某石灰?guī)r礦中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化研究

饒運(yùn)章， 王春華， 黃鐵平， 彭樂(lè)平

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 3410002.廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510080）

某石灰?guī)r礦中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化研究

饒運(yùn)章1， 王春華1， 黃鐵平2， 彭樂(lè)平2

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 3410002.廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510080）

針對(duì)某石灰?guī)r礦勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、安全條件差的開(kāi)采現(xiàn)狀，應(yīng)用中深孔房柱法，借鑒露天臺(tái)階爆破參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法，通過(guò)正交試驗(yàn)法對(duì)抵抗線、孔排距、堵塞長(zhǎng)度等3個(gè)影響爆破效果主要因素進(jìn)行優(yōu)選，并進(jìn)行了爆破震動(dòng)測(cè)試.確定了合理的中深孔鑿巖爆破參數(shù)，降低了爆破大塊率，改善了爆破效果，降低了礦山成本.

中深孔；正交試驗(yàn)；爆破參數(shù)；臺(tái)階爆破；爆破震動(dòng)

0 概 述

某石灰?guī)r礦山是由兩個(gè)石灰?guī)r礦山整合而成，礦區(qū)面積0.4415 km2，開(kāi)采深度+20～-25 m標(biāo)高.該礦山分東、西兩個(gè)礦區(qū)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模40萬(wàn)t/a，東、西采區(qū)各20萬(wàn)t/a.東礦區(qū)為露天開(kāi)采，采用公路汽車(chē)開(kāi)拓運(yùn)輸.西礦區(qū)為地下開(kāi)采，采用斜坡道、汽車(chē)開(kāi)拓運(yùn)輸.原采礦方法為淺孔房柱法，淺孔崩礦，挖掘機(jī)裝礦，自卸式汽車(chē)運(yùn)輸.礦塊垂直礦體走向布置，每個(gè)礦塊劃分成礦房、間柱和頂柱3個(gè)部分.礦房寬15 m，長(zhǎng)80～100 m，高 12 m.連續(xù)間柱寬 15 m，頂柱厚 20 m.間柱和頂柱為永久性礦柱，不予回采，采空區(qū)不處理.淺孔房柱法普遍存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，通風(fēng)條件差等缺點(diǎn).因淺孔房柱法礦房生產(chǎn)能力小，鑿巖爆破工作頻繁，粉塵污染大，嚴(yán)重影響工人身體健康.在空?qǐng)鰲l件下作業(yè)，頂板控制難度大，容易引起冒頂、片幫，經(jīng)常發(fā)生巖石冒落造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡事故，存在一些不安全隱患.因此，通過(guò)對(duì)礦山現(xiàn)有實(shí)際情況的分析,選定了預(yù)切頂下向平行中深孔房柱法作為新的采礦方法，并在該礦得到了運(yùn)用[1].解決了生產(chǎn)能力小，安全因素差的缺陷，極大地提高了礦山的生產(chǎn)效率和安全狀況.

1 開(kāi)采技術(shù)條件

礦床賦存于下二疊統(tǒng)棲霞組（P1q）的碳酸鹽巖地層中，呈厚層狀產(chǎn)出，其產(chǎn)狀與地層構(gòu)造一致.礦體為北東-南西走向，傾向南東-北西，傾角 45～49°，礦體沿走向長(zhǎng) 1060 m，寬 250～490 m，厚度 16.85～114.17 m.礦區(qū)的灰?guī)r屬下二疊統(tǒng)棲霞組灰?guī)r，主要巖性為灰黑色中厚層狀灰?guī)r，生物碎屑灰?guī)r及白色大理巖.礦石結(jié)構(gòu)致密，礦層厚度較大，連續(xù)完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育.礦石單軸抗壓強(qiáng)度62.2～63.6 MPa，平均62.9 MPa.礦石巖質(zhì)完整新鮮，為堅(jiān)硬巖石，工程性能良好，工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單.

中深孔爆破試驗(yàn)采場(chǎng)位于西礦區(qū)+10 m中段、0號(hào)勘探線以東斜坡道左側(cè)附近.礦巖為灰?guī)r和大理巖，礦巖堅(jiān)硬穩(wěn)固，堅(jiān)固系數(shù)f=5～10.礦房長(zhǎng)60 m，寬15 m.礦房分兩層回采，上分層高8 m，下分層高10 m.先用淺孔落礦回采上分層，留出8 m×15 m切頂空間，作為中深孔鑿巖爆破回采下分層的工作平臺(tái).在礦房端部開(kāi)切割槽，規(guī)格2.5 m×15 m，作為中深孔爆破的自由面和補(bǔ)償空間.中深孔爆破試驗(yàn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1.

2 中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化研究

影響爆破作用的因素很多,歸納起來(lái)主要有3個(gè)方面：巖石特性、炸藥性能、爆破參數(shù).其中爆破參數(shù)中的孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破網(wǎng)絡(luò)、起爆順序等對(duì)爆破作用的影響最為主要[2]，另外孔徑、孔深、超深、抵抗線、孔距、排距、堵塞長(zhǎng)度、單位炸藥消耗量等參數(shù)，又是直接影響爆破質(zhì)量的最重要因素.參數(shù)間的合理搭配牽涉到炸藥能量的時(shí)空分布和合理利用，對(duì)企業(yè)提高效率，降低成本有重要的作用[3].

本次爆破選用2#巖石乳化炸藥、非電導(dǎo)爆管雷管起爆.采用多排微差爆破技術(shù)和預(yù)裂爆破技術(shù)，減少同段藥量，減小爆破震動(dòng)和對(duì)礦柱的破壞作用.大塊礦石用液壓挖掘機(jī)配置的液壓碎石錘在工作面進(jìn)行2次破碎.

2.1 爆破參數(shù)的初步確定

2.1.1 孔徑(d)及炮孔深度(L)

由于礦體很規(guī)則并在采準(zhǔn)工程量不很大時(shí),可采用平行孔布置[4].穿孔采用Tamrock Ranger600液壓潛孔鉆機(jī)，鉆孔直徑(d):Ф=79 mm.鉆孔方式為垂直平行炮孔，孔深(L)按下式計(jì)算：

式中：L為鉆孔深度，/m；H為臺(tái)階高度，H取10 m；h 為炮孔超鉆深度，h=（8～12）d,/m；（h=（8～12）d=10×0.079 m≈0.8 m）;α 為傾斜孔角度，α 取 90°.

2.1.2 底盤(pán)抵抗線（Wd）

底盤(pán)抵抗線（Wd）按下式計(jì)算：

式中：H為臺(tái)階高度，H取10 m；k為與巖石堅(jiān)固性有關(guān)的系數(shù)，取 0.65；d為鉆孔直徑，d取79 mm.

2.1.3 排距（b）與孔距（a）

設(shè)計(jì)采用梅花形布孔，其排距、孔距分別為：

式中：m為炮孔鄰近系數(shù)，m=0.7～1.3.

2.1.4 填塞長(zhǎng)度(L2)

填塞長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

式中：Z 為填塞系數(shù)，垂直孔 Z=0.7～0.8，斜孔 Z=0.9～1.

2.1.5 單位炸藥消耗量（q）

參照露天礦深孔微差爆破單位炸藥消耗量計(jì)算公式：

式中：γ為礦巖的容重，t/m3；f為巖礦的普氏硬度系數(shù)；

按礦巖堅(jiān)固系數(shù)f=5～10和礦山生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選取，q=0.35～0.5 kg/m3，取 0.5.

2.1.6 單孔裝藥量計(jì)算及驗(yàn)算

（1）單孔裝藥量計(jì)算（Qk）

式中：Qk為單孔裝藥量，kg；其它符號(hào)意義同前.

（2）裝藥量驗(yàn)算(Qky)

式中：Qky為驗(yàn)算的單孔裝藥量，kg；d為藥卷直徑，mm，△為裝藥密度，kg/dm3，2#巖石炸藥△=0.95～1.2 kg/dm3；

經(jīng)計(jì)算可知，Qk＜Qky，滿足裝藥條件要求.

2.1.7 裝藥結(jié)構(gòu).

主炮孔孔底先裝3條Ф70 mm乳膠藥卷（4.5 kg），再放起爆藥包，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)；預(yù)裂炮孔采用導(dǎo)爆索連接，將Ф70 mm藥卷沿縱軸線剖開(kāi)捆綁在導(dǎo)爆索上，采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，每個(gè)預(yù)裂炮孔裝藥量為8～12 kg.

2.1.8 起爆網(wǎng)絡(luò)

（1）微差間隔時(shí)間（△t）[5]

式中：W為抵抗線，m；C0為巖體中彈性縱波速度，m／s；K1為系數(shù)，取23；CP為裂縫擴(kuò)展速度，m/s；S為為破裂體移動(dòng)距離，0.08～0.1 m；V為破裂體移動(dòng)的平均速度，m/s.

經(jīng)計(jì)算，合理的微差時(shí)間△t=20 ms.因此回采根據(jù)炮排數(shù)采用1～30段導(dǎo)爆管.

（2）起爆順序.微差爆破技術(shù)的應(yīng)用,在國(guó)內(nèi)外有較長(zhǎng)的歷史,對(duì)于合理微差間隔時(shí)間的確定,前人也總結(jié)了不少經(jīng)驗(yàn)[6].中深孔爆破采用多排孔微差爆破，相鄰兩段時(shí)間間隔25～50 ms.裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)裝藥，孔口用孔渣堵塞.采用非電起爆網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)炮孔裝兩個(gè)導(dǎo)爆管雷管起爆加強(qiáng)藥包，一段雷管接力網(wǎng)路，接力同路采用蔟聯(lián)(俗稱(chēng)一把抓)方式激爆，導(dǎo)爆索與組合雷管的聯(lián)結(jié)用黑膠布纏繞不少于5層[7]，起爆方式為孔底起爆.中深孔布置及起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖見(jiàn)圖2.

圖2 中深孔布置及起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2 爆破參數(shù)的優(yōu)化研究

2.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于受采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、采礦方法的要求或設(shè)備條件的制約，許多參數(shù)已經(jīng)確定，如孔徑、孔深、超深、裝藥結(jié)構(gòu)等[8].由于深孔爆破的各個(gè)參數(shù)是相互影響的，因此，應(yīng)用正交試驗(yàn)法，根據(jù)試驗(yàn)礦山的具體情況選擇了如下因素水平.試驗(yàn)研究選擇抵抗線、孔排距、堵塞長(zhǎng)度這3個(gè)爆破效果主要影響參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究，確定其合理取值和最佳搭配.

由于爆破作用的幾個(gè)主要影響因素如抵抗線、孔排距、堵塞長(zhǎng)度等都有較大取值范圍，為使其有充分的代表性，在各取值范圍內(nèi)，取較小、較大、中間3個(gè)數(shù)據(jù)[9]，底盤(pán)抵抗線 Wd取 2.4 m，2.8 m，3.2 m 3 個(gè)水平；孔距a取2.8 m，3.0 m，3.2 m 3個(gè)水平；填塞長(zhǎng)度L取1.8 m，2.0 m，3.2 m 3個(gè)水平.據(jù)此確定為3因素3水平試驗(yàn)，采用L9（34）正交表，見(jiàn)表1.

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果

正交表中列出9組試驗(yàn)，根據(jù)這9組試驗(yàn)的因素組合，在試驗(yàn)采場(chǎng)進(jìn)行了9次中深孔爆破試驗(yàn).爆破效果用大塊率、粉礦率、延米炮孔爆破量進(jìn)行考核.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表1 正交試驗(yàn)表

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1、表2中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行單一指標(biāo)的極差分析，即計(jì)算每一指標(biāo)中各因素各水平的和K1、K2、K3及其平均值 k1、k2、k3與極差 R，從中確定出較優(yōu)水平,并劃分出各因素的主次順序，結(jié)果見(jiàn)表3.

表2 正交試驗(yàn)爆破效果統(tǒng)計(jì)表

設(shè)A代表底盤(pán)抵抗線，B代表孔距，C代表填塞長(zhǎng)度，從表3中極差R可以看出，就對(duì)爆破大塊率的影響程度而言，R1＞R2＞R3，即底盤(pán)抵抗線影響最顯著,孔距次之，填塞長(zhǎng)度再次之.對(duì)粉礦率而言，R1＞R3＞R2，是底盤(pán)抵抗線的影響最顯著,填塞長(zhǎng)度次之,孔距再次之.對(duì)延米炮孔爆破量而言，R3＞R1＞R2，即填塞長(zhǎng)度孔距影響最顯著,底盤(pán)抵抗線次之，孔距再次之.

表3 爆破效果分析表

圖3中 指標(biāo)k1、k2、k3為縱坐標(biāo)， 因素水平為橫坐標(biāo).經(jīng)對(duì)比分析，爆破參數(shù)：最小抵抗線W為2.8 m；孔底距為3.0 m；填塞長(zhǎng)度為2.0 m時(shí)，爆破效果為最優(yōu).

圖3 因素–指標(biāo)圖

3 爆破震動(dòng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)爆破過(guò)程中采用NUBOX6016型儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析爆破震動(dòng)結(jié)果，確定了空氣沖擊波、有害氣體及炮煙等危害因素的防治.

3.1 爆破震動(dòng)安全校核

按照質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度計(jì)算公式：

則安全距離計(jì)算公式[10]：

R=（K/V）1/αQ1/3

允許藥量計(jì)算公式：

式中：V為地表質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；Q為同段雷管起爆的單響藥量，kg；R為保護(hù)物與爆破中心的距離，m；K，α為與地質(zhì)、地形有關(guān)的系數(shù)，取K=150,α=1.5.

《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）規(guī)定礦山巷道安全允許振速為15～30 cm/s，深孔爆破地震頻率10～60 Hz.本次設(shè)計(jì)對(duì)礦山巷道取v=10 cm/s進(jìn)行控制，安全距離與單響藥量關(guān)系見(jiàn)表4：

表4 安全距離與單響藥量關(guān)系表

3.2 爆破震動(dòng)實(shí)測(cè)情況

爆破震動(dòng)采用NUBOX6016型儀器進(jìn)行震動(dòng)測(cè)試.

（1）測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表 5）.

表5 爆破震動(dòng)測(cè)試結(jié)果

（2）結(jié)果分析

①本次爆破共裝炸藥504 kg，分7段起爆，最大單段藥量為75 kg；

②本次爆破測(cè)到震動(dòng)速度為：

測(cè)點(diǎn)1：25 cm/s（即主爆炮孔后方）；測(cè)點(diǎn)距離起爆中心7.6 m，爆帶后裂1.5 m，同一截面全振頻往后，振速作用較大；

測(cè)點(diǎn)2：2.4 cm/s（即巖石立柱另一面），測(cè)點(diǎn)布置在巖石立柱另側(cè)面，因主爆堆兩側(cè)采取預(yù)裂（減振）孔爆破，分段分層起爆，振速對(duì)巖石立柱作用較小.

③參照《爆破安全規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，礦山巷道的最大安全震動(dòng)速度為 15～30 cm/s（10～100 Hz），所以本次爆破震動(dòng)對(duì)巖石礦柱支撐是安全的.

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)采用預(yù)裂爆破與微差控制爆破技術(shù)，有效地控制了爆破震動(dòng)和空氣沖擊波對(duì)兩側(cè)礦柱及頂板的破壞影響，經(jīng)過(guò)多次爆破試驗(yàn)，并且對(duì)兩側(cè)礦柱進(jìn)行了震動(dòng)檢測(cè)，結(jié)果符合安全要求.

（2）在試驗(yàn)中采用正交爆破試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化,取得了中深孔鑿巖爆破效果為最優(yōu)的爆破參數(shù):底盤(pán)抵抗線為2.8 m;孔距為3.0 m;填塞長(zhǎng)度2.0 m.

（3）采用中深孔爆破每次爆破崩落礦量達(dá)2000余t，是原手風(fēng)鉆淺孔單次爆破量的5倍，鉆孔爆破成本由原來(lái)的4.3元/t，降低到3.7元/t，鏟裝運(yùn)效率提高了4倍，降低了礦山綜合成本，取得了較顯著成績(jī)，同時(shí)減少作業(yè)人員在頂板下作業(yè)的時(shí)間，礦山安全得到進(jìn)一步改善.

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The optimization of blasting parameters in the medium depth hole in a limestone mine

RAO Yun-zhang1,WANG Chun-hua1,HUANG Tie-ping2,PENG Le-ping2

(1.School of Resource and Environment Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China;2.Guangzhou Metallurgy and Architecture Institute of Mining Design and Research,Guangzhou 510080,China)

A limestone mine is characterized by heavy labor intensity,low production efficiency and poor safety.The medium-length hole blasting technology in pillar and room method was implemented by designing and optimizing open bench blasting parameters.Using orthogonal experiments,three main influential factors of blasting such as the resistance wire,array pitch of hole and stemming length have been optimized.In addition,blast vibration tests were carried out.The relative blast parameters for medium-length hole blasting were ascertained which reduced the ratio of lumpy block,improved the blasting effect and lowered cost of production.

medium-length hole;orthogonal experimental;blasting parameter;bench blasting;blasting vibration

TD235.4

A

1674-9669（2011）06-0047-05

2011-05-10

饒運(yùn)章（1963- ），男，博士，教授，主要從事采礦工程和環(huán)境巖土方面的教學(xué)科研工作，E-mail:raoyunzhang@sohu.com.