露天礦復(fù)雜礦體大方量壓渣爆破試驗(yàn)

黃 磊，劉玉龍，張懷峰，謝 烽，周恕輝，汪志平

(1.中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029；2.北方爆破科技有限公司，北京 100097)

壓渣爆破又稱為留渣爆破或擠壓爆破，是在爆破區(qū)塊自由面前留存一定厚度的爆破未清理完的松散渣堆，利用渣堆有限的爆破補(bǔ)償空間控制礦巖爆破位移的爆破技術(shù)[1-4]。壓渣爆破可有效控制爆破礦巖邊界移動，便于爆后的分采分裝，降低礦石損失率和貧化率，還有利于改善爆破質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率[5]。壓渣爆破在國內(nèi)的德興銅礦、白云鄂博鐵礦、齊大山鐵礦、大孤山鐵礦、霍林河南露天煤礦等[6-8]露天礦山已得到了廣泛生產(chǎn)應(yīng)用。

國內(nèi)科技工作者也在積極探索和改進(jìn)壓渣爆破工藝和技術(shù)。張生善等[9]對海州露天煤礦壓渣爆破長期生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明壓碴爆破可降低大塊率，使電鏟效率提升10%，爆堆前沖距離可控制在10 m以內(nèi)。陳名英等[10]研究了露天爆破開采過程中滾石產(chǎn)生的機(jī)理，建立了簡化的邊坡滾石運(yùn)動學(xué)模型，提出了預(yù)留巖墻的微差松動爆破方案，有效控制了滾石運(yùn)動危害。顧春雷等[11]總結(jié)白云鄂博西礦爆破經(jīng)驗(yàn)指出，考慮巖石破裂發(fā)展速度和向外移動速度等因素，根據(jù)巖石硬度系數(shù)調(diào)整壓渣爆破間隔時(shí)間，同時(shí)保證壓渣厚度小于底盤抵抗線，取得較好爆破效果。張超[12]對三道莊鉬鎢礦的渣堆厚度、爆破單耗、孔距、抵抗線等進(jìn)行爆破優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果表明前排孔單耗0.75～0.81 kg/m3、孔排距8 m×5 m、壓碴厚度10 m時(shí)，爆破效果最佳。汪高龍等[13]結(jié)合壓渣爆破破巖機(jī)理采用逐孔起爆技術(shù)方案，在渣體厚度3.5 m、起爆間隔50 ms、炸藥單耗0.45 kg/m3、前排單孔裝藥量130 kg、后排單孔裝藥量100 kg情況下，降低了巖石大塊率。

目前露天礦壓渣爆破試驗(yàn)研究和生產(chǎn)應(yīng)用以小方量爆破為主，壓渣爆破排數(shù)一般為3～7排。關(guān)于如何在露天復(fù)雜礦體大方量爆破中發(fā)揮壓渣爆破技術(shù)的優(yōu)勢，目前缺乏系統(tǒng)研究，鑒于此，本文在非洲某大型露天鈾礦開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，重點(diǎn)研究復(fù)雜礦體大方量壓渣爆破在縱深方向上的爆破質(zhì)量變化和礦廢混合情況，以期為大方量壓渣爆破應(yīng)用研究提供參考和輸入。

1 工程概況與試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

湖山鈾礦位于非洲納米比亞西部沿海的沙漠地區(qū)(圖1)，礦床類型為白崗巖型鈾礦床，主要由1號和2號帶組成，礦床走向?yàn)楸睎|-西南，長度近6 km，礦床傾向東南，延伸深度達(dá)400 m。地層垂向上由表及底依次為第四紀(jì)沉積物蓋層、鈣結(jié)礫巖層和基巖，鈾礦床主要位于鈣結(jié)礫巖及基巖中。湖山鈾礦資源總量大，位居全球第三，但礦床賦存條件較復(fù)雜，單個(gè)礦體的規(guī)模較小，實(shí)現(xiàn)分爆分采難度較大。設(shè)計(jì)的臺階高度為15 m和7.5 m，其中15 m用于剝離廢石，7.5 m用于開采礦石，每年的剝采總量約1億t。主要鏟裝設(shè)備為斗容61 m3的電力繩鏟和31 m3的液壓鏟，運(yùn)輸設(shè)備為載重330 t的自卸式礦卡。為了滿足大型設(shè)備的生產(chǎn)效率，湖山鈾礦采用大方量爆破，單次爆破炮孔排數(shù)15～40排，爆破方量為30～120萬t。

圖1 湖山鈾礦布局圖Fig.1 Layout of Husab mine

1.2 試驗(yàn)方案

壓渣爆破試驗(yàn)選取該礦2號坑2期2B30D027礦石區(qū)塊進(jìn)行試驗(yàn)，爆破試驗(yàn)區(qū)塊位置及爆破孔位如圖2所示。此次爆破采用現(xiàn)有的清渣爆破孔網(wǎng)參數(shù)，在自由面留置8～15 m寬的松散渣體。爆破采用魚骨型起爆網(wǎng)絡(luò)起爆，炮孔排數(shù)18排，爆破方量35萬t，爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖2 試驗(yàn)區(qū)塊位置及爆破孔位圖Fig.2 Location and blasting hole location map of test block

表1 壓渣爆破試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of buffer blast test

2 爆堆形態(tài)與塊度分析

2.1 爆破位移分析

爆破前，在爆破區(qū)塊周邊標(biāo)記4個(gè)坐標(biāo)控制點(diǎn)(圖3)。以控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，利用無人機(jī)對試驗(yàn)區(qū)塊的爆前和爆后形態(tài)進(jìn)行三維掃描，利用Pix4D軟件進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)生成點(diǎn)狀云圖，再在三維礦業(yè)軟件DATAMINE中生成三維數(shù)字模型，如圖4所示，試驗(yàn)區(qū)塊在爆后形成2條隆起帶，隆起最大高度為13～14 m，分析隆起產(chǎn)生原因是，第1條隆起由壓渣渣體和前中部爆炸能量擠壓形成；隨著炮孔排數(shù)增加，后排的被爆巖體已基本失去自由面，水平方向可移動空間較小，于是以垂向移動為主，形成第2條隆起?？拷w的隆起(A-B-C)整體高于遠(yuǎn)離渣體的隆起(D-E-F)，說明靠近渣體的爆堆相對松散，遠(yuǎn)離渣體的爆堆相對密實(shí)。

圖3 坐標(biāo)控制點(diǎn)標(biāo)記及試驗(yàn)所用的無人機(jī)Fig.3 Coordinate control point marking and the drone used in the test

圖4 試驗(yàn)區(qū)塊爆堆三維模型及剖面圖Fig.4 Three dimensional model and section of blast heap of test block

2.2 爆破塊度分析

將試驗(yàn)區(qū)塊爆堆大致均分為兩部分，靠近渣體的稱為松散區(qū)，遠(yuǎn)離渣體的稱為密實(shí)區(qū)。為比較松散區(qū)和密實(shí)區(qū)的塊度差異，分別在松散區(qū)和密實(shí)區(qū)選取有代表性的斷面進(jìn)行分析。圖5為礦巖直觀塊度大小，由圖5可以看出，松散區(qū)礦巖塊度更優(yōu)，分析原因是松散區(qū)礦巖在爆破過程中爆破作用時(shí)間長，礦巖相互擠壓更充分，故有利于提升爆破效果。由圖6可知，試驗(yàn)區(qū)塊礦巖塊度小于0.25 m的占比65%以上，0.25～1.0 m占比30%，塊度分布呈收斂趨勢，松散區(qū)的收斂速度大于密實(shí)區(qū)，說明大方量壓渣爆破在達(dá)到一定縱深后，后排的爆堆塊度質(zhì)量會下降，爆破效果變差。

圖5 不同爆堆區(qū)域礦巖塊度對比Fig.5 Comparison of rock mass distribution in different areas of blast heap

圖6 不同爆堆區(qū)域礦巖塊度分布占比Fig.6 Proportion of rock mass distribution in different areas of blast heap

2.3 鏟裝效率分析

爆堆松散系數(shù)和破碎系數(shù)是影響電鏟鏟裝效率的主要因素，當(dāng)松散系數(shù)和破碎系數(shù)越大，表明爆堆礦巖堆存較松散、礦巖塊度較小，電鏟作業(yè)時(shí)阻礙因素小，作業(yè)效率高。參照2.2節(jié)，同樣將試驗(yàn)區(qū)塊分為松散區(qū)和密實(shí)區(qū)兩部分，圖7顯示了電鏟在松散區(qū)和密實(shí)區(qū)的裝載效率變化情況，由圖7可知，電鏟在松散區(qū)的鏟裝效率要大于密實(shí)區(qū)的鏟裝效率，說明松散區(qū)的爆破效果要優(yōu)于密實(shí)區(qū)，大方量壓渣爆破的爆破效果在縱深方向上逐漸變差。

圖7 不同爆堆區(qū)域電鏟的鏟裝效率Fig.7 Shovel productivity in different areas of blast heap

在后續(xù)的大方量壓渣爆破試驗(yàn)中，擬根據(jù)爆堆形態(tài)、松散系數(shù)、鏟裝效率等綜合指標(biāo)界定松散區(qū)和密實(shí)區(qū)邊界，施行“一個(gè)爆破區(qū)塊，兩套爆破參數(shù)”策略，即在松散區(qū)沿用現(xiàn)有清渣爆破參數(shù)，在密實(shí)區(qū)研究制定一套更合理的爆破參數(shù)，以期進(jìn)一步提升大方量壓渣爆破的爆破效果。

3 試驗(yàn)區(qū)塊礦廢混合情況分析

湖山鈾礦采用礦巖混爆，按照礦石品位高低(特高VHG、高HG、中MG、低品位LG)和酸耗(1、2、3檔)高低，湖山鈾礦將礦石分為12種類型，每種類型礦石在儲礦堆單獨(dú)堆存。爆破前，通過礦石組合模型(Composite Model)統(tǒng)計(jì)爆破區(qū)塊內(nèi)各礦塊的設(shè)計(jì)可采的礦石數(shù)量和品位。爆破后，鏟車通過定位系統(tǒng)確定礦巖界限并進(jìn)行鏟裝，通過卡車稱重系統(tǒng)對每車載重進(jìn)行記錄并自動錄入調(diào)度系統(tǒng)。利用自行設(shè)計(jì)研發(fā)的門式卡車掃描站對采出的礦石品位進(jìn)行在線測量。試驗(yàn)區(qū)塊內(nèi)各個(gè)礦塊的礦量變化和品位變化統(tǒng)計(jì)情況如表2和表3所示。

表2 試驗(yàn)區(qū)塊礦量變化和品位變化統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of ore quantity change and grade change of test block

表3 試驗(yàn)區(qū)塊廢石裝載量變化統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of waste rock loading quantity of test block

從表2、表3可知，試驗(yàn)區(qū)塊礦量總體增加了14.6%，品位下降了4%，而廢石量減少了28.8%，說明試驗(yàn)區(qū)塊在爆破過程中引起了一定的礦廢互混，礦石被其他部位的廢石稀釋，造成了礦石品質(zhì)下降。從礦巖量變化的位置來看(詳見圖8)，MG2_3，LG1_1，廢石_3，廢石_4和廢石_5的礦巖量明顯減少，這些礦巖區(qū)塊集中在后部。而VHG2_1，HG2_1，HG2_3，特別是MG1_2和LG1_2等靠近渣體的礦巖區(qū)塊礦量增加明顯。由于中后部礦巖混入前部，也造成靠近渣體的特高和高品位礦石出現(xiàn)明顯貧化。分析原因是在爆炸能量推擠下，遠(yuǎn)離渣體的礦巖一部分進(jìn)入前部，與靠近渣體的礦巖發(fā)生混合，使得松散區(qū)礦廢互混更加明顯且礦巖量增加，密實(shí)區(qū)則主要表現(xiàn)為礦巖量減少，品位變化不大。因此，對于礦巖混爆的復(fù)雜礦體，應(yīng)盡量讓垂直渣體方向的礦石品位一致，以減少爆破產(chǎn)生的礦廢混合。

圖8 各礦巖區(qū)塊在試驗(yàn)區(qū)塊中的位置Fig.8 Location of each ore rock blocks in test block

4 結(jié)論與建議

1)壓渣爆破延長爆破作用時(shí)間，提高炸藥能量利用率，增加礦巖之間的擠壓破碎，可改善爆破效果。壓渣爆破有利于增大爆堆礦巖松散系數(shù)和破碎系數(shù)，控制礦巖拋擲距離，提高鏟裝效率。

2)通過統(tǒng)計(jì)分析，得出了靠近渣體爆堆(松散區(qū))比遠(yuǎn)離渣體爆堆(密實(shí)區(qū))的隆起高度更大，松散系數(shù)和破碎系數(shù)更大，塊度平均尺寸更小，電鏟鏟裝效率更高，揭示出大方量壓渣爆破的爆破效果沿縱深方向變差。

3)計(jì)算了礦巖互混情況，試驗(yàn)區(qū)塊爆后礦量增加14.6%，品位下降4%，廢石量減少28.8%，其中松散區(qū)礦廢互混更加明顯且礦巖量增加，密實(shí)區(qū)礦巖量減少，品位變化不大。由此得出，對于礦巖混爆的復(fù)雜礦體，應(yīng)盡量讓垂直渣體方向的礦石品位一致，以減少爆破產(chǎn)生的礦廢混合。

4)采用一套爆破參數(shù)實(shí)施大方量壓渣爆破，爆堆在達(dá)到一定縱深后會產(chǎn)生“密實(shí)效應(yīng)”。在后續(xù)的大方量壓渣爆破試驗(yàn)中，建議按照“一個(gè)爆破區(qū)塊，兩套爆破參數(shù)”的思路開展爆破設(shè)計(jì)和優(yōu)化。