一种粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统的制作方法

1.本发明属于松动爆破技术领域，特别是涉及一种粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统。


背景技术：

2.露天矿场内的矿岩在采装之前一般需要预先破碎，钻孔爆破法一次爆破量大，能破碎十分坚硬的矿岩，因而在露天矿破碎矿岩作业应用最为广泛。钻爆效果对其后各生产环节，如采运设备的效率，采、运、排生产的安全和成本等有着直接的影响。矿岩破碎后不合格的大块需进行二次破碎，不仅提高了穿爆成本，而且影响装车效率。有用矿物的过度粉碎，则会影响产品质量，降低经济效益。爆堆几何尺寸和形状也对采、运等生产环节产生巨大影响。
3.随着矿山工程的发展，露天煤矿剥离台阶的岩层结构较易发生变化，形成不同的岩性结构，如上软下硬、上硬下软，上下软中间硬等结构，传统的爆破方法已不能满足现场要求，爆后大块较多，后冲(后翻)较大，炸药单耗偏高，二次破碎量大，采装设备效率降低，综合生产成本较高。在采矿过程中，矿岩的破碎块度是评价爆破效果的重要指标，但现有技术对不同冲击载荷下的岩体破碎块度大小却鲜有研究，而岩体爆破块度会直接影响矿山企业经济效益，因此亟需一种对爆破后的粒径尺度及冲击破坏效果进行分析的技术方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统，以解决上述现有技术存在的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统，包括冲击试验装置、冲击载荷计算子系统、试样分析子系统、粒径划分子系统、冲击评价子系统；
6.所述冲击试验装置用于对若干个相同的岩石试样分别进行冲击试验，获取所述岩石试样的力学特性信息及裂纹发育扩展图像；
7.所述冲击载荷计算子系统用于计算多个所述冲击试验的不同数值的冲击载荷；
8.所述试样分析子系统用于根据冲击试验后的岩石试样获取冲击试验后所述岩石试样的破碎程度以及破碎变化规律；
9.所述粒径划分子系统用于对冲击试验后的所述岩石试样进行分组，并获取不同冲击试验气压下不同尺度的岩石碎块质量以及分布特征；
10.所述冲击评价子系统根据所述不同尺度岩石碎块的质量以及分布特征进行冲击破坏效果评价。
11.可选地，所述冲击试验装置包括加载驱动模块、压杆模块、能量吸收模块、数据采集模块、数据处理模块、摄像模块；
12.所述加载驱动模块包括高压气罐、压力表及撞击杆，用于产生应力波及系统供电；
13.所述压杆模块包括入射杆和透射杆，用于传播所述应力波以及支撑岩石试样；
14.所述能量吸收模块包括吸收杆和缓冲器，用于吸收所述透射杆中的残余应力波；
15.所述数据采集模块包括应变放大器、示波器以及动态应变仪，用于采集试验信号，所述试验信号包括入射波、反射波和透射波信号；
16.所述数据处理模块用于对所述入射波、反射波和透射波信号进行处理，获取所述岩石试样的力学特性信息；
17.所述摄像模块用于获取所述岩石试样在不同时刻的裂纹发育扩展过程。
18.可选地，所述数据处理模块对所述试验信号进行原始信号滤波，并采用二波法以及三波法对所述试验信号进行处理，获取所述岩石试样的力学特性信息。
19.可选地，所述冲击载荷计算子系统获取冲击试验的设计参数，根据所述设计参数确定爆破周围岩体所受到的冲击载荷范围，根据所述冲击载荷范围确定所述冲击试验的冲击载荷以及最小载荷。
20.可选地，所述试样分析子系统对冲击试验后的岩石试样碎块进行块度筛分，获取岩石试样的破碎程度，以及不同冲击载荷作用下岩石试样碎块的质量百分比与平均粒径，并获取所述质量百分比与平均粒径随冲击载荷的变化规律。
21.可选地，所述试样分析子系统对冲击试验后的岩石试验采用分形维数计算，对岩石碎块设置最小直径，获取小于所述最小直径的岩石碎块累计质量，并获取岩石碎块总质量，根据所述岩石碎块累计质量以及所述岩石碎块总质量计算岩石碎块的分形维数，并获取所述冲击试验的冲击气压，根据所述分形维数与所述冲击气压对冲击试验后的岩石试件破碎程度进行定量描述。
22.可选地，所述粒径划分子系统按照粒径范围将冲击试验后的岩石试件碎块划分为大径碎块，中径碎块，粉粒碎块；所述大径碎块的粒径大于等于15.0mm，所述中径碎块的粒径小于15.0mm且大于2.0mm，所述粉粒碎块的粒径小于2.0mm；
23.根据分组后的岩石试件碎块获取不同冲击试验气压下不同尺度的岩石碎块质量以及分布特征。
24.可选地，所述冲击评价子系统构建不同气压下岩石碎块质量的变化曲线，并构建评价原则，根据所述变化曲线与所述评价原则进行冲击破坏效果评价；所述评价原则包括：中径碎块的质量百分比超过50％、粉粒碎块质量百分比低于10％。
25.本发明的技术效果为：
26.本发明采用shpb实验技术研究岩体的动态力学特征，通过试验参数进行试验冲击载荷计算，对试验后的岩石试件破碎程度进行分析，获取试件碎块质量百分比与平均粒径随冲击载荷的变化规律，并计算分形维数，根据分形维数与冲击气压岩石试件破碎程度进行定量描述，最后对实验试件进行分组，获取不同冲击试验气压下不同尺度的岩石碎块质量以及分布特征，完成试验后岩石试件的粒径尺度划分及冲击破坏效果评价，为矿山爆破工程提供有力指导。
附图说明
27.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
28.图1为本发明实施例中的粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统结构示意图；
29.图2为本发明实施例中的冲击试验装置结构示意图；
30.图3为本发明实施例中岩石试样破坏后碎块分形维数随冲击气压的变化曲线；
31.图4为本发明实施例中岩石试样破坏后碎块分形维数随冲击气压的变化曲线。
具体实施方式
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
33.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
34.实施例一
35.如图1-4所示，本实施例中提供一种粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统，包括冲击试验装置、冲击载荷计算子系统、试样分析子系统、粒径划分子系统、冲击评价子系统，如图1。
36.所述冲击试验装置用于对若干个相同的岩石试样分别进行冲击试验，获取所述岩石试样的力学特性信息及裂纹发育扩展图像；
37.所述冲击载荷计算子系统用于计算多个所述冲击试验的不同数值的冲击载荷；
38.所述试样分析子系统用于根据所述裂纹发育扩展图像获取冲击试验后所述岩石试样的破碎程度以及破碎变化规律；
39.所述粒径划分子系统用于对冲击试验后的所述岩石试样进行分组，并获取不同气压下不同尺度的岩石碎块质量以及分布特征；
40.所述冲击评价子系统根据所述不同尺度岩石碎块的质量以及分布特征进行冲击破坏效果评价；
41.具体地，冲击试验装置包括加载驱动模块、压杆模块、能量吸收模块、数据采集模块、数据处理模块五大部分，如图2所示。
42.加载驱动模块是整个装置动力源以及应力波的产生模块，包括高压气罐、压力表及撞击杆。本次试验使用的高压气体为普通液氮，压力表为磁助电接点压力表，可选择最大压力为2.5mpa，满足试验要求。冲头材料为40cr合金钢，直径为37mm，长度为300mm，极限强度达到800mpa以上。
43.压杆模块是应力波传播媒介和试样的固定支撑结构，包括入射杆和透射杆。本次使用的压杆材料属性与冲头相同。入射杆长2400mm，与撞击杆接触端直径为37mm，经过600mm的过渡段之后直径变为50mm；透射杆直径为1400mm，直径为50mm。岩石试样被夹放在入射杆和透射杆之间。
44.能量吸收模块是透射杆中残余应力波的吸收装置，包括吸收杆和缓冲器两部分。
45.数据采集模块将传统的应变放大器、示波器以及动态应变仪进行集成，操作较为方便，并且所采集的信号直接为压杆应变，非传统采集系统采集的电压信号，省去了中间信号转换过程。该模块最高采样频率达到10m，能够满足本试验对信号数据采集的要求。
46.通过数据采集模块获得了入射波、反射波和透射波信号，要得到岩石试样的力学
特性信息，必须经过两个数据处理过程：(1)原始信号滤波，除去噪声；(2)岩石动力学特性信息的计算。
47.过程(1)在dh5960软件系统中进行。除信号采集功能之外，dh5960系统软件内部包含大量的数据处理模块，能够对原始信号进行进一步的处理，将其中所包含的不同噪声信号进行过滤。通过对采集到的应力波信息进行分析，发现采集到的信号内部含有大量的低频信号，因此，采用iir滤波器，滤波方式为低通，选择巴特罗兹滤波器进行去噪。
48.过程(2)利用自主研发的shpb数据分析软件进行。该系统在数据计算过程中，能够利用三波法进行处理，同时还能够自主选择入射-发射、入射-透射、反射-透射三种二波法进行数据处理，数据处理结果输出方式包括excl、txt等多种方式。与其它的数据处理软件相比，除了操作简单、数据处理效率高之外，该软件在数据处理过程中考虑了试样本身的厚度，处理结果更加接近实际。
49.为观察实验过程中不同冲击气压下岩样破坏过程，采用高速摄像模块对不同气压下岩样单轴压缩破坏过程进行捕捉，获得不同时刻试样表面裂纹发育及扩展过程。
50.试验过程中，撞击杆在高压气体的推动下与入射杆产生碰撞，在入射杆中形成入射脉冲；入射脉冲在入射杆中传播到达试样的两面时，该应力脉冲作用到试样上并在两端试样-杆界面多次反射透射，造成试样的高速变形；于此同时，一部分脉冲被反射，另一部分脉冲通过试样透射到透射杆中，分别形成了反射脉冲信号和透射脉冲信号。通过弹性压杆上的应变片，各信号分别被记录到信号采集模块内，同时，通过摄像模块能够完整的捕捉到试样的整个破坏过程。
51.所述冲击载荷计算子系统获取冲击试验的设计参数，确定单孔爆破周围岩体所受到的冲击载荷范围，从而确定试验施加载荷；其次，通过多次试验确定破碎区与未扰动区交接处载荷，即能够将岩体破坏的最小荷载。
52.所述试样分析子系统对冲击试验后的岩样进行块度筛分试验，获得不同冲击气压下的破碎岩样分级筛分结果。根据筛分结果可知，随着加载冲击气压由0.13mpa增大到2.00mpa，岩石试样的破碎程度明显增大，较大碎块所占比例逐渐减少，粉砂状的碎屑比例增多。
53.通过筛分计算，可获得不同冲击荷载作用下的岩石试样碎块质量百分比与平均粒径，如表1所示，表1中，mr为3块岩样的总质量，mivr为3个岩样破坏后第i组粒径质量占总质量百分比。给出了岩样破碎质量百分比mivr与碎块平均粒径δr随冲击荷载的变化规律。
[0054][0055]
破碎岩样平均粒径随气压的增大呈逐渐减小的变化趋势，说明岩样的破坏程度逐渐增加。平均粒径的变化大致可分为两个过程：气压由0.13增加到0.30mpa，平均粒径迅速减小，由31.73mm减小到23.57mm，幅值达25.72％；之后当气压进一步增大，平均粒径减小趋势变缓，由23.57mm减小到13.18mm，幅值44.08％。
[0056]
所述试样分析子系统利采用分形维数的计算定量地描述冲击试验中岩试件破碎程度，更准确的描述岩样试件破裂程度随冲击气压的变化规律。分形维数与试件破坏程度正相关，即试件的破坏程度增加，计算出的分形维数也增加。目前多利用质量-等效尺寸进行分形维数计算，计算公式如下：
[0057]
d＝3-d
[0058]
式中，d为碎块的分形维数，d为双对数坐标下所绘制的直线的斜率，mr为直径小于r的碎块累计质量，m为试块总质量。
[0059]
根据累计质量及总质量，可以绘制不同冲击气压下lg(mr/m)-lgr绘制的直线，求解得到各气压条件下lg(mr/m)-lgr关系直线斜率d，将斜率d值代入即可得到岩石试样破坏后碎块分形维数d值。
[0060]
最后，所述试样分析子系统获取冲击试验的冲击气压，并构建岩石试样破坏后碎块分形维数随冲击气压的变化曲线，如图3所示，从图中可以看出：随着冲击压力的增加，岩的分形维数d近似呈对数形式增长。当冲击气压由0.15mpa增大到2.00mpa，分形维数d从1.22增至2.42，增幅为98.36％。由于分形维数与岩的破碎程度正相关，可以得出随着冲击气压的增加岩破碎程度逐渐增加。较高冲击气压下分形维数随气压的增幅逐渐趋于减小，可以估计岩石试样破坏程度随冲击气压呈增加趋势，但不是无限增大，最终将逐渐趋于稳定。
[0061]
为了进一步将试验结果与现场岩层爆破结合，将室内冲击载荷作用下岩石破坏粒
径分布进行进一步的尺度划分。岩层爆破之后，大尺度的岩块需要进行二次破碎，极大的增加了成本，而特别小的尺度下岩块以颗粒状形式存在，对矿坑产生了严重的污染，同样需要增加除尘成本，因此，岩层爆破后特大尺度岩块与特小尺度岩块所占比重越小，对于开采成本的控制越有效果。因此，为了进一步分析冲击破坏效果，将爆破粒径进行划分，并根据不同尺度的下碎块质量百分比进行冲击效果评价。
[0062]
所述粒径划分子系统根据冲击载荷作用下岩石试样破坏的块度分布特征，结合现场岩层爆破最低成本控制的要求，按照粒径范围将破坏后碎块划分为三组：大径，中径，粉粒。三组碎块分别对应的粒径范围为：
[0063]
大径碎块：粒径d＞15.0mm，即i＝1组碎块。该组碎块尺度较大，其对应岩层爆破后需要进行二次爆破大体积岩块。在平朔东露天岩矿中，该尺度下岩块直径基本大于300mm。
[0064]
中径碎块：粒径15.0mm＞d＞2.0mm，即i＝2、3、4组碎块。该组碎块尺度适中，若将其与岩层爆破后的碎块尺度进行对应，那么再该范围内的碎块不需要进行二次破碎，在平朔东露天岩矿中，该尺度下岩块直径范围基本在150—300mm之间。
[0065]
粉粒碎块。粒径2.0mm＞d，i＝5、6组粒径范围碎块。该组碎块尺度较小，其对应岩层爆破后的小体积岩块，甚至为粉岩。该尺度下岩块经济价值较小，并且对于特小尺度下的岩粉颗粒，其为矿坑爆破粉尘。
[0066]
根据上述定义方法，可以得到各冲击气压下，不同尺度下碎块分布特征，如表2所示。图4给出了三组尺度下岩石碎块质量百分比随气压的变化规律。
[0067]
表2
[0068][0069]
可以看出，随着气压的增加，各尺度碎块质量百分比变化显著。具体而言：随着气压的增大，大径碎块质量百分比呈逐渐减小的变化特征，气压由0.13mpa增加到2.00mpa，大径碎块质量百分比由98.93％减小到4.65％，幅度达到95.30％。从整个变化过程可以看出，气压由0.13mpa增加到0.30mpa时，大径碎块质量百分比近似呈直线形式快速下降，幅值为61.79％；而气压由0.30mpa增加到0.70mpa时，大径碎块质量百分比减小趋势减缓，减小幅值为6.89％；而当气压查过超过1.20mpa之后，大径碎块质量百分基本控制在10％以内。
[0070]
对于中径碎块，其质量百分随气压增大，整体上呈现出增大的变化特征，其变化过程同样可以分为三个阶段。首先，气压由0.13mpa增加到0.30mpa时，中径碎块质量百分比近似呈90
°
直线形式快速增加，由0.95％增加到56.98％，百分比增量为56.03％；当气压由0.3mpa增加到0.9mpa时，中径碎块质量百分以较缓的增长趋势变化，由56.98％增加到82.31％，增量为25.33％；当气压超过0.90mpa之后，中径碎块质量百分比存在减小的变化特征，减小幅值为20％左右。
[0071]
相比其他两组尺度碎块质量百分比的变化特征，粉粒碎块质量百分比随气压的增
大基本呈直线形式增加，气压由0.13mpa增加到2.0mpa时，粉粒碎块质量百分比由0.12％增加到32.78％，增量为32.66％。
[0072]
增大冲击气压能够有效减小大径碎块的质量百分比，从而减少二次破碎岩块量，控制二次破碎投入成本。但是，随着气压的增大，粉粒碎块质量百分比则逐渐增大，将极大的增加岩矿抑尘成本的投入。
[0073]
基于上述原因，通过所述冲击评价子系统构建爆破评价的两个原则。
[0074]
第一，中径碎块质量百分比超过50％。这一条件能够保证岩层爆破后超过50％的岩块可以不用经过二次破碎，可以直接进入下一阶段的选岩流程。
[0075]
第二，粉粒碎块质量百分比应低于10％。从岩炭生产成本计算，抑尘所投入的成本(包括经济成本与时间成本等)要远大于破碎成本，因此，爆破过程能够尽可能的减少矿坑粉尘污染。基于此，将粉粒碎块质量的百分比控制在10％以内的合理范围。
[0076]
基于以上两个原则，所述冲击评价子系统对比各冲击气压下碎块尺度分布特征进行冲击效果评价：
[0077]
气压小于0.30mpa的冲击载荷作用下中径碎块质量百分比小于50％，因此，该气压范围内冲击破坏效果较差；
[0078]
气压大于0.90mpa的冲击载荷作用下粉粒碎块质量百分比大于10％，因此，该气压范围内冲击破坏效果较差。
[0079]
加载气压在0.30mpa≤p≤0.90mpa范围内，冲击载荷作用下碎块粒径分布满足两个原则，该范围内岩石冲击破坏效果良好。但是，气压在0.90mpa时，其粉粒碎块质量百分比为9.42％，接近10％，因此将该气压剔除良好爆破气压范围。最终，所述冲击评价子系统根据试验结果及上述评价原则确定本次试验中冲击效果良好的气压范围为0.30mpa≤p《0.90mpa。
[0080]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统，其特征在于，包括冲击试验装置、冲击载荷计算子系统、试样分析子系统、粒径划分子系统、冲击评价子系统；所述冲击试验装置用于对若干个相同的岩石试样分别进行冲击试验，获取所述岩石试样的力学特性信息及裂纹发育扩展图像；所述冲击载荷计算子系统用于计算多个所述冲击试验的不同数值的冲击载荷；所述试样分析子系统用于根据冲击试验后的岩石试样获取冲击试验后所述岩石试样的破碎程度以及破碎变化规律；所述粒径划分子系统用于对冲击试验后的所述岩石试样进行分组，并获取不同冲击试验气压下不同尺度的岩石碎块质量以及分布特征；所述冲击评价子系统根据所述不同尺度岩石碎块的质量以及分布特征进行冲击破坏效果评价。2.根据权利要求1所述的粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统，其特征在于，所述冲击试验装置包括加载驱动模块、压杆模块、能量吸收模块、数据采集模块、数据处理模块、摄像模块；所述加载驱动模块包括高压气罐、压力表及撞击杆，用于产生应力波及系统供电；所述压杆模块包括入射杆和透射杆，用于传播所述应力波以及支撑岩石试样；所述能量吸收模块包括吸收杆和缓冲器，用于吸收所述透射杆中的残余应力波；所述数据采集模块包括应变放大器、示波器以及动态应变仪，用于采集试验信号，所述试验信号包括入射波、反射波和透射波信号；所述数据处理模块用于对所述入射波、反射波和透射波信号进行处理，获取所述岩石试样的力学特性信息；所述摄像模块用于获取所述岩石试样在不同时刻的裂纹发育扩展过程。3.根据权利要求2所述的粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统，其特征在于，所述数据处理模块对所述试验信号进行原始信号滤波，并采用二波法以及三波法对所述试验信号进行处理，获取所述岩石试样的力学特性信息。4.根据权利要求1所述的粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统，其特征在于，所述冲击载荷计算子系统获取冲击试验的设计参数，根据所述设计参数确定爆破周围岩体所受到的冲击载荷范围，根据所述冲击载荷范围确定所述冲击试验的冲击载荷以及最小载荷。5.根据权利要求1所述的粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统，其特征在于，所述试样分析子系统对冲击试验后的岩石试样碎块进行块度筛分，获取岩石试样的破碎程度，以及不同冲击载荷作用下岩石试样碎块的质量百分比与平均粒径，并获取所述质量百分比与平均粒径随冲击载荷的变化规律。6.根据权利要求1所述的粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统，其特征在于，所述试样分析子系统对冲击试验后的岩石试验采用分形维数计算，对岩石碎块设置最小直径，获取小于所述最小直径的岩石碎块累计质量，并获取岩石碎块总质量，根据所述岩石碎块累计质量以及所述岩石碎块总质量计算岩石碎块的分形维数，并获取所述冲击试验的冲击气压，根据所述分形维数与所述冲击气压对冲击试验后的岩石试件破碎程度进行定量描述。7.根据权利要求1所述的粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统，其特征在于，所述粒径划分子系统按照粒径范围将冲击试验后的岩石试件碎块划分为大径碎块，中径碎块，粉
粒碎块；所述大径碎块的粒径大于等于15.0mm，所述中径碎块的粒径小于15.0mm且大于2.0mm，所述粉粒碎块的粒径小于2.0mm；根据分组后的岩石试件碎块获取不同冲击试验气压下不同尺度的岩石碎块质量以及分布特征。8.根据权利要求1所述的粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统，其特征在于，所述冲击评价子系统构建不同气压下岩石碎块质量的变化曲线，并构建评价原则，根据所述变化曲线与所述评价原则进行冲击破坏效果评价；所述评价原则包括：中径碎块的质量百分比超过50％、粉粒碎块质量百分比低于10％。

技术总结
本发明公开了一种粒径尺度划分及冲击破坏效果评价系统，包括冲击试验装置，用于对若干个相同的岩石试样分别进行冲击试验；冲击载荷计算子系统，用于计算多个冲击试验的冲击载荷；试样分析子系统用于根据冲击试验后的岩石试样获取冲击试验后岩石试样的破碎程度以及破碎变化规律；粒径划分子系统，用于对冲击试验后的岩石试样进行分组，并获取不同冲击试验气压下不同尺度的岩石碎块质量以及分布特征；冲击评价子系统，用于根据不同尺度岩石碎块的质量以及分布特征进行冲击破坏效果评价。本发明采用SHPB实验技术研究岩体的动态力学特征，通过试验参数进行试验冲击载荷计算，对试验后的岩石试件破碎程度进行分析，为矿山爆破工程提供有力指导。提供有力指导。提供有力指导。


技术研发人员：彭俊 李小双 丁小华 代碧波 李启航 王佳文 孙永茂 孙玉勇 卢坤林 张拥军 侯迪 王孟来 吴小刚
受保护的技术使用者：中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/21