基于SURPAC的誘導(dǎo)冒落開(kāi)采爆破參數(shù)優(yōu)化

周顏軍 任鳳玉 何榮興 劉 洋

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819）

爆破效果對(duì)礦山生產(chǎn)意義重大，其主要與炮孔參數(shù)、抵抗線、孔底距、邊孔角、炮孔密集系數(shù)等爆破參數(shù)的合理性有關(guān)。爆破參數(shù)的不合理將會(huì)導(dǎo)致大塊率高、眉線破壞嚴(yán)重、礦石的損失貧化過(guò)大、隔墻和懸頂?shù)痊F(xiàn)象的發(fā)生［1］。針對(duì)這些問(wèn)題，許多礦山采取了不同的應(yīng)對(duì)措施來(lái)改善爆破效果：廣西那林金礦礦巖破碎、易鑿易爆的特點(diǎn)，采用類比法對(duì)鑿巖爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；金山店鐵礦張福山礦區(qū)采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，針對(duì)生產(chǎn)中懸頂和大塊率高，礦石實(shí)際回收利率低的問(wèn)題，根據(jù)崩落礦巖放出橢球體參數(shù)進(jìn)行了一系列物理模型放礦試驗(yàn)并結(jié)合礦山實(shí)際生產(chǎn)情況，進(jìn)行了中深孔爆破的炮孔參數(shù)優(yōu)化研究［2-4］；文獻(xiàn)［5-6］針對(duì)北銘河鐵礦大塊率高，眉線破壞嚴(yán)重，爆破隔墻事故時(shí)有發(fā)生等問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)裝藥結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)有爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，取得了良好的爆破效果。因此合理地選擇爆破參數(shù)，是保證設(shè)計(jì)方案回采效果的關(guān)鍵。

本研究針對(duì)遼寧日興礦業(yè)有限公司柏杖子金礦100-9#礦體爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并按選取的合理炮孔參數(shù)，利用SURPAC軟件中中深孔爆破設(shè)計(jì)功能，對(duì)每條回采進(jìn)路進(jìn)行中深孔爆破設(shè)計(jì)，優(yōu)化爆破效果和礦石回收指標(biāo)，指導(dǎo)礦山生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效益。

1 100-9#礦體開(kāi)采現(xiàn)狀

1.1 概述

柏杖子金礦100-9#號(hào)礦體屬于蝕變花崗巖型礦體，設(shè)計(jì)開(kāi)采礦段分布在103～104勘探線之間，賦存標(biāo)高+267～+373 m。礦體呈帶狀、局部囊狀分布，連續(xù)性較好，延長(zhǎng)57～141 m，主礦層厚度7.5～66.8 m。礦體走向北東，傾向南東，傾角60°～73°。礦體比較破碎，穩(wěn)定性差，礦體內(nèi)部存在位置難以確定的復(fù)雜采空區(qū)。此外，礦體上盤的102-11N#和102-11#2個(gè)采空區(qū)及其周圍較小空區(qū)的影響（圖1），致使100-9#礦體處于高應(yīng)力狀態(tài)。綜合各項(xiàng)因素，最終提出多分段協(xié)同誘導(dǎo)冒落開(kāi)采方案（圖2）進(jìn)行開(kāi)采。

開(kāi)采時(shí)底部雙塹溝與沿脈進(jìn)路同步施工，利用雙塹溝拉開(kāi)空間誘導(dǎo)上部礦體自然冒落，同時(shí)下盤沿脈進(jìn)路自上而下多分段同時(shí)快速施工，將礦體與下盤圍巖切開(kāi)，阻止冒落拱的形成，加快礦石的冒落進(jìn)程。該方案是通過(guò)下盤沿脈進(jìn)路的切幫回采，不斷切斷冒落拱的拱角，保證了右側(cè)礦石的不斷冒落，切幫完成后，將礦體與下盤采準(zhǔn)工程分開(kāi)，起到了為下盤采準(zhǔn)工程卸壓的作用。隨著冒落區(qū)礦石的不斷冒落，冒落后形成的采空區(qū)逐漸接近并大于上盤圍巖的冒落跨度，誘導(dǎo)上盤圍巖的自然冒落，冒落的圍巖形成覆蓋巖層。

1.2 問(wèn)題分析

100-9#礦體的回采爆破借鑒了傳統(tǒng)中深孔爆破設(shè)計(jì)方式，根據(jù)本礦山相鄰礦區(qū)采場(chǎng)爆破參數(shù)，通過(guò)在回采進(jìn)路中做幾個(gè)剖面進(jìn)行中深孔爆破的設(shè)計(jì)，并將其爆破參數(shù)應(yīng)用于整條回采進(jìn)路中。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果來(lái)看，目前的爆破方式主要存在“懸頂”（如圖3（a））、大塊率高（如圖3（b））和礦石的貧化等問(wèn)題。

底部雙塹溝與下盤沿脈拉底工程同步施工時(shí)，回采進(jìn)行至靠近礦巖交界處炮孔邊孔角很難適應(yīng)礦體的變化是造成以上問(wèn)題的主要原因。且炮孔邊孔角和孔底到爆破邊界距離與爆破的邊界條件密切相關(guān)［7］，柏杖子金礦100-9#礦體進(jìn)路正?；夭蓵r(shí)的爆破邊界條件如圖4所示。炮排平面內(nèi)的邊界約束條件可分為3類：回采爆破所形成的邊界（DE）、由回采進(jìn)路所形成的邊界（BC、CD）、實(shí)體壁邊界（AB、EF等），這3類邊界對(duì)爆破的約束阻力各不相同。

柏杖子金礦100-9#礦體位于山體的淺部，地應(yīng)力較小且以垂直應(yīng)力為主，巷道松動(dòng)圈的厚度較小，但由于同樣受爆破振動(dòng)的影響，根據(jù)工程類比法推斷，巷道松動(dòng)圈的厚度可達(dá)0.8～1.2 m。因此，由巷道形成的爆破邊界，可認(rèn)為有0.8～1.2 m厚的表層已經(jīng)發(fā)生了松動(dòng)［8］。該松動(dòng)層的存在，使該邊界的爆破阻力大為減小，從而對(duì)爆破力度的要求大為降低。具體說(shuō)，對(duì)位于孔口邊界HI，可適當(dāng)增大炮孔的不裝藥長(zhǎng)度，以節(jié)省炸藥；對(duì)位于孔底部位的巷道邊界（BC、CD），可適當(dāng)加大孔底距邊界面的長(zhǎng)度，以使其沿該方向的爆破阻力與抵抗線方向協(xié)調(diào)［9-11］。邊界布孔參數(shù)如表1所示（其中炮孔總長(zhǎng)度122 m，裝藥長(zhǎng)度100 m，炮孔利用率為82%）。炮孔布置方案見(jiàn)圖5。

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2 爆破參數(shù)的優(yōu)化

SURPAC軟件中深孔爆破設(shè)計(jì)是通過(guò)在建立的礦體三維模型和實(shí)測(cè)后建立的進(jìn)路三維模型中，沿著進(jìn)路每隔1個(gè)炮孔排距做1個(gè)剖面，在每個(gè)剖面中進(jìn)行中深孔爆破的設(shè)計(jì)，能夠很好地解決圖3中2個(gè)問(wèn)題。而且礦體三維模型可以在采準(zhǔn)施工中，根據(jù)采準(zhǔn)工程揭露的礦體邊界，進(jìn)行修改，確保建立的礦體三維模型最接近實(shí)際礦體形狀，使設(shè)計(jì)的中深孔更好地適應(yīng)礦體［12］。

2.1 礦體三維模型的建立

根據(jù)礦山現(xiàn)有的勘探線資料、已有各中段水平圖和剖面圖切出的平面圖，即可在SURPAC中生成100-9#礦體三維礦體模型，如圖6所示。

2.2 三維礦房的構(gòu)建

無(wú)底柱分段崩落法一般菱形布置進(jìn)路，扇形中深孔爆破的分間礦體形態(tài)近似為菱形。利用SURPAC中建立巷道實(shí)體模型的方法，建立菱形分間爆破實(shí)體模型（圖7）。

當(dāng)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，需要調(diào)整扇形中深孔的炮孔參數(shù)，以保證進(jìn)路負(fù)擔(dān)的菱形分間實(shí)體能夠全部崩落回采。當(dāng)進(jìn)路靠近礦巖邊界時(shí)，在保證礦石能全部被崩落回收的前提下，盡量不崩落圍巖，以免造成礦石的過(guò)早貧化，因此布置炮孔時(shí)必須掌握好礦體邊界的變化。為了很好地控制礦巖邊界，采用SURPAC中實(shí)體模型相交運(yùn)算功能，按方案選取的進(jìn)路布置參數(shù)和炮孔邊孔角建立每條靠近礦巖交界處的進(jìn)路所負(fù)擔(dān)的分間形態(tài)（圖8）。

將該方法應(yīng)用于靠近礦體邊界的進(jìn)路中，便能快速獲得該進(jìn)路所負(fù)擔(dān)的實(shí)際爆破分間結(jié)構(gòu)尺寸（圖9）。該方法可以將礦體邊界的變化轉(zhuǎn)化為實(shí)際礦房的邊界變化，控制回采的礦巖邊界，避免由于炮孔設(shè)計(jì)不到位而導(dǎo)致靠近圍巖的部分礦體不能崩落，造成礦石的損失，同時(shí)避免設(shè)計(jì)的炮孔深入到下盤圍巖，使圍巖混入礦石中，造成礦石的過(guò)早貧化［13］。

此外，靠近礦巖交界處的沿脈進(jìn)路，由于礦巖邊界的影響，相鄰分段中回采進(jìn)路的水平間距很難按設(shè)計(jì)選取間距布置，不可避免地出現(xiàn)相鄰分段之間相鄰進(jìn)路的水平距離偏離所選取的間距，當(dāng)相鄰進(jìn)路水平間距大于選取的間距時(shí)，分段之間回采礦房不相切，而在分段之間留下懸頂塊體（圖10）。

為了保證分段之間能夠爆透，構(gòu)建了加高礦房（如圖11），該加高礦房?jī)H處于礦房的一側(cè)，與采準(zhǔn)后礦體相交運(yùn)算后，另一側(cè)截取的礦體沒(méi)有變化，而僅是將上下分段之間需要加長(zhǎng)炮孔才能崩落的礦體回采出來(lái)。該加高礦房主要針對(duì)在礦體下盤布置的單斜式沿脈進(jìn)路采礦方案，為獲取實(shí)際礦房而構(gòu)建的。

沿巷道中線做進(jìn)路實(shí)體和實(shí)際礦房實(shí)體的縱剖面，剖面間距為中深孔炮孔排距（圖12）。扇形中深孔的設(shè)計(jì)可以在每個(gè)剖面中進(jìn)行，這樣就能夠保證炮孔很好地適應(yīng)礦體形態(tài)的變化。炮孔爆破時(shí)避免圍巖的混入，以及減少因炮孔設(shè)計(jì)不到位而造成的靠近圍巖部分的礦石不能崩落引起的礦石損失。SURPAC軟件進(jìn)行中深孔爆破設(shè)計(jì)時(shí)，需要提前設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，以便需要時(shí)可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中將相應(yīng)位置已設(shè)計(jì)好炮孔數(shù)據(jù)調(diào)出，指導(dǎo)生產(chǎn)工作。

2.3 利用SURPAC進(jìn)行中深孔爆破設(shè)計(jì)

利用SURPAC中實(shí)體相交運(yùn)算并保留公共部分的功能，將標(biāo)準(zhǔn)礦房與加高礦房相配合使用，與各進(jìn)路上部礦體進(jìn)行相交運(yùn)算，便能得到各進(jìn)路需要負(fù)擔(dān)的實(shí)際礦房的結(jié)構(gòu)尺寸（圖13）。后續(xù)進(jìn)行炮孔設(shè)計(jì)時(shí)，便可以對(duì)每個(gè)分段的實(shí)際礦房做縱剖面，并且剖面間距為炮孔排距1.6 m，這樣可以為每排炮孔設(shè)計(jì)提供實(shí)際礦房的剖面，保證了炮孔設(shè)計(jì)到位。

采用這種方式設(shè)計(jì)的爆破效果（圖14），保證了爆破對(duì)礦巖邊界的控制和分段之間采空區(qū)能夠聯(lián)通。為后續(xù)誘導(dǎo)礦體和上盤圍巖的冒落，提供了必要的暴露空間。

3 應(yīng)用分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化效果的可行性與合理性，以+330 m分段回采進(jìn)路為試驗(yàn)采場(chǎng)，運(yùn)用SURPAC對(duì)其進(jìn)行中深孔爆破設(shè)計(jì)，運(yùn)用深孔爆破設(shè)計(jì)功能對(duì)各分段中炮孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

首先將+345 m分段實(shí)際礦房實(shí)體、+330 m分段實(shí)際礦房實(shí)體、+345 m分段進(jìn)路實(shí)體、+330 m分段進(jìn)路實(shí)體，都拖入到新建的實(shí)體圖層中，再打開(kāi)+330 m分段進(jìn)路中線文件。以+330 m分段進(jìn)路中線為中線創(chuàng)建上述實(shí)體的縱剖面，剖面間距為炮孔排距1.6 m。這里調(diào)入+345 m分段實(shí)際礦體，并將其作為已采礦體處理，SURPAC軟件可以默認(rèn)+330 m分段實(shí)際礦房與+345 m分段實(shí)際礦房交界處為斷通處，布置在該處的炮孔，軟件會(huì)根據(jù)設(shè)置的斷通距自動(dòng)縮短炮孔長(zhǎng)度，滿足炮孔布置基本準(zhǔn)則。

然后開(kāi)始中深孔爆破設(shè)計(jì)功能，調(diào)入上面生成的文件，根據(jù)已確定的爆破參數(shù)進(jìn)行鉆孔。圖15為在26號(hào)剖面中設(shè)計(jì)的扇形中深孔，以及該排炮孔的相關(guān)參數(shù)。整條塹溝炮孔全部設(shè)計(jì)完之后數(shù)據(jù)可以保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以根據(jù)需要提取數(shù)據(jù)指導(dǎo)鉆孔施工。

推廣至整個(gè)分段試驗(yàn)之后，+330 m分段8個(gè)步距爆破完成后實(shí)際爆破效果如圖16所示，從實(shí)際的回收指標(biāo)來(lái)看（如表2），100-9#礦體的回采爆破效果得到了很大的改善，大塊率降低，貧化和懸頂?shù)葐?wèn)題得到解決。

4 結(jié)論

（1）利用SURPAC軟件建立礦體三維模型和菱形礦房實(shí)體，用菱形礦房控制爆破的礦巖邊界，將礦巖邊界轉(zhuǎn)化為爆破礦房邊界，有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破礦巖邊界的控制。

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（2）對(duì)獲取的各進(jìn)路的菱形礦房實(shí)體進(jìn)行了中深孔爆破設(shè)計(jì)，用礦房邊界控制炮孔的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各進(jìn)路的爆破盡量只崩落礦石，避免圍巖的崩落而引起礦石的過(guò)早貧化。

（3）對(duì)SURPAC軟件的中深孔爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用分析，結(jié)果表明：爆破效果得到了優(yōu)化，回采指標(biāo)得到了改善。

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