金山金礦掘進爆破參數(shù)優(yōu)化及應用

閔忠鵬 王柏平 張永亮 吳迪

收稿日期：2024-03-05； 修回日期：2024-04-03

基金項目：國家自然科學基金項目（52374209）；山東省自然科學基金項目（ZR2023ME012）

作者簡介：閔忠鵬（1985—），男，高級工程師，從事礦業(yè)工程研究與管理工作;E-mail：718140806@qq.com

*通信作者：王柏平（1997—），男，碩士研究生，從事采礦技術研究工作；E-mail：bopingwang@xs.ustb.edu.cn

摘要：針對金山金礦掘進爆破中存在的巷道超挖、進尺不達標和巖石過度破碎等問題，在-155 m中段進行了爆破漏斗試驗，確定爆破參數(shù)范圍，通過LS-DYNA數(shù)值模擬軟件建立炮孔堵塞模型，根據(jù)不同延期時間的應力云圖及全斷面巖石損傷云圖優(yōu)化金山金礦的掘進爆破參數(shù)，最后進行現(xiàn)場試驗驗證全斷面優(yōu)化后爆破參數(shù)的普適性。結果表明：全斷面優(yōu)化后的掘進爆破參數(shù)能夠滿足礦山的生產要求，巷道斷面平整，爆堆比較集中、巖石塊度均勻，延期時間在100 ms以下能保證應力波的疊加，掘進爆破的平均炸藥單耗從3.28 kg/m3下降至2.92 kg/m3，降幅達12.3 %；單位體積消耗雷管量從2.28發(fā)/m3降為1.97發(fā)/m3，降幅15.4 %。爆破效果較好，可在礦山推廣應用。

關鍵詞：巷道掘進；爆破漏斗試驗；爆破參數(shù)；LS-DYNA數(shù)值模擬；鉆爆法

中圖分類號：TD235????????? 文章編號：1001-1277（2024）06-0016-07

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240604

引? 言

無論是地下礦山還是露天礦山，尤其是非煤礦山，都普遍采用鑿巖爆破的開采方式，在礦產資源的開采歷史中，鉆爆法體現(xiàn)了其優(yōu)越性。而且，在鑿巖設備和炸藥發(fā)展進程中，鉆爆法扮演著重要的角色。因此，如何低成本、高效率地掘進巷道已是各大礦山亟須解決的重要問題之一。

爆破參數(shù)主要包括孔網參數(shù)、裝藥參數(shù)和起爆參數(shù)［1-2］。而在這些參數(shù)中，掏槽效果對于整個爆破的最終效果影響較大。國外學者在20世紀70年代就對垂直掏槽方式開展了研究，垂直掏槽分為縫形掏槽、桶形掏槽和螺旋掏槽。LANGEFORS等［3］提出含空孔直孔掏槽理論，討論了引發(fā)巖體爆破后產生粉碎、塑性及彈性變形破壞所對應的空孔直徑及炮孔間距，建立反映空孔效應的半經驗半理論公式。SHAPIRO［4］通過對比分析直孔、空孔直孔及分階段掏槽等方式的掏槽效果，提出了爆破評價新標準，總結了適用條件不同的掏槽孔布置方案。陳貴亮等［5］提出在較堅硬大理巖層中掘進巷道時采用螺旋掏槽替代傳統(tǒng)桶形掏槽，可改善爆破效果，提高爆破效率，降低材料單耗。

隨著研究的深入，各學者針對不同的爆破問題提出了不同的手段來優(yōu)化爆破參數(shù)。國內一些學者研究了炮孔填塞機制：任少峰等［6］研究了金礦掘進中最佳炮孔填塞長度，其團隊在LS-DYNA數(shù)值模擬的基礎上得到了爆破質量隨填塞長度的變化規(guī)律，過長或過短的填塞都會引起不良爆破效果；藍樊革等［7］利用LS-DYNA數(shù)值模擬分析了無填塞、填塞黃泥和填塞黃泥+水袋3種工況條件下填塞材料對巖石爆破效果的影響，結果表明：填塞黃泥+水袋的爆破效果最佳。隨著微差爆破技術的興起，一些學者開始研究微差爆破對爆破參數(shù)的影響：JOHANSSON等［8］通過模擬試驗得到孔間延期時間與最小抵抗線之間關系，并得出孔間延期時間是最小抵抗線的0～1.1倍時爆破效果最好；VANBRABANT等［9］指出，相鄰炮孔間應力波的相互疊加能提高破碎效果，他們進行了一系列的現(xiàn)場試驗，得出平均破碎度提高了近50 %；蒲傳金［10］通過分析逐孔起爆技術研究現(xiàn)狀，提出逐孔起爆延期時間應當根據(jù)不同巖石力學性質，綜合爆破孔網參數(shù)，最終達到降低爆破振動及爆破效果的目的；李祥龍等［11］為了有效控制地下爆破振動效應，改善巖石破碎效果，根據(jù)地下礦山實際生產條件，采用高精度高強度數(shù)碼電子雷管，開展了精確延時逐孔起爆的現(xiàn)場試驗研究。

綜合以上學者對于爆破參數(shù)的研究，爆破掘進參數(shù)優(yōu)化方向主要是掏槽方式的優(yōu)化、爆破時間對于爆炸能量傳遞的優(yōu)化及炮孔堵塞的優(yōu)化等。中國黃金集團江西金山礦業(yè)有限公司（下稱“金山金礦”）目前掘進爆破中存在巷道超挖、進尺不達標和巖石過度破碎等問題。因此，亟須通過優(yōu)化爆破參數(shù)來降低炸藥單耗，達到礦山降本增效的目的。

1? 工程背景

金山金礦-155 m中段礦石礦物組成比較簡單，金屬礦物除自然金外，主要為黃鐵礦，其次為金紅石、磁鐵礦、赤鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦、毒砂及方鉛礦等；脈石礦物主要為石英，次為絹云母、鈉長石、鐵白云石和綠泥石等。礦體底板圍巖主要為綠泥石千枚巖、超糜棱巖及變質安山玄武巖，頂板圍巖主要有含碳千枚巖、含碳千糜巖、凝灰質千枚巖及超糜棱巖，礦體與圍巖靠樣品分析圈定邊界。圍巖蝕變普遍發(fā)育，主要有硅化、絹云母化、黃鐵礦化，其次為綠泥石化和碳酸鹽化。圍巖穩(wěn)固性尚可。-155 m中段礦體整體走向北西，傾向北東，走向長度為600～1 000 m，傾角為21°～40°。

2? 爆破漏斗試驗

2.1? 單孔爆破漏斗試驗

2.1.1? 試驗方案

鉆孔位置選擇在井下-192 m中段3#鑿巖巷，炮孔離底板距離1.2 m左右，并盡量確保炮孔在同一水平上，同時選擇的鉆孔位置應盡量保持平整。采用手持式鑿巖機進行鉆孔，鉆孔直徑為40 mm，垂直巷道面鉆鑿，每次鉆孔后，需對炮孔的深度及角度進行驗證，以充分保證試驗的準確性。設置的炮孔間距為2.0 m，防止相鄰炮孔互相影響。炮孔深度為0.35～0.60 m，按0.05 m遞增，即0.35 m、0.40 m、0.45 m、0.50 m、0.55 m、0.60 m，共計6個炮孔。炸藥采用2號巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm、長度為300 mm，藥卷質量為0.3 kg/卷。每個炮孔裝半卷藥，每孔裝藥量為0.15 kg，6個炮孔共需炸藥0.9 kg。采用數(shù)碼電子雷管，共需要6發(fā)。采用單孔孔底起爆、孔間逐孔起爆的方式進行起爆。采用炮泥機制成的炮泥進行填塞，對于深度小于1 m 的炮孔采取整孔填塞。單孔爆破漏斗試驗炮孔布置示意圖見圖1。

2.1.2? 試驗結果及分析

經過現(xiàn)場實地查看及測量發(fā)現(xiàn)，單孔爆破漏斗試驗中，炮孔深度0.40～0.55 m時爆破漏斗成形較為良好，具有可見的漏斗形狀（見圖2），而炮孔深度0.60 m和0.35 m炮孔因炮孔位置在巖石節(jié)理裂隙發(fā)育段，導致爆破漏斗形狀較差。通過現(xiàn)場測量得到單孔爆破漏斗試驗數(shù)據(jù)，結果見表1。

根據(jù)單孔爆破漏斗試驗結果，繪制單孔爆破漏斗特征曲線，見圖3。研究中一般采用最小二乘法原理，對試驗所得的數(shù)據(jù)進行多項式曲線回歸分析，即可得到爆破漏斗半徑與藥包中心埋深（R-L曲線）擬合多項式及爆破漏斗體積與藥包中心埋深（V-L曲線）擬合多項式，從而擬合出相應的特征曲線。根據(jù)特征曲線變化情況及巖石的破碎情況等條件綜合考慮，即可確定在該試驗條件下單孔爆破漏斗試驗的最佳藥包中心埋深、最佳爆破漏斗體積和最佳爆破漏斗半徑等參數(shù)，為后續(xù)爆破漏斗試驗的開展提供數(shù)據(jù)。

因此，根據(jù)上述分析結果，利用單孔爆破計算公式計算得到爆破參數(shù)：最佳藥包中心埋深為0.38 m，最佳爆破漏斗半徑為0.260 m，最佳爆破漏斗體積為0.061 m3。

2.2? 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗

2.2.1? 試驗方案

變孔距多孔同段爆破漏斗試驗分為4組，每組2個炮孔，共8個炮孔，對應的炮孔參數(shù)相同，試驗結果取平均值。根據(jù)單孔爆破漏斗試驗得到的最佳藥包中心埋深和爆破漏斗半徑等參數(shù)，得到炮孔參數(shù)：孔徑40 mm，孔深 0.40 m，裝藥深度 0.4 m，炮孔間距7#孔和8#孔間距為0.5 m、9#和10#孔間距為0.6 m、11#孔和12#孔間距為0.7 m、13#孔和14#孔間距為0.8 m。設計裝藥深度在最佳藥包中心埋深時的變孔距多孔同段爆破漏斗試驗，鉆孔時在巷道內沿底板1.2 m高處垂直巷道兩幫鉆鑿深度相等的水平炮孔，孔間距根據(jù)單孔爆破試驗得出的爆破漏斗半徑取值，相鄰炮孔取值為 1.75R、2.00R、2.25R、2.50R，鉆孔直徑為40 mm。采用2號巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm、長度為300 mm，藥卷質量為0.3 kg/卷。每個炮孔裝1卷炸藥，采用單孔孔底起爆、孔間同時起爆的方式進行起爆。采用炮泥填塞，深度小于1 m的炮孔采取整孔填塞，對于深度大于1 m的炮孔，其填塞長度不小于0.6 m。變孔距多孔同段爆破漏斗試驗炮孔布置見圖4。

2.2.2? 試驗結果及分析

爆破試驗完成后，經安全員帶領進入試驗場地進行拍照取證。為了使爆破試驗效果更加容易判斷，試驗后采用拍照組合對比法對爆破漏斗進行直觀分析，同時繪制爆破漏斗輪廓，根據(jù)繪制的爆破漏斗邊界輪廓和現(xiàn)場相鄰炮孔之間的爆破效果，確定最佳孔底距。7#和8#、9#和10#、11#和12#炮孔之間都形成了明顯的爆破溝槽。而13#和14#炮孔之間爆破溝槽明顯下降，說明此處炮孔間孔底距過大，導致炮孔之間爆破效果不佳。變孔距多孔同段爆破漏斗試驗結果見表2。由表2可知，金山金礦炮孔的最佳孔底距為最佳爆破漏斗半徑的2.25倍左右，即0.7 m 左右。

2.3? 斜面臺階爆破漏斗試驗

2.3.1? 試驗方案

斜面臺階爆破選擇在巷道內1.2 m處傾斜巷道幫面鉆鑿水平炮孔，共設置2個炮孔。選用手持式鑿巖機進行鉆孔，鉆孔直徑40 mm，垂直巷道面鉆鑿，每次鉆孔后，需對炮孔深度及角度進行驗證，以充分保證試驗的準確性。為避免炮孔之間相互影響，炮孔間距應不小于3.5 m。設計炮孔深度為2.2 m。設計炮孔傾斜角為30°，以鉆孔的實際角度為準。裝藥采用2號巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm、長度為300 mm，藥卷質量為0.3 kg/卷，每個炮孔裝5卷藥，每孔裝藥量為1.5 kg，2個炮孔共需要裝藥3 kg。采用單孔孔底起爆、孔間逐孔起爆的方式進行起爆。整孔填塞，采用炮泥進行填塞。斜面臺階爆破漏斗試驗炮孔布置見圖5。

2.3.2? 試驗結果及分析

從斜面臺階爆破現(xiàn)場情況來看，除了存在少許的大塊剝落外，整體的爆破效果較為良好，巖石塊度也較為均勻。斜面臺階爆破漏斗試驗結果見表3。

綜合上述爆破漏斗試驗結果可知，在該試驗條件下，炮孔的最小抵抗線在1.0 m左右。

3? LS-DYNA爆破參數(shù)優(yōu)化

3.1? 有無炮泥填塞模擬分析

在進行現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)井下操作工進行掘進爆破時，經常用塑料紙殼填塞炮孔，甚至不填塞炮孔。這在一定程度上影響了巷道掘進效率，提高了爆破成本。因此，通過LS-DYNA數(shù)值模擬來驗證炮泥填塞對于提高炸藥能量的作用。為了方便觀察巖石的破損狀態(tài)，建立三維單孔模型，模擬結果見圖6。通過模擬發(fā)現(xiàn)有炮泥填塞的炮孔，炸藥能量更集中，巖石塊度更均勻。

3.2? 不同延期時間模擬分析

在礦山進行現(xiàn)場調查時，發(fā)現(xiàn)炸藥的延期時間大部分在200～500 ms。延期時間過長會影響爆破應力波傳遞，造成炸藥能量的利用率過低，甚至會造成后續(xù)炮孔的盲炮。因此，通過LS-DYNA數(shù)值模擬來模擬不同延期時間的炮孔應力波傳遞。目前，礦山應用較多的電子雷管的延期時間主要有50 ms、100 ms、150 ms、200 ms，通過模擬上述4種不同延期時間的掘進爆破確定金山金礦的炸藥延期時間，模擬結果見圖7。

由圖7可知：50 ms和100 ms延期時間的應力波疊加更加集中，在所有炮孔起爆時，爆破應力波的影響范圍仍在掘進斷面內，炸藥能量利用率相對較高，有利于改善爆破后的巖石塊度。而150 ms和200 ms延期時間的應力波相互疊加影響的時間相對較短，造成了爆破應力波的外溢；另一方面，先爆破炮孔引起的爆破裂隙范圍覆蓋了后續(xù)炮孔，后續(xù)炮孔的爆破應力波首先沿著先爆破炮孔造成的爆破裂隙逸散，不能進行爆破應力波的碰撞疊加，造成炸藥能量利用率降低。因此，金山金礦的掘進爆破延期時間應控制在100 ms以下。

3.3? 全斷面炮孔優(yōu)化模擬分析

通過爆破漏斗試驗，確定了炮孔的最佳爆破漏斗半徑為0.260 m。在此最佳半徑的基礎上重新布置掘進斷面炮孔。優(yōu)化前掘進爆破斷面一共有34個炮孔（30個裝藥孔，4個空孔），利用最佳爆破漏斗半徑重新設計，確保相鄰兩個炮孔之間的距離在0.54 m內，同時又能最大程度上減少多余炮孔，優(yōu)化后的掘進爆破斷面共有32個炮孔（26個裝藥孔，6個空孔），以達到降低炸藥單耗、提高礦山經濟效益的目的。優(yōu)化前后的掘進斷面炮孔爆破效果見圖8。

由圖8可知：優(yōu)化后掘進斷面比較規(guī)整，符合礦山的生產標準。但由于裝藥孔的減少，頂板和底板可能會出現(xiàn)塊度較大的巖石，因此需要通過現(xiàn)場試驗來判斷大塊是否符合金山金礦的要求。

4? 掘進爆破現(xiàn)場試驗

通過LS-DYNA模擬初步確定了掘進巷道斷面的炮孔布置一共32個炮孔（26個裝藥孔，6個空孔），然后在-155 m水平階段選取2條具有代表性的巷道3#和6#鑿巖巷進行現(xiàn)場掘進爆破試驗。選取2條主要鑿巖巷道，一是為了測試該炮孔布置下的爆破穩(wěn)定性，二是為了形成對照防止試驗的偶然性。

4.1? -155 m水平鑿巖巷掘進爆破試驗

1）3#鑿巖巷原有的炮孔布置及裝藥參數(shù)。-155 m水平3#鑿巖巷掏槽方式是直孔掏槽，共有34個炮孔。其中，4個空孔，30個裝藥孔。鉆孔深度

為2.4～2.5 m，共使用炸藥43.2 kg，雷管30發(fā)。爆破延期時間設置每孔延期間隔為500 ms，總延期時間為13 000 ms，原有爆破中主要存在巖石破碎過度，爆堆形態(tài)扁平，炸藥單耗過高和邊幫超挖嚴重等問題。

2）優(yōu)化后3#鑿巖巷炮孔布置和裝藥參數(shù)。炮孔重新布置后，3#鑿巖巷掏槽方式仍采用直孔掏槽，空孔直徑為40 mm，裝藥孔直徑40 mm；共布置32個炮孔，其中，6個空孔，26個裝藥孔。裝藥孔中輔助孔減少1個，邊幫孔減少2個，底板孔減少1個，空孔增加2個，增加了掏槽孔的補償空間，鉆孔深度為2.4～2.5 m，共使用炸藥38.5 kg，雷管26發(fā)，同時改用炮泥填塞。優(yōu)化后炮孔布置參數(shù)見表4和圖9。本次爆破延期時間設置為延期間隔50 ms，3個頂板孔同時爆破，延期時間設置一致，總延期時間為1 200 ms。

查看爆破效果發(fā)現(xiàn)，爆破效果理想，無殘孔，巷道面比較平整，無明顯超挖現(xiàn)象，巖石塊度滿足礦山生產要求，爆堆相對集中，進尺在2.0 m左右，滿足礦山的日進尺要求。

3）6#鑿巖巷掘進爆破試驗。-155 m水平6#鑿巖巷的原有爆破參數(shù)與3#鑿巖巷一致，優(yōu)化后也同樣采用3#鑿巖巷的炮孔布置和裝藥參數(shù)，6#鑿巖巷這組優(yōu)化試驗主要是為了驗證該炮孔布置下的裝藥參數(shù)在金山金礦掘進爆破中是否具有普適性?，F(xiàn)場試驗結果表明，優(yōu)化后巷道斷面比較規(guī)整，巖石塊度明顯上升，但不影響進入溜井格柵，爆破效果理想，無殘孔，爆堆相對集中，進尺在2.0 m左右。

4.2? -155 m水平優(yōu)化前后主要經濟指標對比

爆破優(yōu)化前后主要經濟技術指標對比見表5。

5? 結? 論

1）通過爆破漏斗試驗確定了爆破參數(shù)范圍：最佳藥包中心埋深0.38 m，最佳爆破漏斗半徑0.260 m，最佳爆破漏斗體積0.061 m3，炮孔的最小抵抗線在1.0 m左右。炮孔的最佳孔底距為最佳爆破漏斗半徑的2.25倍左右，即0.7 m 左右。2）通過數(shù)值模擬軟件確定了掘進斷面爆破的延期時間為50 ms，使得爆破應力波疊加時間更加集中，提高了炸藥能量利用率，改善了爆破效果；同時使用炮泥機制作炮泥進行填塞，改善了填塞質量。

3）經過現(xiàn)場試驗驗證全斷面優(yōu)化后的裝藥參數(shù)，爆破掘進進尺（2.1 m/d）滿足生產要求，單位體積巖體消耗雷管量從2.28發(fā)/m3降為1.97發(fā)/m3，降幅15.4 %；平均炸藥單耗從3.28 kg/m3下降至2.92 kg/m3，降幅12.3 %；平均單位體積鉆孔長度從6.45 m/m3降為6.07 m/m3，降幅2.6 %。

［參 考 文 獻］

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Optimization and application of drilling and blasting parameters in Jinshan Gold Mine

Min Zhongpeng1，Wang Boping2，Zhang Yongliang3，Wu Di2

（1.Zhongjin Gold Corporation Limited;

2.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing;

3.School of Mechanical & Automotive Engineering，Qingdao University of Technology）

Abstract：In response to issues such as over-excavation，inadequate excavation footage，and excessive rock fragmentation in the excavation and blasting of Jinshan Gold Mine，a blast funnel test was conducted at -155 m level to determine the range of blasting parameters.Using LS-DYNA numerical simulation software，a blast hole plugging model，stress cloud charts for different delay times，and full-section rock damage cloud charts were established to optimize the excavation and blasting parameters of Jinshan Gold Mine.Finally，field tests were conducted to verify the universality of the optimized blasting parameters.The results show that the excavation and blasting parameters optimized for the entire section can meet the production requirements of the mine，with smooth excavation sections，concentrated blasting piles，uniform rock blocks，and stress wave superposition ensured for delay times below 100 ms.The average explosive consumption per unit volume of excavation and blasting decreased from 3.28 kg/m3 to 2.92 kg/m3，a decrease of 12.3 %;and the unit volume consumption of detonators decreased from 2.28 units/m3 to 1.97 units/m3，a decrease of 15.4 %.The blasting effect is good and can be widely applied in the mine.

Keywords：roadway excavation;blasting funnel test;blasting parameters;LS-DYNA numerical simulation;drill and blast method