地下礦山極堅硬礦巖中深孔采礦降低大塊率措施*

劉允秋 王廣文

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.中國黃金集團資源有限公司)

地下礦山極堅硬礦巖中深孔采礦降低大塊率措施*

劉允秋1,2,3王廣文4

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.中國黃金集團資源有限公司)

地下礦山極堅硬礦巖中深孔采礦一次爆破大塊率高，不僅嚴重降低了采場的出礦能力，而且產生的大塊礦石需再次爆破，增加了炸藥消耗量，也給礦山的安全生產帶來了隱患。結合會寶嶺鐵礦井下采場中深孔爆破試驗，分析了采用分段空場法開采極堅硬礦巖時爆破產生大塊的主要影響因素，并提出了降低爆破大塊率的措施，取得了較好的經濟技術指標。

地下礦山 極堅硬礦巖 中深孔爆破 大塊率 分段空場采礦法

在堅硬或極堅硬以及節(jié)理裂隙較發(fā)育的礦巖中, 若某種爆破參數(shù)不合理, 易造成礦石爆破大塊率過高。較高的大塊率不僅增加了二次破碎工作量，而且降低了鏟裝和運輸?shù)墓ぷ餍?，增加了選廠破碎、磨礦設備的磨耗及作業(yè)成本。因此嚴格控制臺階深孔爆破大塊率，對于提高礦山生產的總體經濟效益具有重要作用。

1 礦區(qū)概況

會寶嶺鐵礦是由山東省臨沂礦業(yè)集團公司控股的國內大型地下金屬礦山，隸屬蒼山縣尚巖鎮(zhèn)管轄。會寶嶺鐵礦床為隱伏礦床，發(fā)育2條主礦帶，總體走向280°～290°，平行展布，相向而傾，表現(xiàn)為不對稱向斜構造特征(太白向斜東段)，礦帶頂?shù)装鍑鷰r為黑云角閃片巖或黑云變粒巖，礦體呈層狀、似層狀產出，礦體產狀與地層產狀一致。實驗室測定其巖石(硬度系數(shù)7～12)屬堅硬—極堅硬巖類，穩(wěn)固性好，礦體頂?shù)装鍘r體較完整，無需支護。該礦主要采礦方法為分段空場嗣后充填采礦法(圖1)，采場沿走向布置，長60 m，高70 m，礦體厚度即為礦塊寬度。

圖1 分段空場嗣后充填采礦法示意(單位：m)

目前，采場主要集中布置于-410～-130 m水平，礦房底部結構采用塹溝式底部結構，采場高分為3個分段，在每個分段沿礦體布置鑿巖巷道，在礦房中間布置切割天井，沿垂直于礦體的方向進行拉槽切割，為后期中深孔采礦預留爆破自由面。在采場采礦時，使用SimbaH1254型中深孔鑿巖臺車沿鑿巖巷道布置扇形孔，每次爆破2～3排，礦石經鏟運機搬運至采場溜井，溜井口上鋪設格柵(規(guī)格700 mm×700 mm)，大塊礦石滯留于格柵上，后期進行二次爆破，過高的大塊率不僅增加了爆破炸藥量，增加了生產成本，而且增加了安全風險。

2 大塊產生的影響因素

2.1 礦巖固有性質

(1)巖石或巖層節(jié)理發(fā)育。當井下礦巖節(jié)理裂隙較發(fā)育時，部分爆破能量沿裂隙傳開，難以形成徑向和環(huán)狀裂隙，僅能在爆生氣體膨脹壓力的作用下沿自身的裂隙分離形成大塊。

(2)爆破振動。隨著礦房爆破回采的進行，采場形成大面積采空區(qū)，圍巖受爆破振動的影響，導致裂隙增大，片幫大塊增多。

2.2 炮孔施工質量

在井下炮孔布設過程中，采場底板不平整，轉機支架固定角度不精確，導致個別炮孔角度偏大，炮孔深度參差不齊，炮孔偏離設計同一平面等現(xiàn)象的出現(xiàn)，導致爆破效果降低，無法按照設計要求順利完成中深孔爆破作業(yè)。當?shù)V巖承受炸藥應力波不均衡時，在爆破能量較少的地段易產生過多的大塊。

2.3 現(xiàn)場爆破裝藥質量

在使用井下裝藥器裝藥的過程中，由于裝藥技術水平、裝藥器長時間使用發(fā)生磨損等因素的存在，使得現(xiàn)場爆破裝藥質量降低，出現(xiàn)堵孔、卡孔現(xiàn)象，裝藥量明顯減少，導致爆能不足，無法完全破碎巖石，從而產生大塊。

2.4 爆破參數(shù)設計

(1)孔網參數(shù)。該礦山原設計的孔網密集系數(shù)(孔底距2 m，排距1.8 m，即密集系數(shù)約為1)偏低，當炸藥起爆時，在爆炸應力波的作用下相鄰炮孔間先產生裂隙，隨之爆破應力波進入裂隙，爆炸能量過早逸失，作用于巖石的時間大大縮短，破碎效果差，導致大塊率偏高。

(2)爆破網路。爆破網路直接影響了爆炸能量的作用方式，在現(xiàn)場作業(yè)中，為簡化操作，一般采用排內齊發(fā)爆破網路(即每排所有炮孔孔內裝入同一段別雷管，同時起爆)。該網路設計造成炸藥起爆后，爆炸應力波在炮孔連線方向疊加，爆能在徑向方向加強，瞬間達到最大值，在炮孔橫斷面產生了爆破切割作用，形成了爆破立槽，爆破能量無法完全作用于巖石，能量過早散失。

3 大塊率降低措施

3.1 加強地質編錄工作

不同礦山的水文地質條件差別較大，同一座礦山不同部位的巖石特性也不盡相同。巖石特性對于爆破破碎效果的影響程度大于炸藥類型。影響破碎效果的巖石特性包括抗壓強度、抗拉強度、密度、 傳播速度、硬度和地質構造。地質構造包括斷層走向、裂隙寬度和間距、巖層傾角、破碎帶構造等因素。因此，在中深孔爆破設計前應進行詳細的地質編錄，深入了解礦房內的節(jié)理裂隙等地質構造，并結合地質構造產狀，合理布置排面、排距，盡可能減小節(jié)理裂隙等構造對中深孔落礦的影響[1-2]。

3.2 提升爆破技術人員專業(yè)技能

(1)對采場爆破技術人員進行崗前培訓，加強中深孔采礦技術管理，對測量技術人員加強過程管理，精確放線布孔，確保爆破質量。

(2)嚴格執(zhí)行炮孔驗收制度，每次裝藥前應嚴格按設計說明書對炮孔的孔距、排距、孔深、傾角進行逐一查驗，根據(jù)檢查結果，適當調整裝藥量和聯(lián)線方式，確保不出現(xiàn)卡孔、堵孔現(xiàn)象。

3.3 提高裝藥質量

嚴格按照設計的裝藥參數(shù)進行準確裝藥，要求裝藥人員具備較高的技術水平。因此，有必要對裝藥技術人員進行崗前培訓、技術交底，通過不斷總結經驗，確保裝藥質量。在裝藥過程中，應由相關專業(yè)人員把關，杜絕出現(xiàn)裝藥密度不一致、裝藥不滿等現(xiàn)象。據(jù)以往經驗，炮孔可用炮泥全部堵塞，炮孔的封堵長度為最小抵抗線的1/5～1/2，相鄰炮孔取不同的封堵長度，避免炸藥集中。

3.4 優(yōu)化爆破參數(shù)

3.4.1 炸藥選型

炸藥的波阻抗與巖石的波阻抗相匹配時，炸藥傳遞給巖石的能量達到峰值，在巖石中引起的應變最大，可獲得較好的爆破效果。堅硬巖石的波阻抗較大，因此可選用爆速和爆力較高的炸藥。目前普遍使用的2#巖石硝銨炸藥波阻抗過小，對于堅硬致密巖石應盡可能選用爆速和爆力較高的乳化炸藥或根據(jù)巖石特性現(xiàn)場合成工業(yè)炸藥，在確保炸藥利用率最大、降低成本的同時，降低大塊率。

3.4.2 優(yōu)化孔網參數(shù)

大孔距小抵抗線爆破法特點：①有效利用前排孔及前排孔造成的裂隙破碎礦巖；②減小抵抗線有利于加強爆破的拋擲作用，增強擠壓爆破效果，提高礦巖破碎質量;③增大孔距，避免因孔距小在炮孔排面切斷礦巖產生大塊；④大孔距便于相鄰2排炮孔在排面上交錯布置使炮孔負荷均勻[3]。

炮孔密集系數(shù)(即指孔距與排距之比)通常大于1，在寬孔距、小抵抗線爆破中一般取3～4甚至更大值，當炮孔密集系數(shù)提高至2～3時，可使爆炸作用時間得以延長，在礦石脫離原礦體之前裂隙得到充分發(fā)展，從而降低大塊率[4]。會寶嶺鐵礦根據(jù)大孔距、小抵抗線爆破原理對原爆破孔網參數(shù)進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的炮孔最小抵抗線(排距)1.3 m，炮孔密集系數(shù)2.0，孔底距2.6 m，采用前后交錯的方式布置鑿巖扇形炮孔(圖2)，爆破效果得到了明顯改善。

圖2 扇形炮孔排間交錯布置

3.4.3 選擇合適的裝藥量

會寶嶺鐵礦巖石硬度較大，切割槽爆破炸藥單耗2.0～3.5 kg/m3，正排爆破炸藥單耗1.3～1.5 kg/m3，在確保經濟合理的情況下，大塊率明顯降低，炸藥消耗量與大塊率的關系見圖3。

3.4.4 合理分配裝藥量

相鄰炮孔炸藥爆破時，爆炸應力波沿相鄰炮孔產生裂隙，若各炮孔裝藥量保持一致，易導致炸藥大量集中于炮孔孔口，孔口位置產生過高的大塊率，因而在裝藥過程中，確保相鄰炮孔裝藥長度各不相同，是一種既優(yōu)化了爆破效果，節(jié)約了生產成本，又降低了大塊率的有效措施。炮孔布置及裝藥結構見圖4。

圖3 炸藥單耗與大塊率的關系

圖4 炮孔布置與裝藥結構

3.4.5 選用孔底起爆方式

會寶嶺鐵礦中深孔采礦選用孔底起爆方式，雷管放置于孔底起爆，避免了孔口起爆的炸藥高度集中、易產生大塊的不足，孔底起爆效果較好。

3.4.6 多排微差起爆，實現(xiàn)擠壓爆破

微差爆破是指相鄰炮孔或藥包之間的起爆時間間隔以毫秒計的延期爆破方式，又稱毫秒爆破[5]。該爆破方式在控制地震效應、擴大爆破規(guī)模、控制爆破塊度、改善爆破效果、充分利用爆能、降低炸藥單耗等方面成效顯著[6-7]。使用多排微差起爆，實現(xiàn)擠壓爆破，優(yōu)點有：①可創(chuàng)造更多的自由面，減小巖石爆破的夾制作用；②爆炸應力波相互疊加，礦巖相互破碎明顯，提高二次破碎效果；③爆生氣體在孔內作用時間延長，可降低起爆能量損耗，延長爆能對巖石的作用時間。現(xiàn)場實踐證明：多排孔微差爆破從 1排增加至 3排時，大塊率明顯降低。巖石力學參數(shù)見表1，爆破參數(shù)優(yōu)化前后對比見表2。

表1 巖石力學參數(shù)

4 結 語

以會寶嶺鐵礦為例，針對該礦井下中深孔爆破大塊率較高的問題，分析了影響大塊產生的因素，并給出了降低大塊率的措施，為類似礦山中深孔爆破作業(yè)提供參考。

表2 爆破參數(shù)對比

[1] 王占元.中深孔爆破技術在常村煤礦巖巷快速掘進中的應用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(5)：38-39.

[2] 王 濤，楊登躍，廖新朝.減少中深孔爆破大塊及根底的措施[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(4)：167-169.

[3] 張寶良.大孔距小抵抗線爆破技術在地下中深孔采場中的試驗[J].金屬礦山，2009(S)：476-477.

[4] 李得春，李金龍.井下深孔爆破產生大塊原因及處理[J].有色金屬：礦山部分，2005(9)：57-58.

[5] 牛 魁.逐孔微差爆破技術在黑溝溜井降段中的應用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(1)：60-61.

[6] 何 理，鐘冬望，劉 建，等.微差爆破試驗及爆破振動能量的小波包分析[J].金屬礦山，2014(6)：10-15.

[7] 崔正榮，張西良.梅山鐵礦深孔爆破合理微差時間研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(5)：9-10.

Reducing the Rate of Large Ore Blocks Measures of the Mining Process of Medium-length Hole Blasting of the Extra-hard Ore-bearing Rocks

Liu Yunqiu1,2,3Wang Guangwen4

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines;3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.;4.China Gold Group Resources Co.,Ltd.)

In the mining process of medium-length hole blasting of the extra-hard ore-bearing rocks, the rate of large blocks of the first blasting is high,which is not only affect the stope ore productivity capacity seriously, but also increase the explosive consumption by conducting the second blasting of the large ore blocks produced by the first blasting, and bring the hidden trouble for mine safety production. Combing with the medium-length hole blasting test of the underground stope of Huibaoling iron mine,the sub-level open stoping method is used to mining the extra-hard ore-bearing rocks,and the main influence factors of the large ore blocks produced in the process of medium-length hole blasting are analyzed, besides that, the measures of reducing the rate of large ore blocks are also discussed. The application results show that, the large ore blocks is reduced significantly by adopting the above measures, and some good economic and technical indicators are obtained.

Underground mine, Extra-hard ore-bearing rocks, Medium-length hole blasting, Rate of large ore blocks, Sub-level open stoping method

*“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB14B01)。

2015-08-17)

劉允秋(1988—)，男，工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經濟技術開發(fā)區(qū)西塘路666號。