謙比希銅礦大斷面掘進(jìn)爆破技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)工程實(shí)踐

胡國(guó)斌 張金鐘 李延龍 盧二偉 祁澤鋒

摘要：針對(duì)謙比希銅礦大斷面掘進(jìn)爆破超（欠）挖、斷面成型差、進(jìn)尺不足的問(wèn)題，通過(guò)改變炮孔設(shè)計(jì)中掏槽空孔數(shù)量、掏槽孔位置，減小周邊孔孔距，增加周邊排與輔助排間不裝藥孔的方式等對(duì)爆破方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并在實(shí)際掘進(jìn)爆破中應(yīng)用，記錄統(tǒng)計(jì)多次爆破效果，將改變前后的爆破效果對(duì)比得出了適合礦山大斷面掘進(jìn)爆破的最優(yōu)參數(shù)為：周邊孔孔距700 mm，密集系數(shù)0.7，排距1 000 mm。優(yōu)化后的爆破方案解決了礦山大斷面掘進(jìn)爆破中存在的問(wèn)題，對(duì)于礦山井巷爆破工程的質(zhì)量控制具有重要意義。

關(guān)鍵詞：大斷面;掘進(jìn)爆破;斷面成型;進(jìn)尺;掏槽空孔;周邊孔;質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：TD23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-1277（2020）06-0036-04?doi：10.11792/hj20200608

引?言

中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司謙比希銅礦（下稱“謙比希銅礦”）位于贊比亞銅帶省基特韋市謙比希鎮(zhèn)，主要由主礦區(qū)、西礦區(qū)和東南礦區(qū)3個(gè)礦區(qū)組成。東南礦區(qū)礦體傾角緩、厚度薄、埋深大，上覆巨厚的含水層，且地表有當(dāng)?shù)刂饕芳捌渌匾牡孛嬖O(shè)施需要保護(hù)，開(kāi)采難度大[1]。

目前東南礦區(qū)掘進(jìn)施工使用的是山特維克DD422i雙臂鑿巖臺(tái)車，爆破使用的炸藥是南非AEL公司提供的現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥，裝藥使用美國(guó)GETMAN公司的裝藥臺(tái)車，裝藥作業(yè)可實(shí)現(xiàn)單孔定量裝藥。大斷面（寬×高為9 m×5 m）掘進(jìn)爆破后出現(xiàn)以下問(wèn)題：①爆破存在一定程度的超（欠）挖現(xiàn)象，且底板欠挖，施工達(dá)不到設(shè)計(jì)位置的現(xiàn)象較多;②爆破進(jìn)尺不足，實(shí)際爆破進(jìn)尺與設(shè)計(jì)炮孔深之比低于80 %;③巷道成型較差，影響后續(xù)出渣、支護(hù)作業(yè)，增加采掘成本。針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)研究現(xiàn)有爆破設(shè)計(jì)，對(duì)掏槽方式、周邊孔排距、炮孔數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，使用優(yōu)化后的設(shè)計(jì)進(jìn)行鑿巖爆破作業(yè)，經(jīng)大量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)比優(yōu)化前后的爆破效果，證實(shí)了優(yōu)化后的爆破設(shè)計(jì)可解決上述問(wèn)題。

1?工程概況

謙比希銅礦東南礦區(qū)是中色非洲礦業(yè)有限公司謙比希銅礦的3大主礦區(qū)之一。謙比希銅礦床為大型沉積型銅礦床，礦區(qū)東西長(zhǎng)6 km，南北寬5 km，面積30 km2。礦床具有礦石品位高，礦體分布范圍廣，礦化帶分布規(guī)律性強(qiáng)等特點(diǎn)，資源儲(chǔ)量較大。該礦山為新建礦山，是中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司大型銅礦原料基地，采用豎井開(kāi)拓方式，設(shè)計(jì)建設(shè)規(guī)模為330萬(wàn)t/a。礦床為層控型礦床，礦體與圍巖一并經(jīng)受褶皺作用，總體走向NW，基本與褶皺軸向一致，傾向NE，傾角5°～20°，屬于緩傾斜中厚礦體，平均厚度為9.63 m，礦體沿走向、傾向延伸較穩(wěn)定。上盤圍巖為以泥質(zhì)石英巖為主的淺變質(zhì)巖，埋深497.15～986.45 m，厚度13.98～102.50 m，巖石結(jié)構(gòu)致密、完整;下盤圍巖為礫巖和石英巖，埋深576.77～1 022.45 m，厚度4.27～43.83 m，礫巖由各種圓狀至次棱角狀的礫石構(gòu)成，膠結(jié)致密，下盤巖石均堅(jiān)硬、完整。

東南礦區(qū)礦巖質(zhì)量穩(wěn)定性分級(jí)為：礦化板巖均屬于第Ⅲ～Ⅳ級(jí)巖體，上盤石英巖和下盤石英巖均屬于Ⅱ級(jí)巖體，基底花崗巖和下盤礫巖均屬于Ⅱ級(jí)巖體;同一類型的巖體質(zhì)量存在一定的差異，是由于同類巖體的賦存條件不同所致[2]。

由于東南礦區(qū)特殊的礦體賦存條件，目前，其采礦方法有以下幾種：

1）分層進(jìn)路采礦法。礦體厚度6～12 m時(shí)，采用該采礦方法。

2）中深孔落礦充填采礦法。根據(jù)礦體厚度的不同，將該方法分為2種：①厚度12～20 m，上分層采用進(jìn)路采礦法（斷面寬×高為9 m×5 m），下分層采用下向中深孔法;②厚度大于20 m，采用上向中深孔法，在礦體底部的鑿巖巷施工上向中深孔。

3）全面采礦法及房柱采礦法。厚度小于6 m，采用礦房礦柱布置。

2?原爆破設(shè)計(jì)參數(shù)及存在問(wèn)題

2.1?爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有爆破設(shè)計(jì)方案，掘進(jìn)斷面為矩形斷面，采用山特維克DD422i雙臂鑿巖臺(tái)車鉆孔，采用直孔掏槽方式。具體炮孔設(shè)計(jì)和參數(shù)分別見(jiàn)圖1和表1。

炸藥使用AEL公司提供的現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥，采用GETMAN公司的裝藥臺(tái)車進(jìn)行機(jī)械化裝藥，掏槽孔和底孔填塞長(zhǎng)度0.7 m，輔助孔和周邊孔填塞長(zhǎng)度0.9 m，炸藥單耗3.3～4.0 kg/m3?？變?nèi)采用單發(fā)毫秒微差導(dǎo)爆管雷管，裝于孔底起爆，采用導(dǎo)爆索將所有孔內(nèi)引出的導(dǎo)爆管并聯(lián)，主起爆雷管為數(shù)碼雷管，采用專用起爆器起爆。雷管段位布置見(jiàn)圖2。其中，0～8段間微差時(shí)間100 ms，9～14段間微差時(shí)間250 ms，15段及以上的段間微差時(shí)間500 ms。

2.2?存在問(wèn)題

1）掘進(jìn)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，致使斷面成型差，斷面不規(guī)則，超（欠）挖問(wèn)題較為突出。

2）設(shè)計(jì)為矩形斷面，致使爆破后頂板巖石層理結(jié)構(gòu)破壞，造成頂板不穩(wěn)定，需要支護(hù)工作量較大。

3）巖性條件變化大，采用固定位置的掏槽孔，未能因地制宜地進(jìn)行掏槽孔位置調(diào)整。

3?爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1?炮孔設(shè)計(jì)參數(shù)

1）周邊孔孔距（a）。本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[3]確定：

式中：d為炮孔直徑，取45?mm。

經(jīng)計(jì)算：a=360～810 mm。根據(jù)礦山實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)取a=700 mm。

2）周邊孔密集系數(shù)（m）。炮孔密集系數(shù)決定了爆破塊度，東南礦區(qū)礦體礦化板巖巖體質(zhì)量穩(wěn)定性分級(jí)為Ⅲ～Ⅳ級(jí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)類似工程，取m=0.7。

3）周邊孔排距。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式m=a/W，得到W=1 000 mm，即排距為1 000 mm。同時(shí)，為了解決底板欠挖問(wèn)題，將底孔與第二排排距設(shè)計(jì)為600 mm。

4）為了減弱周邊孔爆破沖擊對(duì)邊幫和頂板的破壞，在周邊孔與輔助孔中間布置一排炮孔，但不裝藥。

3.2?炮孔斷面形狀

該礦床為層控型礦床，礦巖交界面非常明顯，根據(jù)礦山采場(chǎng)回采設(shè)計(jì)，礦體頂板為傾斜狀。因此，為保證采場(chǎng)爆破后的頂板穩(wěn)定性，利用礦體本身的層理結(jié)構(gòu)，將采場(chǎng)炮孔斷面設(shè)計(jì)為梯形，這樣爆破后既沒(méi)有破壞采場(chǎng)頂板原有層理結(jié)構(gòu)，也有助于形成規(guī)整斷面。某盤區(qū)部分礦體縱剖面見(jiàn)圖3。

3.3?掏槽方式

掏槽爆破的目的是盡可能地創(chuàng)造巖石破碎補(bǔ)償空間和自由面，為其他炮孔爆破提供條件。掏槽爆破質(zhì)量是提高巷道進(jìn)尺的關(guān)鍵影響因素之一[4-5]?？湛卓梢栽鰪?qiáng)應(yīng)力集中導(dǎo)向作用，孔徑越大越明顯，且槽腔巖石破碎范圍越大，越有利于發(fā)揮自由面效應(yīng)，為后爆炮孔提供充足的補(bǔ)償空間。因此，合理布置空孔，對(duì)于改善掏槽爆破效果具有重要作用。

原炮孔設(shè)計(jì)中，掏槽孔空孔數(shù)為4個(gè)，布置方式為中間布置1個(gè)裝藥孔，4個(gè)空孔布置在以中間裝藥孔為中心的正方形的4個(gè)頂點(diǎn)上。東南礦區(qū)采用的掘進(jìn)鑿巖設(shè)備為山特維克DD422i雙臂鑿巖臺(tái)車，其鉆桿全長(zhǎng)為5.5 m，有效長(zhǎng)度為5.2 m，炮孔設(shè)計(jì)中為提高設(shè)備利用率，同時(shí)考慮作業(yè)面不平整度，孔深設(shè)計(jì)4.9 m。在實(shí)際鑿巖過(guò)程中，多次發(fā)生中間裝藥孔與空孔穿透的現(xiàn)象，導(dǎo)致在裝藥過(guò)程中中間裝藥孔部分炸藥流入空孔中，造成爆破時(shí)炸藥能量損失，難以獲得較好的爆破效果，進(jìn)尺較低。因此，將中間裝藥孔也設(shè)計(jì)為空孔。

3.4?掏槽孔位置

原有炮孔設(shè)計(jì)掏槽孔只設(shè)計(jì)了一個(gè)位置，由于操作工人操作水平有限，無(wú)法根據(jù)作業(yè)面巖石條件選擇不同的位置作為掏槽孔位，因此經(jīng)常出現(xiàn)以下幾種現(xiàn)象：

1）爆破后作業(yè)面掏槽孔位置較破碎，造成下次鑿巖掏槽孔鉆鑿質(zhì)量較差，引起裝藥質(zhì)量不佳，爆破效果較差。

2）巖性的變化引起爆破前后2次作業(yè)面同一位置的巖石質(zhì)量差異，下次掏槽孔位置巖石質(zhì)量較差，導(dǎo)致掏槽孔鑿巖質(zhì)量不佳，最終爆破效果差。

為解決上述問(wèn)題，在炮孔設(shè)計(jì)中將掏槽孔位置設(shè)計(jì)為3種：中間、左側(cè)、右側(cè)。操作工人鑿巖前根據(jù)作業(yè)面巖石質(zhì)量情況選擇使用不同位置的掏槽孔，保證掏槽孔質(zhì)量。優(yōu)化后的炮孔設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

3.5?應(yīng)用效果

優(yōu)化前實(shí)際斷面輪廓與設(shè)計(jì)斷面輪廓工程對(duì)比見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，優(yōu)化前最大線性超挖量為0.91 m，最大線性欠挖量為0.65 m，超（欠）挖較嚴(yán)重，且斷面成型較差。

優(yōu)化后實(shí)際斷面輪廓與設(shè)計(jì)斷面輪廓工程對(duì)比見(jiàn)圖6。

從圖6可以看出，優(yōu)化后最大線性超挖量為0.34 m，最大線性欠挖量為0.13 m，平均線性超（欠）挖量降低了50 %，且斷面爆破后成型較好，解決了底板欠挖問(wèn)題。

4?結(jié)?語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)化炮孔設(shè)計(jì)參數(shù)，改變掏槽方式、增加不同掏槽孔位置，在周邊孔與輔助孔間增加1排不裝藥孔的方式，爆破效果得到明顯改善，工程質(zhì)量提高顯著，爆破成型效果良好，平均線性超（欠）挖量降低50 %。

本次只針對(duì)超（欠）挖、巷道成型、工程質(zhì)量、爆破進(jìn)尺問(wèn)題進(jìn)行了炮孔參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化，且考慮文章篇幅有限，只選取個(gè)別應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明，未從裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量進(jìn)行優(yōu)化，建議后續(xù)從裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量對(duì)爆破技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]?蔣先堯，邢鵬，李延龍，等.謙比希銅礦井下開(kāi)采智能管控系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用[J].黃金，2019，40（1）：43-47.

[2]?章林，儀海豹，楊海濤，等.謙比希銅礦東南礦區(qū)巷道掘進(jìn)爆破改進(jìn)思路及控制措施[J].金屬礦山，2019（5）：48-55.

[3]?邢彪，張振.超大斷面隧道光面爆破施工技術(shù)研究[J].低碳世界，2018（3）：252-253.

[4]?楊國(guó)梁，馮棟凱，冀文歡，等.不同掏槽形式成腔過(guò)程比較數(shù)值分析[J].爆破，2015，32（2）：59-63.

[5]?單仁亮，黃寶龍，蔚振廷，等.巖巷掘進(jìn)準(zhǔn)直眼掏槽爆破模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（2）：256-264.