发器在爆破漏斗试验激光仪停止工作间隔时间段的同一时刻采集同一单孔掏槽爆
破区域的体积场图像；

[0111] 步骤3，根据得到的阴影区域图像拟合单孔掏槽爆破区域轮廓曲线，从中提取并计算单孔掏槽爆破区域振荡频率及单孔掏槽爆破区域半径；并根据体积场图像计算单孔掏槽
爆破区域表面的平均体积；

[0112] 步骤4，根据建立的计算模型基于得到的单孔掏槽爆破区域振荡频率、平均单孔掏槽爆破区域半径、单孔掏槽爆破区域表面平均体积信息进行计算，实时获取爆破漏斗体积
及深度重要评定参数。

[0113] 所述采用爆破漏斗试验激光仪发射网格状激光栅格之前还需进行：

[0114] 将爆破漏斗试验激光仪固定于爆破漏斗试验激光仪固定架上并调好位置、距离，将影像识别设备、滤光片、高速摄像机固定于另一侧固定架上，利用爆破漏斗试验激光仪发射网格状激光栅格。

[0115] 法针对不同矿岩确定其可爆性分级，确定其在不同爆破作业时的单耗等爆破参数指标；

[0116] 确定掏槽爆破、光面爆破、中深孔爆破等爆破施工工艺相关参数指标，为矿山爆破施工提供相关数据；具体包括以下内容：

[0117] (1)锂矿岩体静动力学试验及可爆性分级。

[0118] 1)静力学试验及声波测试。

[0119] 对不同强度性质及不同节理发育程度矿岩进行静态力学试验，获取其静态抗拉抗压强度等力学参数，并进行声波测试，获取其波速等基本参数，进而为后续试验提供数据支持。

[0120] 2)岩体动态力学性能试验。

[0121] a、进行矿岩动态力学性能试验，通过SHPB动态冲击试验装置进行动态压缩与动态拉伸试验，获得矿岩动态破碎能耗曲线，确定矿岩节理发育程度对岩石破碎块度及耗能影
响。

[0122] b、进行含围压岩体动态力学性能试验，进行单轴围压与三轴围压状态下的动态力学试验，得出含地应力条件下岩体在动态破坏过程中的应力变化及岩体变形特性，得出岩
体围压在动态开挖过程中的变形特性及时间曲线，确定围压动态变化对锂矿岩力学性质影
响。

[0123] 3)可爆性分级。

[0124] 通过对岩石抗压强度、容重、岩石完整性及工程地质参数等众多参数进行整理与分析，通过数学分析软件建立权重模型，确定影响岩石可爆性的关键参数，并根据矿山现场实际情况建立简洁有效的锂矿可爆性分级标准，为后续爆破参数设计提供标准化参考与系
统设计依据。

[0125] (2)爆破漏斗试验。

[0126] 1)根据矿岩动态力学性能设计爆破漏斗试验，确定不同种类围岩及矿岩的最佳单耗及不同节理发育程度对岩石破碎程度和碎块抛掷的影响规律。

[0127] 2)根据单孔爆破漏斗试验结果，设计多孔爆破漏斗试验，进行多孔掏槽爆破试验，确定孔距、延期时间等参数对于爆破漏斗体积及深度等重要评定参数影响。

[0128] (3)巷道掘进爆破参数优化。

[0129] 1)掏槽孔爆破参数优化。

[0130] a、节理发育岩体掏槽孔爆破参数优化，针对巷道掘进施工中存在的节理发育岩体，进行掏槽孔爆破试验，通过数值模拟计算及现场试验确定节理发育岩体掏槽爆破中合
理的药量、空孔数量、孔距、延期时间等重要参数，改善掏槽质量，为后续爆破提供充足补偿空间。

[0131] b、锂矿黏性岩体掏槽孔爆破参数优化，针对巷道掘进施工中存在的锂矿矿岩在爆破过程中存在大块率高，岩石破碎程度低等问题，进行掏槽孔爆破试验，通过数值模拟计算及现场试验确定黏性岩体掏槽爆破中合理的药量、空孔数量、孔距、延期时间等重要参数，改善掏槽质量，为后续爆破提供充足补偿空间。

[0132] 2)周边光面爆破参数优化。

[0133] a、节理发育岩体周边光面爆破参数优化研究，针对巷道掘进施工中存在的节理发育岩体，进行光面爆破试验，通过数值模拟计算及现场试验确定节理发育岩体光面爆破中
合理的药量、不耦合系数、孔距、延期时间等重要参数，改善半孔率、进尺长度等，确保巷道围岩的完整性，提高围岩安全稳定性。

[0134] b、锂矿黏性岩体周边光面爆破参数优化研究，针对巷道掘进施工中存在的锂矿矿岩在爆破过程中存在可爆性低，岩石破碎程度低等问题，进行光面爆破试验，通过数值模拟计算及现场试验确定黏性岩体光面爆破中合理的药量、不耦合系数、孔距、延期时间等重要参数，改善半孔率、进尺长度等，确保巷道围岩的完整性，提高围岩安全稳定性。

[0135] 3)巷道掘进爆破全断面爆破设计。

[0136] a、节理发育岩体巷道掘进爆破参数优化，结合爆破漏斗试验及掏槽、光面爆破试验，制定合理的巷道掘进爆破网路设计，通过数值模拟及现场试验选择最优的药量、孔距、延期时间、不耦合系数等参数组合，保证节理发育岩体巷道掘进施工过程中巷道进尺及巷
道边界等重要指标符合相关设计要求。

[0137] b、锂矿黏性岩体巷道掘进爆破参数优化，结合爆破漏斗试验及掏槽、光面爆破试验，制定合理的巷道掘进爆破网路设计，通过数值模拟及现场试验选择最优的药量、孔距、延期时间、不耦合系数等参数组合，保证锂矿黏性岩体巷道掘进施工过程中巷道进尺及巷
道边界等重要指标符合相关设计要求。

[0138] (4)底部上向扇形孔爆破技术。

[0139] 1)上向扇形孔爆破关键技术。

[0140] a、上向扇形孔凿岩孔排距参数分析，良好的炮孔施工质量是后续作业的保证，因此钻孔偏斜问题是需要解决的第一步。通过设计合理的钻孔角度确保孔底间距满足设计需
求是后续保证爆破质量及控制大块率的先决条件。

[0141] b、块度控制，根据不同强度性质设置合理的孔排距，并通过调整填塞、起爆方式与延期时间、一次爆破量等参数控制爆破施工块度及爆破振动。

[0142] 2)急倾斜节理中深孔爆破技术。

[0143] 针对马尔康锂矿3700中段存在大量急倾斜节理岩层，进行数值模拟计算及现场试验，优化爆破参数，进而解决倾斜岩层爆破施工中存在的钻孔角度偏斜、块度不均匀(大块率高)、岩石可爆性差等问题，提高爆破质量，优化爆破效果。

[0144] (5)VCR采矿法爆破参数。

[0145] 1)针对马尔康锂矿20m以上矿层厚度，进行VCR采矿法爆破数值模拟计算及参数验证，确定炮孔两端填塞长度、药量、延期时间等爆破参数，并对矿山中深孔爆破块度进行统计与优化，提高出矿效率。

[0146] 2)监测爆破振动对地下硐室结构稳定性影响的研究，研究爆破振动传播规律，通过优化爆破参数降低爆破振动，确保矿山构筑物的安全稳定。

[0147] (6)上向盲天井一次成井爆破关键技术。

[0148] 上向扇形切割井一次成井技术施工中关键在于中间掏槽孔及周边光面孔布置，选择合理的中心掏槽孔孔径及布孔方式确保掏槽质量，并计算周边孔不耦合系数、孔距及延
期时间等爆破参数，确保切割井尺寸及质量以满足后续施工要求。

[0149] 1)掏槽爆破参数。

[0150] a、爆炸应力波裂隙区范围确定。掏槽爆破是在仅有一个自由面的条件下进行的，爆破破岩难度较大，本发明可将其破岩作用视为各槽孔爆破作用的叠加，同时起爆的槽孔
装药使炮孔周围形成径向和环向裂隙，并在槽腔中交汇成一空间裂隙网，将岩石割裂成碎
块，在爆轰气体的膨胀作用下抛出。因此，要保证岩石充分破碎就必须使槽孔的布置圈径满足设计需求。

[0151] b、深孔直线掏槽是利用空孔的空间为被爆破下来的岩石提供自由面和补偿空间，因此每次掏槽爆破的预留空间都应该满足岩石的碎胀要求。通过数值模拟及现场试验确定
矿岩的爆破补偿空间需求，确保矿岩破碎效果。通过现场试验确定中间空孔的数量及布孔
方式。

[0152] 2)盲天井爆破参数。

[0153] 本发明进行后根据矿山岩石力学参数、数值仿真结果以及爆破应力波裂隙圈确定法和补偿空间法计算结果综合确定3‑5种优化方案，进行现场试验分析。

[0154] a、掏槽方式确定，现阶段矿山常用掏槽布孔方式包括九孔掏槽、棱形掏槽、桶型掏槽等，根据矿山现有作业器械及数值模拟计算分析结果选择适用于锂矿矿岩的最佳掏槽方案并进行现场试验，进而确定掏槽形式、空孔数量、空孔与装药孔的孔距、填塞长度等参数。

[0155] b、装药量计算，通过数值模拟计算及爆破漏斗试验结果确定掏槽孔及周边孔的合理药量及不耦合系数。

[0156] c、延期时间确定，采用数值模拟方式计算孔间延时对爆炸应力波叠加作用的最佳影响时间，使得应力波对岩石的破坏作用达到最佳。

[0157] d、填塞及装药，由于采用上向不耦合装药，需要研究合理的装药方式确保装药量及炸药位置的准确性，并设置合理填塞，确保炸药能量充分作用于被爆岩体。

[0158] (7)采空区区域矿岩爆破关键技术。

[0159] 1)矿柱回采爆破工艺。

[0160] a、矿柱回采爆破施工孔网参数研究，对现场进行三维精细化强度指标最优的尾砂充填材料建模，确定每个矿柱的具体高度、尺寸等相关参数，及周围顶板、充填体的稳定情况，针对具体情况设计不同爆破工艺，确保矿柱安全回采且块度满足出矿需求；

[0161] b、矿柱回采边界控制爆破技术研究，矿柱回采的同时要确保采空区顶板底板及充填体的稳定，因此要确保矿柱回采过程中边界的稳定，采用光面爆破等形式减弱爆破作业
对保留岩体的扰动，通过数值模拟计算分析确定爆破边界、不耦合系数、延期时间等参数，实现对保留区域的保护效果

[0162] c、采空区矿柱回采爆破振动控制技术研究，爆破振动对于地下空间构筑物稳定性及井下机械和作业人员的安全都有着不利影响，因此针对矿柱回采爆破作业中产生的爆破
振动，在关键区域布置监测仪器，通过优化爆破工艺，确保回采爆破中所产生的爆破振动满足安全标准。

[0163] 2)多阶段空区与矿柱充采协同工艺。

[0164] 以现有空区和矿柱的精细化三维地质模型为基础，根据确定的空矿柱回采工艺，对开采过程中的岩层移动及地压变化规律进行分析，对比分析不同回采顺序条件下岩体应
力变形发展规律，揭示开采过程中的地压分布规律，进而得到最优回采顺序。

[0165] (8)采空区充填材料研究。

[0166] 1)全尾砂及分级尾砂充填材料基础研究。

[0167] 根据废石种类、尺寸及现场尾砂分级工艺、技术参数，基于高效、高质、低成本，充分利用矿山废物，减轻对环境的污染支撑等采矿新模式，确定可以用于采场充填的骨料分级种类及粒径等基本指标，并进行基本力学试验分别测定其基本物理参数如抗压强度等，
并针对充填体进行强度增加速度和最终强度指标等相关测试，确定符合现场要求的充填等
充填体重要强度指标，选定合理的尾砂充填材料。

[0168] 2)充填材料物理化学性质研究。

[0169] 基于现场充填材料类型，对其进行胶结充填体化学性能测试，对其化学性质稳定性、抗腐蚀性能、与矿山废水废料接触后的稳定性进行试验，选择化学性质稳定且无毒无害材料作为充填体。

[0170] 3)充填材料泌水性能及输送指标研究。

[0171] 基于现场充填材料类型，根据不同配比浓度需求，对其泌水性能及流动性进行相关试验，并结合矿山现有材料输送设备及后续输送设备计划进行评估，确保其泌水性及流
动性满足设计需求。

[0172] 在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

[0173] 实验例。

[0174] (1)岩石静、动态力学性能试验。

[0175] 1)岩石基础力学性能分析。

[0176] 为了获得地下矿山研究区域岩石的基础力学参数，采用YAW‑600型压力试验机等进行岩石的静力学实验，用于测定试件单轴压缩强度、常规三轴压缩强度、抗剪、抗拉、弹模等力学参数。实验过程按照《铁路工程岩石试验规程》(TB10115‑2014)推荐的试验方法进行操作。选用中国科学研究院武汉岩土所研制的RSM‑SY5型声波测试仪及其配套纵波换能器
对岩石的纵波波速进行测定，其试样检测示意图见图2。

[0177] 2)冲击动力学试验。

[0178] 本试验需对岩石试件施加不同大小的轴压和围压，需要具备主动围压加载功能的设备，因此最终选用某理工大学三维SHPB试验系统，可对岩石试件施加0‑100MPa范围内的主动围压和0‑200MPa范围内的轴向静压，能产生0‑500MPa的冲击载荷，可实现大范围高应
3 ‑1
变率(100‑10s )的加载。试验在某理工大学岩石力学实验室完成。试验系统示意图见图3。
包括高压氮气罐1、高压气室2、纺锤形冲头3、入射杆垫块4、入射杆5、应变片6、围压加载装置7、待冲试件8、透射杆9、吸收杆10、数据采集系统11、固定架12、轴压加载装置13。

[0179] (2)矿岩的可爆性分级。

[0180] 岩石可爆性是指岩石对爆破作用的抵抗或爆破岩石的难易性，它是动载荷作用下岩石物理力学性质的综合体现。可爆性分级是根据岩石可爆性的定量指标，将岩石划分为
爆破性难易的等级。它是制定爆破定额、选择爆破参数、进行爆破设计的重要依据，也是矿山企业管理的科学依据之一。工程实践证明，合理的分级标准的建立对于提高爆破施工的
质量、加快工程进度和降低施工成本有着显著的作用。因此，对岩体的可爆性进行准确的分级具有十分重要的意义。常用的量化方法有以下几种：

[0181] 1)普氏岩石坚固性分级。

[0182] 提出以岩石坚固性系数f为主要判据，即著名的普氏分级法。岩石坚固性系数f表征的是岩石抵抗破碎的相对值。因为岩石的抗压能力最强，故把岩石单轴抗压强度极限的
1/10作为岩石的坚固性系数。岩石坚固性系数的计算公式简洁明了，f值可用于预计岩石抵抗破碎的能力及其钻掘以后的稳定性。根据岩石的坚固性系数f可把岩石分成10级，等级越高的岩石越容易破碎。

[0183] 2)可爆性单因素分级法。

[0184] a、A.H.哈努卡耶夫按波阻抗分级。

[0185] 岩石的波阻抗是纵波速度和岩石密度的乘积。它意味着爆破时岩石质点产生的单位运动速度，岩石中所能衍生应力的大小。苏联的A.H.哈努卡耶夫研究了岩石的波阻抗作
为爆破性分级依据，是研究岩石爆破性的一大进展，因为这种指标是在现场岩体中测定的，并且测试仪器和测试方法比较简单。大量实验研究表明，岩体的波阻抗不仅与岩石的物理
力学性质有关，而且还取决于岩石的裂隙构造特征。

[0186] b、Б.K鲁勃佐夫估计到爆破块度的分级。

[0187] 不同的炸药单耗会产生不同的大块率。鲁勃佐夫规定标准爆破条件如下：炮孔直径不大于0.02倍台阶高度，单排齐发爆破孔不少于5个，超深不大于0.15倍底盘抵抗线，炮孔临近系数为1，采用6号防水硝铵炸药，连续装药，填塞系数0.5，瞬时起爆。

[0188] c、Б.Б.里热夫斯基按标准炸药消耗量q分级。

[0189] 里热夫斯基建议岩石的可爆性用标准炸药消耗量q来确定，而q与裂隙密切相关。

[0190] d、C.W.利文斯顿最优爆破漏斗指标。

[0191] 研究松动爆破漏斗规律时，制订了一种通过爆破漏斗实验确定岩石可爆性的方法。利文斯顿采用最小抵抗线和炸药量的立方根成正比的关系。

[0192] 3)可爆性多因素分级法。

[0193] a、Б.H.库图佐夫综合可爆性分级。

[0194] 此种分级方法综合了炸药单耗、岩石坚固性和岩体裂隙等多方面因素，而以炸药单耗为主。炸药单耗的标准条件是：台阶高度10‑15m，炮孔直径243mm。铵梯炸药，爆热
4190KJ/Kg。大量统计资料表明，炸药单耗的离差(均方差)和炸药单耗的2/3次方成正比。

[0195] b、钮强等人的岩石可爆性综合分级。

[0196] 该分级方法主要考虑了爆破漏斗体积、爆破块度分布状况及岩石波阻抗和岩石可爆性的关系。标准条件如下：在测定分级矿山爆破现场直接选择有代表性的岩石地段，在比较完整的具有一个自由面的岩体上，垂直钻孔，炮孔直径45mm，孔深1m，孔间距2m；采用2号岩石硝铵炸药，每孔装药量0.45Kg，连续装药，炮泥添塞，1支8号雷管起爆。测试方法：装药前用声波仪测定岩体弹性纵波速度。装药爆破后测定爆堆岩石的大块率(大于300mm)，小块率(小于50mm)，平均合格率(50‑100mm，100‑200mm和200‑300mm的块度累计平均值)，并测定和核算爆破漏斗的体积。

[0197] 4)采用灰色系统理论的岩体可爆性分级。

[0198] a、分级指标的选取。

[0199] 影响岩体爆破质量的因素多达数十个，其共同作用决定了岩体爆破质量。然而，由于理论分析和现场试验目的不同，受各种客观条件的限制，不可能也不必要将各个影响因素都反映出来。所以，如何简单可靠地从众多因素中确定影响岩体爆破质量的主要因素，成为岩体爆破理论与应用研究的基本问题，也是准确控制和预测爆破质量的前提。在实际工
程体系中，本发明往往只知道该系统的一部分属性或性质，而另一部分性质是不知道或非
确知的。因之，可以认为岩体工程地质体系是灰色系统。当要求对该系统进行可爆性等级评判时，依照灰色系统理论，这实际上是一个分级决策聚类问题，此时用灰色参数描述该系
统，即把可爆性等级的分级指标用灰数来表示。这样以来，灰色系统理论中的灰色聚类法就可用来进行岩体可爆性分级评判。

[0200] 遵循以下两个原则：(1)能够从不同侧面较全面地反映岩体的可爆属性；(2)能够通过实验或现场试验的方法比较容易得到，可将岩石的坚固性系数f、岩石的波阻抗、炸药单耗和岩体平均裂隙间距作为岩石可爆性的评判指标

[0201] b、岩石可爆性的灰色聚类分级。

[0202] 设记k＝1、2、3、4、5为典型类别，i＝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为聚类元素，j＝1#、2#、3#、4#为聚类指标。灰色聚类分级法就是区分聚类元素在聚类指标下的所属类别。首先根据对岩石可爆性分级的研究成果和习惯，把岩石按可爆性难易程度分为典型的五类，即易爆、中等、难爆、很难爆和极难爆，并按灰色系统理论将其视为典型类别k，k{1、2、3、4、5}，把影响岩石可爆性的因素归纳为四个指标视为聚类指标j，j(1#、2#、3#、4#)，并把要评判的岩体视为聚类元素i，i{Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ}。

[0203] 选择适合党坝矿区锂矿矿岩爆破工程可爆性等级分类方法是非常重要的，直接影响到可爆性是否准确应用于指导施工，拟在本发明中对岩体可爆性分级进行分析。

[0204] (3)爆破漏斗试验。

[0205] 1)单孔爆破漏斗试验。炮孔布置在试验巷道腰线上，即离巷道底板1.2m处，凿岩机垂直巷道帮面钻凿18个(两组)Φ40mm的炮孔，钻孔间距1.5m。设计炮孔深度分别为：0.40m、0.65m、0.50m、0.55m、0.60m、0.65m、0.70m、0.80m、0.90m；炮孔均垂直自由面布置。

[0206] 为了确保爆破漏斗试验所得数据可靠，装药之前应将炮孔里凿岩剩下的岩粉用水吹干净，炮眼填塞是严格按照设计要求填塞。因此，装药完毕必须充填以符合安全要求长度的炮泥并捣实。常用1：3的泥沙混合炮泥，湿度为18％～20％。这种炮泥既有良好的可塑性，又具有较大的摩擦系数。爆破采用数码电子雷管起爆，每次爆破一个孔，通过单孔爆破漏斗试验，寻求最佳爆破漏斗深度，试验炮孔布置见图3单孔爆破漏斗试验炮孔布置示意图。

[0207] 2)进行变孔距多孔同段爆破漏斗试验的目的是为了研究邻近的两炮孔在孔距变化时形成的爆破漏斗底部矿岩的爆破情况，以此确定孔底距的合理范围，为后续的深部采
场爆破孔网参数地设计提供依据。选定单孔爆破漏斗试验所得到的最佳爆破漏斗深度为装
药深度，进行变孔距同段爆破漏斗试验，计算在同段爆破情况下的单位炸药消耗量q。变孔距同段爆破试验时，设计采用炮孔间距分别为最佳爆破漏斗半径倍数，进行多孔同段爆破，炮孔垂直于巷道帮面。

[0208] 3)根据爆破原理，药包爆破时，最小抵抗线小于或等于其破坏区半径时，岩石发生抛掷或爆破，而当抵抗线大于其破坏半径时。药包只产生内部爆破，无法爆下药包至自由面的岩石。因此抵抗线是爆破的重要参数。据此，设计拉低水平中深孔爆破、聚矿槽爆破、东部边界深孔爆破的详细参数。

[0209] (4)数值仿真技术。

[0210] 1)算法选择。ANSYS/LS‑DYNA主要包括Euler算法、Lagrange算法、Euler‑Lagrange流固耦合算法等。

[0211] a、Lagrange算法。Lagrange算法是将网格附于材料之上，网格变形会随着材料的流动而进行，分界处的材料会被默认为从动和主动两种，并且允许在主动和从动之间可以
进行滑动、分离等操作。该算法能准确地捕捉到各种材料之间的边界，但在模拟破裂、断裂等破坏过程时，需要运用材料侵蚀失效的办法来模拟分析计算。但材料结构变形严重时，可能引起网格畸变，导致计算结果误差很大，甚至使其计算终止，进而必须做二次网格处理才可继续模拟计算。

[0212] b、Euler算法。Euler算法是将两层网格重叠，将空间网格固定于强度指标最优的尾砂充填材料建模空间中，再将另一层网格(附在材料上)在固定的空间网格中流动。其中，材料网格将会通过拉格朗日变形，其状态变量被输送回或映射到空间网格中，这种算法的
好处是网格不会动或变形，不会出现网格畸变等错误。但欧拉算法鉴于其不同材料物质可
以在网格中互换，偶尔会因材料属性定义不准而出现各种问题，同时网格内物质流动界面
难以分辨；由于网格内物质的变换，当结构模型建立好后，要额外的制定模拟计算的时长，因此其计算时长与Lagrange算法相比要长。

[0213] c、Euler算法和Euler‑Lagrange流固耦合算法。Euler算法和Euler‑Lagrange流固耦合算法，简称为ALE算法。这种算法是1973年科学家C.W.Hirt和A.A.Amsden通过综合Lagrange算法和Euler算法优点所开发的一种更为优秀的算法。该算法在模拟材料介质大
畸变及爆炸介质运动等过程，其计算结果相比Euler算法更为精确，可以解决因单元网格畸变所致的数值计算问题，实现固体—流体分析。此算法过程是先计算单个或多个Lagrange
时步，然后在执行ALE算法，保留原有模型的边界不变，对其模型内部重新网格划分，保持网格的拓扑关系不变，并且允许选择时步开始和结束时间及计算频率。这种算法更容易解决
流体与结构体之间各种复杂的互相作用问题，尤其结构体在空间的大位移、大变形及高速
碰撞问题。

[0214] 根据分析和党坝矿区锂矿爆破本发明的实际情况，选用ANSYS WORKBENCH平台下的LS‑DYNAN软件和ALE(Arbitrary Lagrange‑Euler，吸收了拉格朗日和欧拉算法的优点，通过引入一个独立于物质构型和空间构型的参考构型，使得计算网格能够任意移动，从而
避免了单元畸变以及自由界面追踪所带来的困难)算法进行数值模拟工作。

[0215] 2)材料本构模型及参数确定。

[0216] a、岩体本构及参数。岩石材料模型采用“*MAT_PLASTIC_KINEMATIC”或“MAT_HJC”等本构，具体参数待本发明进行后，按照岩石静、动态力学试验结果来定。

[0217] b、炸药材料模型。在ANSYS/LS‑DYNA中，炸药材料模型采用高能炸药材料模型“*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN”，并且利用JWL状态方程，来模拟爆破过程中炸药的爆炸。其参数如表1所示。

[0218] 表1炸药材料模型参数

[0219]

[0220] 炸药爆炸时的JWL状态方程关系式为：

[0221]

[0222] 式中，P为压力，A,B,R1,R2,R1均为材料常数，e‑v为在爆炸速度下雷诺指数求得倒数，E0为单位体积的内能，V0为相对体积；式中的参数如表2所示。

[0223] 表2JWL状态方程的参数

[0224] Mat A/(Gpa) B/(Gpa) R1 R2 ω E/(Gpa) V0炸药 214 1.82 4.16 0.96 0.3 4.192 0

[0225] c、空气材料模型。空气材料模型采用空白材料“*MAT_NULL”，其参数如表3所示。

[0226] 表3空气材料模型参数

[0227] ‑3Mat ρ(kg·m ) pc mu terod cerod ym pr
岩石 1.29 0 0 0 0 0 0

[0228] 空气流体的LINEAR‑POLYNOMIAL状态方程为：

[0229] P＝C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ++C6μ2)E0

[0230]

[0231] 式中，C0,C1,C2,C3,C4,C5,C6均为实常量，μ为空气流体的流动系数，ρ为密度，ρ0为参考密度；式中的参数如表4所示。

[0232] 表4LINEAR‑POLYNOMIAL状态方程的参数

[0233] Mat C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 E0 V0‑6 ‑6
空气 ‑1E 0 0 0 0.4 0.4 0 2.5E 0

[0234] 3)模型构建及计算。模型构建严格按照与现场尺寸一致的等比例模型，待本发明进行再构建和计算。

[0235] (5)现场试验。针对以上结果，确定不同爆破区域的爆破方案，并进行工业实验，统计爆破效果，验证获得最优的爆破参数组。

[0236] 1)巷道掘进爆破参数及工艺优化。

[0237] a、首先，必须要求现场施工人员必须按照准确的布孔位置进行施工，确保施工出来的掏槽孔、周边孔合格率达到设计要求。

[0238] b、优化炮孔起爆顺序。通过对目前起爆网路的分析，炮孔起爆顺序存在不合理的地方，容易造成爆破夹制等问题，须对炮孔起爆顺序及延期时间等进行调整，炮孔之间，以形成小自由面传递大自由面的方式为起爆顺序进行起爆。

[0239] c、根据基础理论、矿岩可爆性分级和数值仿真研究成果，对掘进爆破孔深、角度、孔底距等参数进行优化研究，降低爆破出现不良效果的概率，保证生产安全。

[0240] 2)底部上向扇形孔爆破技术。

[0241] 计算出经济合理的底部上向扇形孔布孔方式。在前面的基础上，进一步提出适宜党坝矿区锂矿上向扇形孔爆破特点的爆破顺序，以保证爆破效果。进行爆破振动监测工作，研究爆破衰减规律，以指导爆破设计，控制爆破振动有害效应。

[0242] 3)上向盲天井一次成井爆破。

[0243] 对上向盲天井一次成井爆破技术中空孔尺寸及数量进行相关计算，确保爆破中有足够的补偿空间。对扩井孔的数量、延期时间、装药量等相关参数严格控制，确保成井尺寸及周围保留岩体稳定性符合设计要求。

[0244] 4)VCR采矿法爆破技术。

[0245] 确定VCR采矿法爆破施工中炮孔两端填塞长度、药量、延期时间等爆破参数，并对矿山中深孔爆破块度进行计算与优化，提高出矿效率。进行爆破振动对地下硐室结构稳定
性影响的研究，研究爆破振动传播规律，通过优化爆破参数降低爆破振动，确保矿山构筑物的安全稳定。

[0246] 5)采空区区域矿岩爆破技术。

[0247] 对采空区中保留矿柱的空间位置分布进行三维空间强度指标最优的尾砂充填材料建模，根据具体矿柱不同情况设计详细爆破参数，确保回采过程中顶板底板的稳定性，并进行爆破振动监测，确保回采爆破中所产生的爆破振动满足安全标准。

[0248] 6)充填材料物理化学性质研究。

[0249] 根据现场采集到矿山废石及尾矿砂等工业废料，对其物理参数、化学性质、胶结体强度、泌水性、生产成本及产量等充填方面重要参数进行相关测试与统计，确定适用于党坝矿区锂矿井下充填作业的充填材料。

[0250] (6)仪器设备。

[0251] 包括DH3817动静态应变测试系统、RSM‑SY5(T)型非金属声波检测仪、数字式超声波探伤仪(CTS‑2000Plus)、IDT高速摄影仪、压力机、三维动静组合SHPB等实验及测试设备，能够为本本发明的静载荷与循环动荷载组合冲击力学试验提供支撑。

[0252] 4.技术创新点。

[0253] 本发明以不同矿岩所测的物理力学参数及可爆性级别为基础，针对不同区域和环境的各类爆破作业需求获取不同爆破参数组合，可为矿山爆破作业提供系统支持；

[0254] 构建不同爆破作业需求下的爆破参数设计体系，为矿山爆破作业提供系统数据支持；为矿山充填材料选择提供理论支撑。针对矿山充填采矿法进行完整的充填材料的设计
与试验，为确定充填材料提供有效支持。

[0255] 通过采用模型试验、理论分析、数值计算等方法确定爆破参数，能够针对不同的矿岩体提供相应的爆破方案组，从而减少现场试验，提高现场爆破施工作业的安全性及工作效率，节省人力、物力和财力。

[0256] 本发明分析不同爆破作业需求下的爆破参数变化。分析炸药单耗、最小抵抗线和不耦合系数等相关参数对爆破效果的影响，并建立相应的计算模型；丰富破碎岩石运动理
论的同时，可指导参数优化工作的进行。

[0257] 本发明分析的爆破参数设计体系可以减少企业在地下矿山爆破方面的经济投入，降低生产成本，提高作业效率，提高安全性以及经济性。对于保证矿山安全生产，提高经济效益，具有重要的理论与实际意义。

[0258] 本发明将对保障地下矿爆破工作的顺利进行提供科学依据，以便解决传统爆破中生产成本高、爆破效果差等难题。

[0259] 以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原
则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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