露天煤礦的臺(tái)階高度對(duì)拋擲率的影響*

李祥龍，劉殿書，何麗華，欒龍發(fā)，，張智宇，

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093;2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;3.昆明冶金高等?？茖W(xué)校礦業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650033)

提高露天礦山的臺(tái)階高度是大型露天礦生產(chǎn)中一個(gè)十分重要的問題。長(zhǎng)期以來，我國露天礦山的臺(tái)階高度，一般為10～12 m。近年來，許多露天礦，特別是大型露天礦采用的穿孔、裝載、運(yùn)輸設(shè)備不斷更新，為采用高臺(tái)階生產(chǎn)工藝提供了可能［1-2］。臺(tái)階高度小，已經(jīng)嚴(yán)重限制了大型設(shè)備生產(chǎn)效率和礦山生產(chǎn)能力，增大臺(tái)階高度可減少大型設(shè)備的移動(dòng)，提高生產(chǎn)效率，改善破碎效果，降低生產(chǎn)成本［3］。臺(tái)階高度對(duì)拋擲爆破效果的影響是高臺(tái)階拋擲爆破中亟待解決的問題，本文中將依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)高臺(tái)階拋擲爆破實(shí)驗(yàn)研究臺(tái)階高度對(duì)拋擲率的影響規(guī)律。

1 臺(tái)階高度對(duì)拋擲爆破效果的影響分析

1.1 拋擲率及其計(jì)算方法

拋擲率是指運(yùn)用拋擲爆破技術(shù)將盡可能多的剝離巖石直接拋入采空區(qū)且不需要二次搬運(yùn)的部分與拋擲爆破破碎巖石總體積的百分比，在圖1中即A部分巖石與拋擲爆破破碎巖石總體積的百分比［4］

式中:Ep為拋擲率;VE為拋擲到空區(qū)且不需要二次運(yùn)輸?shù)膸r石體積;VZ為拋擲爆破破碎巖石的總體積。

顯然，拋擲率越大，拋擲爆破效率越高，這個(gè)指數(shù)直觀反映高臺(tái)階拋擲爆破的經(jīng)濟(jì)效果，也是評(píng)價(jià)拋擲爆破成敗的重要指標(biāo)。

1.2 拋擲爆破效果分析

露天礦拋擲爆破的目標(biāo)將近可能多的上覆巖體拋擲出去，成功與否決定于臺(tái)階高度H和采場(chǎng)寬度B。南非露天礦公司研究成果表明［5-6］，拋擲量和臺(tái)階高度H與采寬B之比呈線性關(guān)系，如圖2所示。因此，臺(tái)階高度越大，拋擲量越大，拋擲率越高，拋擲單位體積巖體的費(fèi)用也就越低。

圖1 拋擲爆破爆堆剖面圖Fig.1 A cross-sectional sketch of cast blastingmuckpile

1.2.1 增大臺(tái)階高度可提高炮孔利用率［7］

露天礦深孔臺(tái)階爆破，從對(duì)巖石的不同破碎作用看，沿炮孔深度可分為3個(gè)部分:超深、填塞和裝藥。在一定范圍內(nèi)，超深和填塞高度并不隨臺(tái)階高度增加而成比例增大。隨著臺(tái)階高度增加炮孔裝藥空間所占的比例提高，因而炮孔利用率得到提高。

在其他條件不變時(shí)，增大臺(tái)階高度將使底部抵抗線增大，這時(shí)需要采用大直徑傾斜深孔，或擴(kuò)大深孔底部直徑，或縮小抵抗線，相應(yīng)地增大炮孔間距。總之，在增加臺(tái)階高度的同時(shí)，必須尋求相應(yīng)的合理爆破參數(shù)［8］。

1.2.2 增大臺(tái)階高度可改善破碎效果

爆破理論認(rèn)為，延長(zhǎng)炮孔中爆炸氣體作用時(shí)間是增強(qiáng)爆破作用，提高破碎程度的一個(gè)主要途徑。炮孔中爆炸壓力隨炸藥的密度、爆速、裝藥高度變化的關(guān)系，可表示為

圖2 拋擲率和孔深與采寬比的關(guān)系Fig.2 Blast cast percentage varied with blast depth-width ratio

式中:p為爆炸壓力;ρ為裝藥密度;D為炸藥爆速;L為裝藥高度;t為爆炸氣體作用時(shí)間。

從上式可以看出，對(duì)于給定的D、ρ和L，存在P=f(t)關(guān)系。所以在超深和填塞高度不變條件下，如果臺(tái)階高度變化，P=f(t)的具體函數(shù)關(guān)系也將變化。如圖3所示，炸藥的裝藥密度ρ=1.16 g/cm3，爆速D=3 600 m/s時(shí)，臺(tái)階高度由10 m變化至45 m。爆炸壓力P隨作用時(shí)間t變化的關(guān)系，說明臺(tái)階高度愈大，爆炸作用時(shí)間愈長(zhǎng)。從延長(zhǎng)爆炸作用時(shí)間可增強(qiáng)爆破破碎效果來看，適當(dāng)增大臺(tái)階高度是合理的。

1.2.3 增大臺(tái)階高度可提高拋擲距離［9-12］

對(duì)于高臺(tái)階深孔拋擲爆破過程中，若不計(jì)空氣阻力的作用，巖塊僅受重力作用，將沿彈道軌跡運(yùn)行。巖石拋擲堆積的落點(diǎn)和巖石拋擲前有相對(duì)高差H，拋擲體的拋擲距離s'為

圖3 爆炸壓力隨作用時(shí)間變化的關(guān)系Fig.3 Explosion pressure varied with action time

式中:φ為巖石的拋擲角;v為巖石爆破后拋擲的初速度。

由此可知，當(dāng)拋擲初速度和拋擲角確定時(shí)，拋擲距離都隨著臺(tái)階高度增加而增大。

臺(tái)階爆破的最遠(yuǎn)拋擲距離與臺(tái)階高度的關(guān)系為

式中:k為巖石系數(shù);f為巖石的普氏系數(shù)，k的取值與f相關(guān)

2 臺(tái)階高度對(duì)拋擲率的影響實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)

采用MDL高精度激光掃描儀對(duì)坡頂面、煤頂板、煤底板、臺(tái)階坡面、拋擲爆破前坡面及采空區(qū)的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并與拋擲爆破后爆堆掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與可視化，最終得到爆堆形態(tài)三維數(shù)字化圖。

在爆堆三維可視化圖上每隔一個(gè)炮孔位置切一次剖面，統(tǒng)計(jì)該剖面上所包含的數(shù)據(jù)信息包括:臺(tái)階高度H、孔距a、排距b、最小抵抗線W、最遠(yuǎn)拋距Lm、單耗q、巖石實(shí)方體積、巖石松散體積、有效拋擲巖石的松散體積、采空區(qū)上口寬度Lk、煤層厚度Hc、煤層坡面傾角α等參數(shù)。其中以剖面面積代表巖石體積，并假設(shè)爆堆各處巖石松散系數(shù)相等，巖石經(jīng)倒堆后形成坡面傾角為松散巖體的自然安息角。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)炮孔直徑Φ=311 mm、炮孔傾角φ=65°、孔距a=7 mm、排距b=11 mm、最小抵抗線W=7 m、采場(chǎng)寬度B=80 m。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案1

選取第18次和第19次的統(tǒng)計(jì)平均炸藥單耗q=0.65 kg/m3，選擇7組剖面作為研究對(duì)象，各剖面臺(tái)階高度分別為:35.2、35.4、35.6、37.4、39.9、40.1、43.1 m，具體參數(shù)如表1所示。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方案2

實(shí)驗(yàn)方案2選取第13次、第22次和第29次的統(tǒng)計(jì)平均單耗q=0.70 kg/m3，選擇 11 組剖面作為研究對(duì)象，各剖面臺(tái)階高度分別為:28.4、29.8、29.9、31.8、33.8、34.3、34.5、35.2、35.3、36.4、37.5 m，具體參數(shù)如表2所示。

表中，VA為實(shí)方體積，ξ為松散系數(shù)，其余各量同式(1)，P18-18表示第18次實(shí)驗(yàn)的第18個(gè)剖面。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表(q=0.70 kg/m3)Table 2 Statistical table of site test(q=0.70 kg/m3)

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表(q=0.65 kg/m3)Table 1 Statistical table of site test(q=0.65 kg/m3)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選擇表2與表3中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)作圖，臺(tái)階高度H對(duì)最遠(yuǎn)拋距Lm的影響規(guī)律如圖4所示，對(duì)拋擲率Ep的影響規(guī)律如圖5所示。由圖4和圖5可以看出，爆堆最遠(yuǎn)拋距和拋擲率隨著臺(tái)階高度的增加而增大。

圖4 L m隨H變化關(guān)系圖Fig.4 Relations between L m and H

圖5 E p隨H變化關(guān)系圖Fig.5 Relations between E p and H

列舉表2中P22-6和P29-3爆堆作為說明，前者臺(tái)階高度大于后者，爆堆較平滑，表明臺(tái)階上下各點(diǎn)巖塊移動(dòng)速度差較小，增大臺(tái)階高度使得炸藥在炮孔中能量分布較合理并得到有效利用。采空區(qū)內(nèi)爆堆厚度增加，拋入采空區(qū)的巖石量大，拋擲效率高，易于場(chǎng)地平整和拉斗鏟作業(yè)。

當(dāng)拋擲爆破其它參數(shù)一定時(shí)，隨著臺(tái)階高度的增加，拋擲率增大的幅度逐漸減小。表明當(dāng)臺(tái)階高度增大到一定的值以后，再增大臺(tái)階高度對(duì)拋擲率提高影響開始減弱。圖5中，當(dāng)q=0.70 kg/m3，H＞37 m時(shí)，隨臺(tái)階高度增加拋擲率提高程度不大，甚至停留在47%左右，所以適當(dāng)增加臺(tái)階高度能提高拋擲率，改善拋擲爆破效果。單靠提高臺(tái)階高度來獲取較高拋擲率的方法受采場(chǎng)條件和鉆采機(jī)械設(shè)備的限制，如臺(tái)階過高易使臺(tái)階坡面塌方，給下一循環(huán)布孔設(shè)計(jì)和鉆孔帶來困難，同時(shí)給出煤作業(yè)設(shè)備和人員安全帶來隱患。

當(dāng)臺(tái)階高度相同時(shí)，提高炸藥單耗可明顯提高拋擲率和爆堆前沿拋距。比較表1和表2可以明顯看出，當(dāng)臺(tái)階高度同為37.5m 時(shí)，q=0.70 kg/m3時(shí)，Lm=131.3m，Ep=46.69%;q=0.65 kg/m3時(shí)，Lm=98.2 m，Ep=31.59%。依據(jù)彈道理論，隨著臺(tái)階的增高，拋擲距離也會(huì)增加，因?yàn)樽杂陕潴w下落時(shí)間為t，則下落時(shí)間的增量與水平向平均速度之積就是拋擲距離的增加量。

Lm和H的擬合結(jié)果表明Lm和H存在線性關(guān)系，符合式(4)描述的線性關(guān)系。黑岱溝露天煤礦爆區(qū)巖體的可爆性為中爆和易爆巖體，f普遍小于6，然而k的取值范圍:當(dāng)q=0.70 kg/m3時(shí)，k=2.96～3.61;當(dāng)q=0.65 kg/m3時(shí)，k=2.40 ～2.64，均大于式(4)中所定義的k=1.5 ～2.0。對(duì)于高臺(tái)階拋擲爆破，因?yàn)楸频哪康牟煌?，為了提高拋擲率，采取較大的平均單耗，增強(qiáng)了拋擲效果，提高了拋擲距離，所以隨著單耗的增加系數(shù)k增大。

3結(jié)論

(1)爆堆最遠(yuǎn)拋距和拋擲率隨著臺(tái)階高度的增加而增大，最遠(yuǎn)拋距Lm和臺(tái)階高度H存在線性關(guān)系Lm=kH。當(dāng)q=0.65 kg/m3時(shí)，k=2.4 ～2.64，當(dāng)q=0.70 kg/m3時(shí)，k=2.96 ～3.61，隨著單耗的增加系數(shù)k增大。

(2)隨著臺(tái)階高度增大，爆堆變得更加平滑，表明臺(tái)階上下各點(diǎn)巖塊移動(dòng)速度差較小，巖體位移和能量沿臺(tái)階高度的分布越來越均勻。并且采空區(qū)內(nèi)爆堆厚度增加，拋入采空區(qū)的巖石量大，拋擲效率高，易于場(chǎng)地平整和拉斗鏟作業(yè)。

(3)當(dāng)拋擲爆破其他參數(shù)一定時(shí)，隨著臺(tái)階高度的增加，拋擲率提高的幅度逐漸減小。當(dāng)臺(tái)階高度增大到一個(gè)定值以后，再加大臺(tái)階高度對(duì)拋擲率提高的影響不大;當(dāng)q=0.70 kg/m3、H＞37 m時(shí)，拋擲率的提高幅度很小，甚至停留在約47%，所以適當(dāng)增加臺(tái)階高度能提高拋擲率，改善拋擲爆破效果。

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