1、所属领域

爆破、采矿工程

2、适用范围

矿山工程技术、爆破作业及采矿生产

3、基本原理

本项目属于矿业工程与爆炸力学学科交叉领域，项目针对爆破作用下岩石损伤变化过程、破碎能耗及碎块形态之间的匹配关系进行深入研究，结合理论分析，动态力学试验，数值模拟与现场试验等手段，创新了岩石损伤描述方法，得出了岩石损伤在不同炸药能量输出结构作用下的激活规律，探索岩石动态响应与爆炸与冲击能量之间的影响关系，基于岩石断裂损伤理论探索岩石在循环动荷载作用下累积损伤情况，有助于完善爆破破碎与损伤理论，建立以岩石损伤定量描述为基础的一套爆破设计、优化与效果监测技术。

通过控制爆破破碎后碎块的损伤分布形态，减小无用爆炸能耗的作用，提高爆炸能量利用率，在矿岩爆破破碎、碎矿磨矿与边坡稳定性等方面均产生了巨大的经济效益与社会效益，降低矿山采选综合成本，推动了绿色矿山建设。

4、关键技术与装备

利用SHPB-SEM（霍普金森-电镜扫描方法）试验，采用不同作用形式的能量对矿岩进行冲击，从能量角度分析岩石损伤劣化与动态破碎特征以及在循环冲击作用下岩石累积损伤情况；

以岩石受冲击前后的表面粗糙度为损伤指标，使用无边缘轮廓模型定量描述岩石程度，研究岩石损伤变化、冲击能量和破碎形态之间的关系；

结合对动态多周期荷载作用下裂纹扩展特征进行分析，通过单轴压缩损伤模型说明岩体在应力作用下的损伤演化，利用缺陷态破碎理论对爆破块度控制理论进行探讨；

在实际工程中，通过分析爆破振动能量传播与分布规律，揭示爆区外岩体损伤特征，进而指导炸药爆炸性能和装药结构与岩体的优化匹配；

基于爆破破碎过程的能量耗散，综合炸药爆速、爆破个别飞散物、爆堆形态和爆破振动信号，提出了建立爆破能耗的高速摄影综合评价方法。

5、工艺流程

针对矿山爆破优化问题进行深入研究，对矿山拟爆破区域进行岩体取样，按试验要求制作试件并进行冲击试验及破碎后块度分析。根据试验数据分析结果建立矿块微损伤描述指标体系，进而建立爆破块度和微损伤与能时密度关系，实现炸药与岩石合理匹配下的爆破优化，使矿石的力学特性改变，降低机械破碎和磨矿能耗。结合矿山实际情况，运用以上所建立的关系进行爆破参数优化，有效地控制预裂爆破效果。对于完整性较差的岩体，可以使药柱靠近主爆孔一侧，以减小对边帮的破坏，有效降低降低生产成本和边坡维护费用，减少因边坡危害所引起的设备损坏和停工损失。

6、主要创新点

首次提出了冲击能量、岩石原始损伤和破碎形态、碎块内损伤之间关系的定量描述方法，创新了爆破破碎形态与损伤关系的理论。

基于无边缘活动轮廓（C-V）模型，首次提出了岩石损伤及碎块表面粗糙度的量化表达方法。

利用爆破应力波能量衰减特征描述爆破能量利用率，实现了根据爆破能量分布规律对爆破参数进行优化。

基于爆破破碎过程的能量耗散，综合炸药爆速、爆破个别飞散物、爆堆形态和爆破振动信号，提出了建立爆破能耗的高速摄影综合评价方法。

7、主要技术指标及同类技术对比情况

关于爆破破碎岩石的能耗问题国内外专家有过较多研究，但在针对爆破作用下岩石损伤变化过程、破碎能耗及碎块形态之间的匹配关系方面的研究尚属少见。本项目通过创新岩石损伤描述方法，得出岩石损伤在不同炸药能量输出结构作用下的激活规律，建立以岩石损伤定量描述为基础的一套爆破设计、优化与效果监测技术，并将研究成果转化为提高炸药能量利用率的新工艺、新措施，最大限度地降低能量转化过程中的损失，降低矿山综合采选成本。

本项目组曾针对部分矿山爆破优化问题进行深入研究，通过研究发现，炸药参数与岩石动态特性的匹配，不同矿岩的炸药爆炸能量传递与有效能耗的关系，对爆破效果改善起决定性作用。课题组在研究中曾提出了炸药能时密度的概念，并初步分析了岩石的动应变率与炸药能时密度的相互关系，初步提出了以能时密度与岩石动应变率为核心的岩石冲击破碎模型。目前，基于这一观点的研究还有很多有待解决的问题。

国内外关于爆破的研究较少涉及岩石动态裂纹扩展与损伤发展能耗，长期的爆破动态效应下，岩体的损伤效应对爆破破碎块度与碎块内部损伤程度及边坡稳定性均具有较大影响，爆破破碎效果进而影响着磨矿环节的能耗。

辽宁省露天矿山众多，缺少岩石爆破破碎指标与炸药能量输出结构控制的理论模型，以及岩石爆破微损伤的能量关系模型，矿山爆破未能实现真正的爆破优化，制约了矿山的生产效率和节能降耗效果。对炸药爆炸能量不同输出结构的岩石破碎机理进行研究，定量分析爆炸作用下岩石破碎与损伤累积演化过程，建立以能量理论为基础的岩体破碎及损伤演化模型，对深入探索岩石破碎学理论基础，优化工程爆破设计、提高矿石破碎与粉碎效率、降低能耗，以及为边坡和地下工程安全防护提供科学依据具有重要的科学意义。

8、典型实例及成效

本项目研究进一步推动了岩石爆破破碎理论的完善，针对岩石损伤特征与最终破碎形态对爆炸能量的匹配关系，建立以有效破碎能耗为基础的岩石爆破破碎理论，2013年起，鞍钢集团齐大山铁矿开始对《矿石爆破破碎与损伤能耗规律研究》的部分研究成果进行推广应用。在节省穿孔米数、降低大块率与降低破碎能耗等方面获得了突出的经济效益。根据矿岩冲击试验所提供的破碎与损伤能耗规律，找出了爆炸能时密度与损伤破碎的内在关系，结合现场实践应用，通过对现场爆破地震监测数据进行分析，使用EEMD分析技术，优化了炸药与矿岩的匹配。

本项目研究成果应用期间，通过对碎块损伤状态的控制，提高矿石内部损伤程度，降低了破碎磨矿环节的能耗，推进了矿山综合成本的优化。2013年新增经济效益510万元，2014年新增经济效益1430万元，2015年新增经济效益2370万元。

《矿石爆破破碎与损伤能耗规律研究》的成功应用表明，该项科学技术成果在加强企业技术改造、推动企业节能降耗方面能够发挥重要作用，并能产生显著的社会和经济效益，随着我国经济建设的不断发展，该项技术将会得到更广泛的发展。

9、推广应用前景

根据研究结果进行爆破施工，降低了大量炸药使用量与机械使用时间，降低生产成本，提高企业效益，可较大程度地减少爆炸气体与机械废弃污染，对于建设环境友好型的绿色矿山有较大实际意义；边坡及岩体稳定性方面，可实现边坡安全的主动控制，对于危岩实现较早地预测，降低了长期监测工作费用，分析结果可靠性可大大提高，可降低事故发生率，保证矿山企业的设备以及人员的生命安全，对于提高工作人员的工作效率及身心健康同样具有较大的帮助；研究结果的推广方面，在今后的大型爆破工程中，如高铁边坡，隧道开挖，水利水电大坝修建等方面，可为工程的顺利进行提供理论与技术支持，获得较大的经济效益。

本研究项目提高了爆炸能量利用率，对矿岩爆破破碎形态进行了初步控制，利用矿岩原始损伤与微裂纹的分布，使爆炸能量对矿岩的破碎作用更为合理。在实际矿山生产应用时，前期投资主要为科研技术平台建设，所需设备为力学测试设备、振动测试设备、高性能计算机，无大型设备；技术投资为软件使用权购买、技术人员培训与调研学习费用等，技术人员进行培训即可对方法熟悉掌握。

日常生产中，各矿山的露天与地下爆破项目均可共享项目成果，在提高炸药能量利用率，节约挖运机械使用维护，降低选矿破碎磨矿能耗等方面均有较大益处，且露天边坡稳定性进一步得以保证，可大幅降低边坡监测费用。

10、专利及获奖情况

授权的发明专利1项，其他知识产权2项，获鞍山市科技进步一等奖。