河北某鐵礦掘進爆破參數(shù)的優(yōu)化與實踐

陳星東，徐 沖，高衛(wèi)東，吳成雙

(1．武警黃金第十一支隊，西藏 拉薩850000;2．首鋼礦業(yè)公司，河北 遷安064404;3．唐山恒盛爆破工程有限公司，河北唐山064404)

0 引言

河北某鐵礦年設計產(chǎn)量為320萬t，采用無底柱分段崩落采礦法采礦，開拓方式為主副井斜坡道聯(lián)合開拓。該礦于2006年4月開始基建，2011年8月基建工程全部完工投產(chǎn)。獨立生產(chǎn)初期，掘進爆破參數(shù)借鑒了中國五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦的施工情況。但因兩礦工程地質(zhì)條件存在差異，借鑒的爆破參數(shù)在礦山實際應用過程中效果并不理想。為確保正常爆破崩落成巷，該礦生產(chǎn)初期改進的爆破參數(shù)偏向于多打眼、多裝藥，造成的后果是每循環(huán)穿孔時間長，一個班完不成一個工作面穿孔工作，增加了輔助工作時間，同時爆破后炮孔利用率較低，巖石碎塊拋擲遠，爆堆不集中，巷道超挖量大，光面爆破效果差，單次掘進炸藥單耗高達2.64 kg/m3。以上問題影響了該礦巷道掘進的速度，增加了出渣量和支護材料消耗，也降低了巷道的穩(wěn)定性和安全性。據(jù)2011年統(tǒng)計，該礦Boomer 281型掘進臺車平巷掘進效率77 m/臺月，較國內(nèi)同行業(yè)領先水平低39%。掘進效率低下，影響了礦山三級礦量指標的完成。如何提高巷道掘進效率，降低巷道掘進成本，改善爆破效果成為當時該礦平巷掘進爆破工作中急需解決的重要課題。

1 工程地質(zhì)

該鐵礦礦床屬于鞍山式沉積變質(zhì)貧鐵礦床，賦存于太古代遷西群三屯營組黑云變粒巖、淺粒巖、斜長角閃巖及混合巖中。由于受F9斷層破壞，礦床被分割為2部分。礦石物質(zhì)組成較簡單，屬于中硫、低磷、貧磁鐵礦石。金屬礦物主要礦石礦物為磁鐵礦，其次為黃鐵礦。脈石礦物主要為石英、鎂鐵閃石及輝石。礦石結構多為粒狀變晶結構，礦石構造多為條紋、條帶狀構造和片麻狀構造，按礦石礦物成分、結構構造可劃分為3種礦石自然類型:角閃磁鐵石英巖、輝石磁鐵石英巖及赤鐵石英巖。礦巖普氏硬度系數(shù)f為10～14。巷道穿越地段按圍巖巖性分級劃分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖。Ⅱ級圍巖巖質(zhì)堅硬、圍巖穩(wěn)定，Ⅲ級圍巖巖質(zhì)弱風化，裂隙較發(fā)育，圍巖基本穩(wěn)定，Ⅳ、Ⅴ級圍巖裂隙發(fā)育，巖體為破碎結構，圍巖穩(wěn)定性差，易掉塊。

2 鑿巖設備與爆破器材

2．1 鑿巖設備

該鐵礦平巷掘進鑿巖施工設備為瑞典阿特拉斯·科普柯公司生產(chǎn)的Boomer 281型掘進臺車，專用于地下礦山的平巷開拓與采準施工，動力為柴油驅(qū)動、電動液壓鑿巖，臺車釬桿長3.7 m，鉆孔深度最深可達3.4 m，鉆孔直徑可選擇不同鉆頭而設定，其主要特點為:(1)臺車設備性能先進，鑿巖效率高;(2)臺車設備的操作及自動控制均為液壓控制，性能穩(wěn)定可靠;(3)臺車能極大降低勞動強度，安全保護性好，但操作臺距離掌子面遠，鉆孔受視距影響，定位比較難;(4)設備維護和保養(yǎng)要求較高，當班作業(yè)率受限。

2．2 爆破器材

在爆破器材的選用方面，掘進斷面周邊眼選用2號巖石乳化藥卷裝藥，外形規(guī)格為32 mm×330 mm，每卷質(zhì)量0.3 kg，采用不耦合空氣柱間隔裝藥結構，減少炸藥爆能對巷道周邊圍巖的破壞。而輔助眼選用的2號巖石乳化藥卷規(guī)格為36 mm×450 mm，每卷質(zhì)量0.5 kg，減小不耦合裝藥系數(shù)，提高爆破崩落效果。起爆器材選用秒延期非電管及導爆索，炮孔內(nèi)選用4.5 m型秒延期非電管，同時周邊眼內(nèi)并聯(lián)導爆索達到齊發(fā)爆破效果、孔外聯(lián)線選用20 m型秒延期非電管。

3 原爆破參數(shù)與存在的問題

3．1 原爆破參數(shù)

鐵礦巷道斷面規(guī)格為17.12 m2(4.8 m×3.85 m)，掏槽孔深3.6 m，輔助眼與周邊眼3.3 m，炮孔孔徑45 mm，掏槽空孔孔徑102 mm。掘進工作面共布孔69個，掏槽形式采用直眼五星掏槽，其中掏槽眼9個(掏槽空孔4個)、輔助眼23個、幫眼12個、頂眼16個、底眼7個，水溝眼2個。周邊眼采用2號巖石乳化藥卷(32 mm×330 mm)間隔裝藥，其它炮孔采用2號巖石乳化藥卷(36 mm×450 mm)連續(xù)裝藥，一次全斷面爆破，總裝藥量132 kg，秒延期非電管4.5 m型79發(fā)，毫秒延期非電管20 m型3發(fā)，共82發(fā)，周邊眼導爆索使用量3.5 m/每眼，共98 m，炸藥單耗2.64 kg/m3。具體設計如圖1和表1所示。

圖1 原爆破設計的布孔

表1 原爆破設計裝藥參數(shù)

3．2 存在的問題

(1)炮孔孔數(shù)過多，掘進效率低。原爆破參數(shù)炮孔孔數(shù)較多，孔網(wǎng)過于密集，在實際鑿巖施工過程中，鑿巖時間相對較長，每個工作面鑿巖時間約12～14 h，需2個班次完成鑿巖任務，導致掘進循環(huán)效率較低，全礦開拓礦量儲備速度慢，進而影響礦山后期生產(chǎn)。2011年該礦Boomer 281型掘進臺車平均臺車效率僅為77 m/臺月，遠低于國內(nèi)同行業(yè)礦山水平。

(2)炸藥單耗過大，掘進成本高。使用原爆破參數(shù)施工，炸藥使用量大，單次掘進裝藥量132 kg，爆破后造成圍巖破壞嚴重，巷道成形質(zhì)量差，不但增加了支護材料消耗，而且降低了巷道的穩(wěn)定性和安全性。2011年該鐵礦掘進炸藥單耗全年完成2.72 kg/m3，與國內(nèi)同類礦山相比，掘進成本明顯偏高。

3．3 原因分析

通過分析該礦原掘進爆破參數(shù)，筆者認為主要問題是炮孔布置不合理。初期技術人員為避免掘進爆破后根底的產(chǎn)生，認為炮孔孔網(wǎng)越密集，裝藥量越大，盲殘炮出現(xiàn)的概率就越小，掘進效率越高。而實際上該爆破參數(shù)未結合經(jīng)驗定額公式與該礦的巖石性質(zhì)、炸藥性能和炮孔直徑等因素，選擇合理炮孔間距值。炮孔間距過大，每個炮孔爆破后將形成多個“獨立”的爆破漏斗，兩孔間巖石所受應力不夠，無法達到正常的破碎，就會出現(xiàn)明顯根底;炮孔間距過小，則臨近炮孔爆破作用重疊過多，浪費炸藥，且拋渣過遠而不利于裝渣，同時巷道圍巖受爆破作用的擾動過大，光面爆破效果差，巷道成形質(zhì)量受到影響。所以針對原掘進爆破參數(shù)，主要從炮孔數(shù)量與布置方向入手優(yōu)化。

4 爆破參數(shù)優(yōu)化及效果

4．1 爆破參數(shù)優(yōu)化

只有確定正確的爆破參數(shù)，才能保證取得良好的爆破效果，在確定爆破參數(shù)時要遵循以下原則:一是炮眼利用率要高，炸藥、雷管的消耗要小;二是巷道尺寸應符合設計要求和井巷工程施工驗收規(guī)范的標準，巷道的方向和坡度均應滿足設計要求;三是對巷道圍巖的震動和破壞要小，以利于巷道的維護;四是巖石的塊度和巖堆的高度要適中，以利于提高裝巖效率。

要獲得好的掘進爆破效果和巷道質(zhì)量，就必須根據(jù)巷道圍巖條件合理地選擇掘進爆破參數(shù)。

4．1．1 裝藥消耗量

優(yōu)化掘進爆破參數(shù)以礦巖普氏硬度系數(shù)為基礎。該鐵礦礦巖硬度系數(shù)f為10～14，應結合礦巖性質(zhì)合理地確定掘進爆破炸藥單耗。一般可按《冶金礦山井巷工程預算定額》確定范圍，其值不但取決于巖石性質(zhì)，而且要考慮巷道斷面規(guī)格、炮眼直徑和深度因素，參考鐵礦實際情況，取f為12，確定掘進爆破炸藥單耗平均值為2.4 kg/m3，每循環(huán)所需炸藥量Q按下式計算:

Q=qV=qSLη

式中:q——單位炸藥消耗量，取 2.4 kg/m3;V——爆破巖石體積，m3;S——巷道掘進斷面積，17.12 m2;L——工作面炮眼平均深度，3.3 m;η——炮眼利用率(一般合理的炮眼布置利用率可達85%)。

將數(shù)值代入公式可得:Q=2.4×17.12×3.3×0.85=115.3 kg。

根據(jù)上式可得一個掘進循環(huán)的總裝藥量約為115.3 kg。

4．1．2 炮眼參數(shù)設計

掏槽眼的作用在于首先在工作面上將掏槽部分的巖石破碎并拋出，在只有一個自由面的基礎上崩出第二個自由面，為其他炮眼的爆破形成附加自由面。因鐵礦設計斷面大、進尺深，同時結合Boomer 281型掘進臺車的作業(yè)方式，掏槽眼布置仍舊不變，繼續(xù)采用直眼五星掏槽方式，但是增加了掏槽眼的填塞長度，每眼裝藥量由7卷降至6卷。

炮眼數(shù)量可由以下公式基本確定:

N=qSηm/(ap)

式中:N——炮眼數(shù)目，個;q——單位巖體炸藥消耗量，取 2.4 kg/m3;S——掘進面積，17.12 m2;η——炮眼利用率，85%;m——藥卷長度，0.33 m;a——炮眼裝藥系數(shù)，一般取0.5～0.8;p——每個藥卷質(zhì)量，0.3 kg。

將數(shù)值代入公式可得:N=2.4×17.12×0.85×0.33/(0.7×0.3)=55個。

圖2 優(yōu)化后設計的布孔

在確定掏槽形式后，可按照布置掏槽孔—周邊孔—輔助孔等順序合理的布置炮孔。在布置周邊眼時，應合理的確定其周邊眼間距，周邊光爆孔間距E和巖石的極限抗壓強度與極限抗拉強度的比值或炮孔直徑有關，一般有E=(10～14)d(其中d為光爆孔直徑)，故確定周邊眼間距應在500～600 mm合理。在布置輔助眼時，應特別注意均勻的光爆層是有效實現(xiàn)光面爆破不可忽視的環(huán)節(jié)，取光爆層厚度為周邊眼間距，即炮孔密集系數(shù)為1，輔助炮孔間距控制在700～850 mm，由內(nèi)向外逐排均勻交錯布置。最終確定穿孔總數(shù)為56個，其中掏槽眼9個(4個掏槽空孔)、輔助眼21個、幫眼8個、頂眼10個、底眼7個，水溝眼1個。炮眼所裝炸藥類型和原設計保持不變。具體設計如圖2和表2所示。

4．2 指標對比

經(jīng)過優(yōu)化后，主要是炮孔數(shù)量與輔助眼、周邊眼布置發(fā)生了變化，炮孔數(shù)量由原設計69孔減少至56孔，周邊眼間距由原來的350 mm增大到500～600 mm，輔助眼間距由原來的600 mm增加到700～850 mm。指標對比情況見表3。

4．3 實踐效果

4．3．1 降低了掘進爆破成本

經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后的爆破參數(shù)的不斷測試與實施，最終在該鐵礦取得了顯著的效果，炮孔利用率可以達88%以上，崩落的巖石塊度適中。而炸藥和雷管的消耗量進一步降低。與2011年相比，每立方米巖石炸藥消耗量、每立方米巖石導爆管消耗量、每立方米巖石導爆索消耗量都不同程度地降低，節(jié)約了火工材料，節(jié)省了經(jīng)費，降低了掘進爆破成本。具體數(shù)據(jù)見表4。

4．3．2 減少了每循環(huán)穿孔米道

掘進臺車每循環(huán)減少鑿巖13個孔，穿孔米道減少43 m，相比2011年，2012年共減少穿孔17.50萬m，2013年共減少穿孔19.87萬m，2014年1—6月共減少穿孔11.43萬m。按照每米穿孔單位成本18.43元/m計算，分別節(jié)省掘進施工費用322.53萬元、366.20萬元、210.66萬元。大大節(jié)約了掘進施工成本。

表2 優(yōu)化后裝藥參數(shù)

4．3．3 提高了掘進臺車效率

經(jīng)過優(yōu)化掘進爆破參數(shù)，減少了工作面穿孔個數(shù)，掘進巷道工作面布孔由69個優(yōu)化到56個，一個斷面減少了13孔的穿孔用時，最終達到了一個班次完成一個工作面的穿孔目標，從而大幅度提高了掘進臺車效率。據(jù)統(tǒng)計，2012年1月—2014年6月份臺車效率平均112.7 m/臺月，最高1130.5 m/臺月，相比2011年的平均臺車效率77 m/臺月提高了35.7m/臺月，提高幅度達46.4%。

5 結語

該鐵礦現(xiàn)已經(jīng)將優(yōu)化后爆破的參數(shù)進行了全面的推廣，并結合不同的礦巖條件衍生了多套新的爆破設計，從近幾年的巷道掘進爆破效果及技經(jīng)指標完成情況來看，優(yōu)化后的爆破參數(shù)符合鐵礦當前生產(chǎn)需要，能夠達到優(yōu)化爆破參數(shù)的預期效果。本工程的爆破參數(shù)優(yōu)化取得了如下成果:

表3 優(yōu)化前后爆破指標對比

表4 炸藥消耗與經(jīng)費對比

(1)該礦掘進臺車臺效指標達到了國內(nèi)領先水平;

(2)降低了掘進火工品成本，提高了巷道掘進效率，為該礦降本增效工作創(chuàng)造了條件;

(3)提高了開拓礦量的儲備速度，解決了礦山內(nèi)部采掘失調(diào)的矛盾，為后期生產(chǎn)的過渡與銜接創(chuàng)造了較好的條件。

［1］ 編委會．冶金礦山井巷工程預算定額［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2008．

［2］ 陳亞軍．非均質(zhì)巖體爆破設計方案優(yōu)化［J］．煤炭技術，2012，31(5)．

［3］ 戴俊，王樹仁，王野平．爆破工程［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2007．

［4］ 于亞倫．工程爆破理論與技術［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2008．

［5］ 陶紀南，張克利．土巖爆破相似律與爆破參數(shù)優(yōu)化［M］．北京:科學出版社，1998．

［6］ 張敏生，戚文革．礦山爆破［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2009．

［7］ 張富民．采礦設計手冊［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1987．

［8］ 高金石，張奇．爆破理論與爆破優(yōu)化［M］．陜西西安:西安地圖出版社，1985．

［9］ 張蜀冀，聶鳳蓮，韓旭．定向控制光面爆破技術在井下探礦巷道中的應用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2004，31(3)．

［10］ 陳國山，翁春林．金屬礦山地下開采［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2008．