露天礦山臺(tái)階深孔爆破大塊成因及解決措施

楊 超

(攀鋼集團(tuán)攀枝花新白馬礦業(yè)有限責(zé)任公司白馬鐵礦，四川 攀枝花 617000)

穿孔爆破是礦山生產(chǎn)中的首道工序，它決定著鏟裝、運(yùn)輸、破碎等各個(gè)工序環(huán)節(jié)的效率及經(jīng)濟(jì)效益。白馬鐵礦及及坪采場(chǎng)每年計(jì)劃的礦巖爆破量約4 000 萬(wàn)t，而爆破大塊率高一直影響著采場(chǎng)的生產(chǎn)效率與安全。主要體現(xiàn)在：一是鏟裝設(shè)備作業(yè)效率降低，設(shè)備挖裝作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)率提高，故障時(shí)間及維修費(fèi)用增加；二是爆堆挖裝緩慢，重點(diǎn)部位推進(jìn)滯后，導(dǎo)致空間失衡；三是礦石大塊容易使膠帶破碎系統(tǒng)出現(xiàn)卡塊、蓬塊現(xiàn)象，影響礦石輸出；四是二次處理大塊，易產(chǎn)生爆破飛石，給設(shè)備及人員帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，尋求有效減小爆破大塊率的方法是露天采場(chǎng)生產(chǎn)的重要需求，對(duì)礦山的生產(chǎn)和安全具有重要的意義。

1 礦區(qū)概況

白馬鐵礦屬于大型山坡露天釩鈦磁鐵礦，礦區(qū)地勢(shì)是北高南低，標(biāo)高1 400～2 400 m，地形坡度多為30°～35°，礦體為厚大層狀礦體，呈穩(wěn)定的層狀產(chǎn)出，走向近南北，傾向西，傾角50°～70°。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂、巖脈眾多。礦體附存有4個(gè)含礦層；圍巖主要為輝長(zhǎng)巖類(lèi)，其次為正長(zhǎng)巖類(lèi)，礦體和圍巖中有貫入輝綠巖脈、閃長(zhǎng)巖脈和角閃石英正長(zhǎng)巖脈。巖脈致密堅(jiān)硬，裂隙不甚發(fā)育。礦石平均體重3.48 t/m3，巖石平均體重3.03 t/m3。松散系數(shù)：礦石1.60，巖石1.50；硬度系數(shù)：f=10～15。采場(chǎng)部分圍巖的地質(zhì)特征情況如表1所示[1]。設(shè)備選用WK-4、195-B、WK-10型電鏟鏟裝；60 t級(jí)礦用自卸式汽車(chē)運(yùn)輸；KY-250D、CDM75牙輪鉆以及易普力液壓鉆。裝藥采用混裝乳化炸藥車(chē)，密度1.10～1.25 g/cm3，爆速4 200～5 000 m/s，礦石大塊二次破碎采用液壓破碎錘。

表1 圍巖地質(zhì)特征

2 產(chǎn)生大塊的位置及原因

大塊率是指一次爆破后所產(chǎn)生的不合格大塊在總爆堆礦巖總量的占比(%)。由礦山生產(chǎn)的實(shí)際情況來(lái)看，大塊易產(chǎn)生于臺(tái)階的坡面、炮孔孔口填塞段、后方和側(cè)方的拉裂區(qū)、軟硬巖層的分界處、土夾石礦夾巖部位、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜地段、孔網(wǎng)參數(shù)過(guò)大的中間位置、底盤(pán)抵抗線過(guò)大的臺(tái)階底部、盲炮部位等[2]。因此，結(jié)合白馬鐵礦及及坪采場(chǎng)爆破產(chǎn)生大塊的情況，將采場(chǎng)劃分成4個(gè)重點(diǎn)難爆區(qū)(見(jiàn)表2)。

表2 及及坪采場(chǎng)大塊偏多的部位

通過(guò)調(diào)查采場(chǎng)難爆部位的爆破情況，結(jié)合礦山的實(shí)際條件，產(chǎn)生大塊的主要原因有：①爆破參數(shù)設(shè)計(jì)不合理。當(dāng)孔網(wǎng)參數(shù)過(guò)大時(shí)，炸藥爆破能量不足以將爆破體“切割”成合格塊度，尤其爆區(qū)間接頭位置；底盤(pán)抵抗線過(guò)小，導(dǎo)致頭排孔裝藥量偏小，藥柱重心偏低，臺(tái)階坡面易產(chǎn)生大塊。②炸藥單耗過(guò)低。炸藥單耗與爆破質(zhì)量在某種程度上是正相關(guān)關(guān)系，炸藥單耗過(guò)低爆破能量不足以有效破壞可爆體，導(dǎo)致爆破大塊產(chǎn)出率高。③礦巖性質(zhì)。礦巖密度與強(qiáng)度越大，單位體積礦巖所消耗的能量也越大。此外，礦巖的容重越大，其彈性模量、強(qiáng)度、波阻抗一般也越大，抵抗爆破作用能力也越強(qiáng)；因此，堅(jiān)硬致密礦巖部位易產(chǎn)生大塊。另外，礦巖的結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、裂隙、層面及其他薄弱面)爆轟氣體易從礦巖裂隙中泄露，出現(xiàn)能量損失，體積較大的礦巖得不到有效破碎而形成大塊。

3 降低大塊率的措施

露天臺(tái)階深孔爆破產(chǎn)生大塊的影響因素很多，針對(duì)及及坪采場(chǎng)的實(shí)際情況，主要從以下幾個(gè)方面采取措施，提高爆破質(zhì)量，降低大塊率[3-7]。

3.1 采用多排孔逐孔起爆技術(shù)

毫秒延時(shí)爆破是利用毫秒雷管或其他毫秒延時(shí)引爆裝置，將同一網(wǎng)路的裝藥孔分組，以毫秒級(jí)的時(shí)間間隔進(jìn)行順序起爆的方法。逐孔起爆網(wǎng)路起爆點(diǎn)確定后，通常采用后傾連接方式(列與排之間的夾角>90°)，這樣先爆炮孔可以為后爆炮孔創(chuàng)造更多的自由面，同時(shí)保持等時(shí)線均勻一致，保證拋擲方向達(dá)到預(yù)期效果。

根據(jù)理論研究和礦山實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，孔間最佳延時(shí)時(shí)間為3～8 ms/m，排間最佳延時(shí)時(shí)間為8～15 ms/m。及及坪采場(chǎng)爆區(qū)φ160 mm孔間延時(shí)17 ms，采用西安慶華生產(chǎn)的抗水毫秒導(dǎo)爆管雷管，排間延時(shí)42 ms；φ250 mm爆區(qū)地表延時(shí)采用25 ms和65 ms搭配使用。同時(shí)根據(jù)起爆方式以及爆區(qū)的不同，網(wǎng)路連接也適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)2 個(gè)自由面斜線起爆時(shí)，為減小側(cè)、后方拉裂，在最后2 排連接選用100 ms延時(shí)，增加延時(shí)時(shí)間且后排孔藥量要比正?？姿幜繙p少約30%。在南采場(chǎng)東部試驗(yàn)爆區(qū)爆破網(wǎng)路如圖1所示。

使用多排孔毫秒延時(shí)爆破時(shí)，每次起爆的排數(shù)至少要大于3 排，如果排數(shù)過(guò)少，后沖作用很大，增大地表拉裂，大塊率相應(yīng)會(huì)提高，還會(huì)造成穿孔困難。

圖1 1975-1960臺(tái)階礦石爆區(qū)穿孔起爆網(wǎng)路Fig.1 1975-1960 perforated initiation network of bench ore explosion zone

3.2 加大孔內(nèi)分層力度，使用破碎藥包

提高藥柱重心能有效破碎臺(tái)階上部的大塊，采場(chǎng)偉晶輝長(zhǎng)巖、斷層角礫巖難爆區(qū)(φ160 mm)單孔裝藥量在280～320 kg的情況下，爆破效果也并不理想：爆區(qū)側(cè)后方拉裂過(guò)大，爆堆大塊、根底多。通過(guò)分析，得出單孔藥量過(guò)大，能量易從孔口釋放，產(chǎn)生整體向上或斜上方拱的位移量，使爆堆上方巖塊破碎較差，易形成大塊群。針對(duì)這兩種巖石情況，決定在旱季采用提高孔內(nèi)分層裝藥高度，在距離孔口3～3.5 m處使用8～10 kg的乳化成品破碎藥包。若使用現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥，上部分層藥量增加到15 kg(見(jiàn)圖2)。在采場(chǎng)其他圍巖易爆、中等難爆部位，如微風(fēng)化巖、橄欖輝長(zhǎng)巖等可適當(dāng)降低上部分層藥量15%～20%；采場(chǎng)常見(jiàn)的幾種分層裝藥情況如表3所示。

圖2 φ160 mm裝藥分層Fig.2 φ160 mm charge stratification

表3 孔內(nèi)分層裝藥情況

3.3 在難爆部位使用成品乳化炸藥

從爆破理論上講，軟巖應(yīng)采用低猛度、低爆速的炸藥并采用長(zhǎng)延時(shí)時(shí)間，以增加應(yīng)力波及爆炸氣體在巖體中的作用時(shí)間；硬巖及軟弱夾層、裂隙較發(fā)育的巖石，應(yīng)采用高猛度、高爆速的炸藥并采用短延時(shí)時(shí)間以使爆破能量依次迅速釋放，避免爆炸氣體泄漏及應(yīng)力波迅速衰弱。猛度是炸藥性能最重要的指標(biāo)之一，但往往在市場(chǎng)體制的監(jiān)管下，考慮到爆破安全和礦山開(kāi)采條件的因素，炸藥生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的乳化炸藥猛度都較低。由于缺乏對(duì)炸藥猛度的測(cè)定，白馬鐵礦在南采場(chǎng)南部Ⅱ含礦層三、四品級(jí)礦石、北部下盤(pán)偉晶輝長(zhǎng)巖及西部斷層角礫巖3個(gè)難爆部位使用高密度、高爆速的成品乳化炸藥時(shí)，炸藥爆炸產(chǎn)生的高溫、高壓氣體更能貫入致密堅(jiān)硬巖體內(nèi)，加速了巖石破裂和拋擲。經(jīng)實(shí)踐對(duì)比，爆破質(zhì)量有明顯改善。

3.4 適當(dāng)提高炸藥單耗

爆破礦巖體要求的塊度越小，炸藥單耗也就越大。及及坪采場(chǎng)近三年炸藥單耗控制在0.67～0.71 kg/m3之間。實(shí)踐證明，在采場(chǎng)巖石大塊率較高的部位，例如偉晶輝長(zhǎng)巖和斷層角礫巖，適當(dāng)提高炸藥單耗至0.75～0.78 kg/m3，能有效降低爆破塊度。

3.5 優(yōu)化爆破孔網(wǎng)參數(shù)

根據(jù)采場(chǎng)礦巖可爆性，利用經(jīng)驗(yàn)公式確定底盤(pán)抵抗線、孔排距、密集系數(shù)以及填塞長(zhǎng)度等爆區(qū)參數(shù)，并結(jié)合爆區(qū)地質(zhì)特征、物理力學(xué)性質(zhì)以及地形條件，使得同一巖性爆區(qū)在炸藥類(lèi)型、單孔裝藥量、網(wǎng)路布置以及裝藥結(jié)構(gòu)等條件盡可能相同情況下，反復(fù)進(jìn)行爆破實(shí)踐的對(duì)比、優(yōu)化，其難爆部位優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)如表4所示。

表4 采場(chǎng)優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)

3.6 因地制宜，合理布置爆區(qū)

爆區(qū)布置是否合理是影響爆破質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但是往往受到地質(zhì)、地形條件，開(kāi)采條件等因素的影響，因此爆區(qū)布置尤為重要。

1)白馬鐵礦礦體為厚大層狀，呈穩(wěn)定的層狀產(chǎn)出，走向近南北，傾向西，傾角50～70。南采場(chǎng)南部Ⅱ含礦層三品級(jí)礦石(Fe3)部位節(jié)理裂隙發(fā)育，按照設(shè)計(jì)采用橫向采剝，電鏟挖裝方向由西往東作業(yè)。跟蹤多個(gè)爆區(qū)發(fā)現(xiàn)，此部位爆破大塊較多，礦石表面附有“銹斑”，爆堆底部位移量不夠，電鏟挖裝阻力較大，鏟具損耗較大。針對(duì)這種情況，又根據(jù)白馬鐵礦礦體傾向，決定垂直礦體走向布置爆區(qū)，拋擲方向垂直于礦體傾向向南(見(jiàn)圖3)。通過(guò)調(diào)整布孔方向，多次嘗試后該礦石部位大塊根底明顯減少，電鏟斗齒消耗也明顯減少。

圖3 Ⅱ含礦層1900水平爆區(qū)布置Fig.3 The blasting area layout of Ⅱ 1900 levels of ore-bearing bed

2)對(duì)于沒(méi)有自由面的情況，白馬鐵礦的實(shí)踐證明，布置壓碴爆區(qū)頭排孔距離上一爆區(qū)后排孔5～8 m，側(cè)方4～5 m為宜；否則出現(xiàn)當(dāng)前排抵抗線或側(cè)方孔網(wǎng)面積過(guò)大時(shí)，在正常裝藥的前提條件下不能對(duì)前排或邊排孔進(jìn)行有效破碎，會(huì)造成爆區(qū)銜接位置易產(chǎn)生根底大塊。

3.7 采用留碴爆破

采用留碴爆破能有效地改善頭排孔臺(tái)階坡面產(chǎn)生的大塊礦石。根據(jù)白馬鐵礦實(shí)際情況，孔徑250 mm的爆堆留碴厚度5～6 m,孔徑160 mm的爆堆留碴厚度2～3 m時(shí)效果最佳。具體做法：根據(jù)不同孔徑爆堆的最佳留碴厚度，在爆堆上用警示帶圈出留碴厚度挖裝線。這樣，使下次爆破頭排孔礦巖增加二次擠壓作用，臺(tái)階坡面大塊進(jìn)一步得到破碎，達(dá)到減少大塊的目的；其次，還會(huì)因抵抗線的不均勻造成誤判，導(dǎo)致頭排孔裝藥量偏大，發(fā)生飛石的危險(xiǎn)。另外，還可防止鏟裝設(shè)備挖孔現(xiàn)象發(fā)生，避免二次補(bǔ)孔，增加穿孔成本。

3.8 嚴(yán)格的穿孔與爆破施工管理

根據(jù)采場(chǎng)多年爆破實(shí)踐，在以下情況采取補(bǔ)孔措施：①山坡露天礦隨著開(kāi)采深度的下降，山體坡度漸緩，強(qiáng)風(fēng)化巖石逐漸減少，在組織開(kāi)溝爆區(qū)時(shí)先安排挖機(jī)削坡，然后組織液壓小鉆在頭排孔穿鑿70°～75°斜孔；②采場(chǎng)斷層帶較多，西幫局部臺(tái)階由于斷層構(gòu)造面的存在，抵抗線過(guò)大，往往在臺(tái)階上部穿斜孔、坡角處穿根底輔助孔；③超挖部位易形成尖支嘴，牙輪鉆機(jī)無(wú)法靠近穿孔，考慮安全因素使用液壓小鉆進(jìn)行補(bǔ)孔處理。

施工質(zhì)量的好壞直接影響爆破效果的好壞。在施工過(guò)程中，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：①孔網(wǎng)參數(shù)和孔位的確定由爆破技術(shù)人員標(biāo)定，孔位的確定方法是使用皮尺測(cè)定孔、排距并布置爆區(qū)形成規(guī)則狀，為了保證炮孔定位準(zhǔn)確度，孔距控制在±0.3 m，排距±0.2 m以內(nèi)；②鉆機(jī)司機(jī)要嚴(yán)格按照爆破技術(shù)人員布孔位置和孔深要求進(jìn)行作業(yè)，避免炮孔過(guò)深，使設(shè)計(jì)單孔裝藥量的藥柱重心偏低，填塞過(guò)長(zhǎng)，孔口大塊偏多；③混裝乳化炸藥車(chē)在攪拌轉(zhuǎn)速以及炸藥密度合格后才允許開(kāi)始裝藥，避免攪拌不均勻產(chǎn)生的廢藥進(jìn)入孔內(nèi)，使炸藥爆炸化學(xué)反應(yīng)不充分，發(fā)生爆燃情況；④混裝炸藥車(chē)裝藥過(guò)程中，孔口浮碴必須清理干凈再進(jìn)行裝藥，然后用竹竿把硝酸銨袋子捅到填塞段底部，再回填。如遇水孔，操作人員必須把輸藥管放置到孔底之后再進(jìn)行裝藥，輸藥管必須緩慢拔起，不宜過(guò)快，避免水、碴、炸藥三相交融，影響炸藥威力。

4 改進(jìn)后的爆破效果

針對(duì)采場(chǎng)不同的地質(zhì)條件以及爆破介質(zhì)的差異，采用各種技術(shù)措施進(jìn)行大量的爆破試驗(yàn)，同時(shí)加強(qiáng)施工質(zhì)量管理。并以建立爆破基礎(chǔ)臺(tái)賬和評(píng)價(jià)機(jī)制的方式，對(duì)二次處理大塊的數(shù)目和爆堆挖裝時(shí)間進(jìn)行記錄與統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表5)，爆破方量以月底測(cè)量核算爆破塊段方量為準(zhǔn)。2018年9 個(gè)偉晶輝長(zhǎng)巖爆區(qū)大塊率及挖裝時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，較2017年同期相比，偉晶輝長(zhǎng)巖爆區(qū)大塊率(最長(zhǎng)邊大于1.2 m)從0.535%降低至0.475%。同時(shí)表明：2018年1～9 月及及坪采場(chǎng)偉晶輝長(zhǎng)巖爆區(qū)爆破質(zhì)量有顯著提高，大塊率高的部位得到了很大的改善，挖裝效率明顯提高(見(jiàn)圖4)，節(jié)約挖裝成本58.76 萬(wàn)元。

圖4 爆堆改進(jìn)前后整體外觀情況Fig.4 Overall appearance before and after improvement of blasting pile

5 結(jié)語(yǔ)

降低露天爆破大塊率幾乎是所有露天礦山亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)白馬鐵礦及及坪采場(chǎng)的實(shí)際情況，在爆破實(shí)踐中不斷地學(xué)習(xí)與改進(jìn)，找出了產(chǎn)生大塊的原因，采用一系列的技術(shù)手段和管理措施,并總結(jié)出符合本礦山的一些經(jīng)驗(yàn)，確實(shí)有效地改善了采場(chǎng)爆破質(zhì)量，降低了深孔臺(tái)階礦石大塊率，為采場(chǎng)高效生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)大大減少了二次破碎量，提高了鏟裝和運(yùn)輸?shù)男?，降低了礦山開(kāi)采的綜合成本。