拋擲爆破在剝離工程中的應(yīng)用與優(yōu)化

何慧明 王洪軍 郭 瑞

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

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拋擲爆破在剝離工程中的應(yīng)用與優(yōu)化

何慧明 王洪軍 郭 瑞

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

為減小剝離成本，依據(jù)工程實(shí)際條件進(jìn)行拋擲爆破設(shè)計(jì)，確定了合理的臺(tái)階參數(shù)、孔網(wǎng)參數(shù)，并對(duì)爆破網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，在僅使用普通導(dǎo)爆管雷管的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了逐孔起爆，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)與安全效益，可為類似工程提供參考。

拋擲爆破 爆破網(wǎng)絡(luò) 臺(tái)階參數(shù) 孔網(wǎng)參數(shù)

在現(xiàn)代礦產(chǎn)開采和各類巖石剝離工程中，采掘、鏟裝和運(yùn)輸3個(gè)環(huán)節(jié)緊密相連，在整個(gè)工程體系中有著重要的地位，決定了整個(gè)體系的運(yùn)行成本。為減小剝離成本，自上世紀(jì)60年代起，拋擲爆破技術(shù)越來越多地應(yīng)用于露天巖土剝離工程[1-2]。拋擲爆破通過適當(dāng)增加鉆爆費(fèi)用，能將30%～65%爆破方量直接拋入采空區(qū)，從而較大幅度地降低鏟裝和運(yùn)輸費(fèi)用，使綜合剝離成本降低30%以上，還能加快剝離工程速度，具有明顯的高效性和經(jīng)濟(jì)效益。本文詳盡分析了拋擲爆破的各種影響因素，以優(yōu)化拋擲爆破效果[3-6]。

1 工程概況

在首云礦業(yè)公司巖柱露天剝離工程中，巖柱北端為已閉坑的原露天采坑，坑底標(biāo)高-18 m，坑內(nèi)有皮帶與地面破碎站相連。為了降低爆破巖體的鏟裝和汽車運(yùn)輸成本，在臨近露天坑的南邊坡(標(biāo)高150 m)適當(dāng)寬度范圍內(nèi)，采用拋擲爆破技術(shù)，適度提高炮孔裝藥量，以露天礦坑為自由面，將部分巖石爆破直接拋向露天坑，其余巖石經(jīng)反鏟倒裝甩入露天坑，經(jīng)坑內(nèi)皮帶運(yùn)至地面破碎站。拋擲爆破如圖1所示。

圖1 臺(tái)階拋擲爆破示意

首云鐵礦地下采場(chǎng)目前處于生產(chǎn)階段，距離爆破區(qū)域距離約260 m，需嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)，避免對(duì)地下井巷造成影響。綜合各因素，該礦單次爆破用藥量限制在10 t以下，以單孔單響為宜。

2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

爆破設(shè)計(jì)應(yīng)充分體現(xiàn)工程的目的和要求，考慮機(jī)械設(shè)備配備情況、技術(shù)力量和類似工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該爆破工程的特點(diǎn)和周邊環(huán)境情況，滿足工程質(zhì)量、成本、進(jìn)度、安全的要求。

2.1 臺(tái)階參數(shù)

根據(jù)McDonald等[7]在Rietspruit露天礦進(jìn)行的多組試驗(yàn)研究，得出拋擲率P與H/B呈線性關(guān)系，即

(1)

臺(tái)階寬度一定時(shí)，提高臺(tái)階高度或者臺(tái)階高度確定時(shí)，減小臺(tái)階寬度，可提高拋擲率。臺(tái)階高度受現(xiàn)場(chǎng)條件與礦山鉆孔設(shè)備與鏟運(yùn)機(jī)械等條件的限制，因此一般應(yīng)首先確定臺(tái)階高度。臺(tái)階高度確定后，采用小的臺(tái)階寬度即窄采場(chǎng)可有效提高拋擲率，但采用寬采場(chǎng)具有鏟運(yùn)效率高、炸藥單耗小、二次處理量小等優(yōu)點(diǎn)。所以拋擲爆破經(jīng)濟(jì)效益的綜合評(píng)價(jià)不僅僅是追求更高的拋擲率，應(yīng)在兼顧提高拋擲率和寬采場(chǎng)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上確定合理的H/B值。礦山常用的H/B值為0.7～1.0。

另外，臺(tái)階高度H及采掘帶寬度B的確定還應(yīng)綜合考慮礦山生產(chǎn)設(shè)備條件、采場(chǎng)地形條件以及其他限制條件。該工程限制單次爆破用藥量不超過10 t，由

qV<10 000 ，

(2)

(3)

式中，q為炸藥單耗，取0.7 kg/m3；V為單次爆破臺(tái)階體積，m3；L為臺(tái)階長(zhǎng)度，m。

綜合式(2)、式(3)及合適的H/B值，確定臺(tái)階高度H=15 m，臺(tái)階寬度B=15～20 m，臺(tái)階長(zhǎng)度L=48～64 m。

2.2 炮孔角度

拋擲爆破中宜采用傾斜炮孔，傾斜炮孔相比垂直炮孔，臺(tái)階下半部分抵抗線更小，且臺(tái)階大部分巖石能以仰角拋射，可增強(qiáng)爆破的破碎效果，提高拋擲率，如圖2所示。

圖2 垂直與傾斜炮孔爆破拋擲示意圖

此外，傾斜炮孔還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①有利于爆炸能量在巖石中傳播，提高能量利用率；②爆破后的臺(tái)階邊坡相對(duì)更穩(wěn)定,提高了生產(chǎn)安全性；③單個(gè)炮孔長(zhǎng)度增加，可裝更多炸藥，因而在相同炸藥單耗下，可適當(dāng)增加孔距、排距以減小鉆孔成本。

傾斜炮孔多為70°～80°，若角度再減小將加大鉆孔難度，降低鉆孔效率，且不利于裝藥，容易造成炮孔堵塞。根據(jù)露天坑邊坡條件，確定炮孔角度α=70°，與邊坡角平行。

2.3 孔 徑

大孔徑炮孔在提高生產(chǎn)能力、減少鉆爆成本方面顯示出其優(yōu)越性。但在炸藥單耗一定時(shí)，采用大孔徑勢(shì)必增加孔距、排距，而使拋擲難度加大，所以拋擲爆破中孔徑一般小于270 mm。考慮到該工程一次爆破量較小及首云礦山現(xiàn)有的鉆孔設(shè)備條件，孔徑確定為150 mm。

2.4 炸藥單耗

合理的炸藥單耗q應(yīng)根據(jù)巖石硬度和爆破塊度的要求，參照B.H.庫(kù)圖涅佐夫巖石爆破性分級(jí)表和巖石爆破破碎性分級(jí)表選取，在某些情況下，用工程類比法來確定也是可行的。在臺(tái)階拋擲爆破中，炸藥不僅要對(duì)巖石進(jìn)行破碎，還要盡可能將其拋擲出去，因此需要的炸藥單耗要高于一般爆破。

巖柱拋擲爆破區(qū)域巖石主要由斜長(zhǎng)片麻巖、堿長(zhǎng)片麻巖組成，并與普遍花崗混合巖化，致密完整。在以往常規(guī)臺(tái)階爆破時(shí)，炸藥單耗為0.45～0.50 kg/m3，拋擲爆破應(yīng)適當(dāng)增加單耗，取0.70 kg/m3左右是較為合理的。

2.5 填塞長(zhǎng)度

為了減少炮孔堵塞段的大塊率，同時(shí)保證爆破時(shí)不沖孔，提高炸藥爆炸的能量利用率，炮孔的堵塞長(zhǎng)度為

(4)

式中，Ls為填塞長(zhǎng)度，m；D為炮孔直徑，取0.15 m。

計(jì)算得Ls=4.5 m。

2.6 最小抵抗線

最小抵抗線W的大小對(duì)破碎度與拋射速度產(chǎn)生影響，不宜過大。

(5)

式中，W為最小抵抗線，m；qL為線裝藥密度，kg/m，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，qL=13.5 kg/m。

計(jì)算得W=3.99 m，排距b應(yīng)小于3.99 m。

2.7 密集系數(shù)

在總藥量一定的情況下，合理的排距、孔距可以改善拋擲爆破效果。近年來在臺(tái)階爆破廣泛采用小抵抗線、大孔距的炮孔布置方式，密集系數(shù)常在2.0以上，能有效改善巖石破碎度，減小根底率，一定程度上也能增強(qiáng)拋擲效果。在高臺(tái)階(H>30)拋擲爆破中，當(dāng)1.451.6時(shí)，拋擲率開始下降[5]。結(jié)合工程實(shí)際條件，擬取m=1.5～2.0，炮孔超深為1 m。

Q=qabH ,

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，Q為單個(gè)炮孔裝藥量，kg；a為孔距，m；b為排距，m；L為炮孔長(zhǎng)度，m；m為密集系數(shù)。

由式(6)～式(9)計(jì)算，初步確定a=6.0 m，b=3.5 m。

2.8 微差時(shí)間

利用逐孔起爆技術(shù)讓同排炮孔間以及排間均實(shí)現(xiàn)微差爆破，可使爆破振動(dòng)顯著減小，降低大塊率，還能取得較好的拋擲效果。合理的延期時(shí)間應(yīng)與炮孔的孔距、排距有關(guān)，且一般排間延期時(shí)間較同排孔間延期時(shí)間要大。但延期時(shí)間也不宜過長(zhǎng)，否則先爆炮孔的爆炸會(huì)對(duì)后排炮孔產(chǎn)生破壞，使其發(fā)生不連續(xù)爆轟等有害效應(yīng)。綜合國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn),孔間延時(shí)間隔tk=9～25 ms、排間延時(shí)間隔tp=75～200 ms為宜。

3 爆破網(wǎng)絡(luò)連接

高強(qiáng)度、高精度導(dǎo)爆管雷管因其誤差小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而在逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用日益廣泛?？紤]到成本控制與礦山現(xiàn)有爆破器材，擬用普通導(dǎo)爆管雷管通過合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)逐孔起爆的效果。

根據(jù)臺(tái)階參數(shù)與孔網(wǎng)參數(shù)，臺(tái)階布置5排炮孔，每排布置約10個(gè)炮孔，三角形布孔。采用孔內(nèi)高段位導(dǎo)爆管雷管下孔，孔外低段位導(dǎo)爆管雷管捆綁復(fù)式傳爆網(wǎng)絡(luò)。第一排到第五排孔內(nèi)依次使用MS11，MS12，MS13，MS14，MS15段雷管，地表連接雷管使用MS2段雷管，利用網(wǎng)絡(luò)“排間段差、孔間接力”的延時(shí)差組合，使相鄰的炮孔均有一定的起爆時(shí)間間隔，達(dá)到實(shí)際逐孔起爆的效果?？紤]到孔內(nèi)起爆雷管導(dǎo)爆管在地表的剩余長(zhǎng)度，將5排炮孔分為2組。網(wǎng)絡(luò)連接示意見圖3。

圖3 網(wǎng)絡(luò)連接示意

第一個(gè)雷管起爆時(shí)，孔外連接雷管已經(jīng)全部傳爆結(jié)束，無(wú)需考慮爆破引起的巖石錯(cuò)動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的破壞。為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：①孔內(nèi)使用雙雷管，孔外采用雙網(wǎng)絡(luò)雙雷管連接;②連接雷管用碎石覆蓋，以免雷管碎片打斷導(dǎo)爆管。

4 結(jié)論與建議

(1)結(jié)論。①爆破振動(dòng)小，對(duì)井下正常生產(chǎn)沒有造成影響，邊坡穩(wěn)定安全;②爆破拋擲率為30%～40%，綜合剝離成本較傳統(tǒng)爆破方式可降低25%～30%;③采用逐孔起爆可降低根底率、大塊率，從而減少了二次破碎量，有明顯經(jīng)濟(jì)效益;④在一定的單次爆破量?jī)?nèi)，通過合理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，使用普通導(dǎo)爆管雷管，可達(dá)到與高強(qiáng)度、高精度導(dǎo)爆管雷管相當(dāng)?shù)钠鸨Чc可靠性。

(2)建議。①拋擲爆破中的第一排孔的拋擲效果對(duì)后排的拋擲有重要影響，可合理增加其裝藥量或減小其抵抗線;②最后一排和側(cè)面一列孔可適當(dāng)減小裝藥量或采用空氣間隔器分段裝藥，以減小后沖和側(cè)沖。

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2016-06-20)

何慧明(1992—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。