某礦山鑿巖爆破工藝參數(shù)優(yōu)化試驗

潘忠凡 黃 憲

(1.大冶有色金屬集團公司新疆匯祥永金礦業(yè)有限公司；2.大冶有色設計研究院有限公司)

某礦目前已轉(zhuǎn)入深部開采，礦體傾角變化大，分支復合現(xiàn)象普遍[1]。隨著開采深度不斷加大，礦巖內(nèi)部的原巖應力隨之加大，導致礦巖的穩(wěn)定性越來越差。礦山上部中段采用的垂直漏斗后退式采礦法(Vertical crater retreat mining method,VCR)存在爆破藥量大、邊幫容易失控、貧化損失大等不足，且僅適用于形態(tài)規(guī)整的厚大礦體，已不適用于深部礦體開采。礦山主要應用的普通上向分層充填法采用手工鑿巖、裝藥爆破方式，生產(chǎn)效率低、勞動強度大，人員暴露于采場頂板下作業(yè)，安全性差，無法滿足深部礦體安全高效開采要求。對此，本研究結(jié)合現(xiàn)場試驗，對該礦爆破工藝參數(shù)進行優(yōu)化取值。

1 礦山地質(zhì)概況

該礦區(qū)構(gòu)造、巖漿巖、圍巖為主要的控礦因素，其中，構(gòu)造為主導因素，碳酸鹽類圍巖對銅鐵礦體的形成作用特別明顯。礦區(qū)圍巖蝕變作用以接觸交代作用為主，充填交代作用次之，巖漿巖與碳酸鹽巖侵入接觸，由滲濾—擴散交代作用形成礦體。礦化作用形式以晶隙交代為主，交代強烈者，形成塊狀礦石，稍弱者形成浸染狀礦石[2]。礦床主要賦存于花崗閃長斑巖與三疊系下統(tǒng)大冶群碳酸鹽巖的接觸帶上。礦體的形態(tài)、產(chǎn)狀、規(guī)模嚴格受控于該接觸帶。礦床廣泛發(fā)育接觸變質(zhì)交代作用和熱液蝕變作用，礦石結(jié)構(gòu)以交代結(jié)構(gòu)為主，成礦作用方式以接觸交代作用為主。區(qū)內(nèi)的主要金屬礦物形成于中—高溫熱液階段。礦體以含銅磁鐵礦為主，致密堅硬，f=8～12，屬中等穩(wěn)固—穩(wěn)固；其次為含銅大理巖和含銅矽卡巖，含銅大理巖f=7～8，屬中等穩(wěn)固，含銅矽卡巖f=3～6，穩(wěn)固性差(如3#礦體部分地段)，但以混合礦與原生礦為主的含銅矽卡巖則較致密堅硬，f=9～17。礦體上盤圍巖巖性主要為大理巖或白云質(zhì)大理巖，一般致密堅硬，完整性較好，屬中等穩(wěn)固，f=7～15；礦體下盤巖性復雜，主要有矽卡巖、斜長巖和花崗閃長斑巖，其中矽卡巖、斜長巖中等穩(wěn)固，花崗閃長斑巖堅硬穩(wěn)固，局部為矽卡巖化斜長巖、花崗閃長斑巖，穩(wěn)固性差。

2 爆破工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1 掏槽爆破試驗

在上向中深孔采場爆破施工中，掏槽爆破是采場爆破的關(guān)鍵技術(shù)，掏槽爆破效果的優(yōu)劣對于采場爆破進度、工效以及采礦成本都有較大影響。掏槽爆破由于自由面少，四周巖石夾制力大，爆破條件困難，尤其是拉槽高度較高時，爆破難度將進一步加大。本研究中拉槽爆破采用中間空孔束狀拉槽、外圍斜孔輔助拉槽的方式。在筒形炮孔的中間布置一圈空孔，以有效降低夾制作用，束狀孔外圍根據(jù)分層高度的不同布置不同數(shù)量的往中間偏斜的斜孔輔助拉槽。

2.1.1 拉槽爆破的空孔效應

由爆破作用機理可知，空孔可以為掏槽孔爆破創(chuàng)造良好條件，空孔能夠引起應力集中效應，空孔的存在有利于反射拉伸波破巖等。

空孔的應力集中效應如圖1所示。對于柱狀裝藥，裝藥孔A起爆后，在周圍巖石中激起的爆炸壓應力波向炮孔周圍傳播，隨著距離增加，應力峰值按一定規(guī)律衰減。當應力波傳至B孔(空孔)孔壁時，在其孔壁附近形成拉應力區(qū)，最大拉應力峰值將出現(xiàn)于兩孔連心線方向上。因此，B孔的存在將使拉應力區(qū)的強度明顯大于無空孔情況下的應力值，即空孔的拉壓力集中效應[3-4]。

圖1 空孔應力集中效應

掏槽爆破時，巖石中的爆炸應力波沿炮孔徑向傳播，形成槽腔巖石中的動態(tài)爆炸應力場，槽腔中巖石徑向受壓。由于空孔的存在，當壓縮應力波傳播至空孔時，由于應力波在介質(zhì)分界面的反射作用，將形成自空孔向裝藥孔傳播的拉伸壓力波。因巖石介質(zhì)的抗拉強度遠小于其抗壓強度，一旦拉應力波峰值大于巖石的抗拉強度，即可造成巖石自空孔孔壁開始向裝藥孔方向片落(圖2)?？梢姡湛字睆皆酱笤接欣诎l(fā)揮空孔的自由面效應，也會為爆后破碎巖石提供更加富裕的補償空間[3-4]。

圖2 空孔自由面效應

2.1.2 孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化取值

根據(jù)該礦井下礦巖性質(zhì)、鑿巖設備類型，并借鑒類似礦山的開采經(jīng)驗[5-7]，確定試驗51，60 mm 2種孔徑炮孔，每種孔徑炮孔試驗2種孔網(wǎng)參數(shù)。拉槽區(qū)以外的炮孔分為4個區(qū)域(圖3)?？拷蹍^(qū)的側(cè)崩一區(qū)的炮孔孔徑為51 mm，孔網(wǎng)參數(shù)為1.2 m×1.35 m(孔距×排距)，每列布置8個孔；側(cè)崩二區(qū)的炮孔孔徑為51 mm，孔網(wǎng)參數(shù)為1.4 m×1.35 m(孔距×排距)，每列布置8個孔；側(cè)崩3區(qū)的炮孔孔徑為60 mm，孔網(wǎng)參數(shù)為1.4 m×1.55 m(孔距×排距)，每列布置7個孔；側(cè)崩四區(qū)的炮孔孔徑為60 mm，孔網(wǎng)參數(shù)為1.6 m×1.55 m(孔距×排距)，每列布置7個孔。為確保巷道兩幫不受爆破沖擊波損害，采場邊孔距離邊界0.3 m，邊孔孔距均為1.0 m。

上述4個側(cè)崩參數(shù)試驗區(qū)分3次爆破，經(jīng)過對爆破效果和爆破塊度的分析，確定側(cè)崩爆破炮孔采用 60 mm 孔徑，孔網(wǎng)參數(shù)為(1.5 ～1.7)×(1.5～1.7)m(孔距×排距)，可根據(jù)采場礦巖破碎程度進行進一步調(diào)整，礦巖穩(wěn)固時應取小值，礦巖破碎時宜取大值。

圖3 側(cè)崩爆破炮孔布置及孔網(wǎng)參數(shù)(單位：m)

裝藥爆破是礦石回采工作的重要工序，裝藥方式的不同決定了每次爆破藥量的不同，也極大影響了回采效率[8-11]。通過對裝藥臺車和人工裝藥進行對比分析，發(fā)現(xiàn)采用裝藥臺車裝藥效率高、工人勞動強度低、裝藥利用率高。通過對礦山采場進行多次不同裝藥量后爆破效果的對比分析，認為炸藥單耗取0.35 kg/t較為經(jīng)濟合理。

2.2 側(cè)崩爆破起爆順序優(yōu)化

側(cè)崩爆破通常的起爆順序為以拉槽區(qū)為自由面逐排側(cè)崩爆破，礦石往往向拉槽區(qū)拋擲，采場口無礦石堆積，不利于頂板松石處理。為解決礦堆高度不均勻的問題，可對普通側(cè)崩爆破的起爆順序進行優(yōu)化。改變爆破拋擲方向最根本的方法是改變炮孔爆破自由面方向。經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗，采場中間2排孔以V型同段起爆，隨后邊孔向中間拋擲，以增加采場中間位置的爆堆高度。

圖4 側(cè)崩爆破起爆順序示意

3 結(jié) 論

(1)結(jié)合某礦巖石物理力學性質(zhì)，對孔網(wǎng)參數(shù)與孔徑、高分層換段爆破和裝藥方式等進行了試驗研究，確定中深孔爆破方案為拉槽爆破采用中間空孔束狀拉槽、外圍斜孔輔助拉槽的方式，低分層拉槽爆破布置2排斜孔，高分層布置3排斜孔；采場爆破采用60 mm孔徑炮孔，孔網(wǎng)參數(shù)為(1.5～1.7)×(1.5～1.7)m(孔距×排距)。

(2)根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，分析了該礦裝藥器裝藥和人工裝條狀乳化炸藥2種裝藥方式的不足，認為最安全高效的裝藥方式為裝藥臺車裝藥。

(3)通過進行采場爆破實踐，確定炸藥單耗為0.35 kg/t，小于原設計值(0.45 kg/t)，礦山按產(chǎn)量105萬t/a、炸藥成本5.5元/kg計算，可節(jié)約炸藥成本約60萬元/a。

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