蠶莊金礦破碎圍巖礦體爆破條件分級(jí)與控制爆破技術(shù)

張陽(yáng)陽(yáng) 王炳煒 林健 孫玉強(qiáng) 溫驍東 陳世順

摘要：針對(duì)蠶莊金礦東莊子帶破碎圍巖礦體掘進(jìn)及進(jìn)路回采過(guò)程中爆破擾動(dòng)破壞周邊礦巖導(dǎo)致頂板、兩幫不穩(wěn)固，炮孔利用率低，采礦損失貧化大，安全風(fēng)險(xiǎn)增加等問(wèn)題，采用理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)東莊子帶破碎圍巖礦體進(jìn)行爆破條件分級(jí)，通過(guò)確定不同工程地質(zhì)條件下合理爆破參數(shù)實(shí)現(xiàn)光面爆破，達(dá)到控制頂板及兩幫光面成型要求，實(shí)現(xiàn)安全高效回采，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，可供同類礦山參考借鑒。

關(guān)鍵詞：破碎圍巖礦體;爆破條件分級(jí);控制爆破;光面爆破;爆破參數(shù)

中圖分類號(hào)：TD235文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）02-0036-05doi：10.11792/hj20210207

采礦工程黃?金GOLD2021年第2期/第42卷

2021年第2期/第42卷黃?金GOLD采礦工程

引?言

金屬礦山多采用鉆爆法施工，在掘進(jìn)及回采過(guò)程中由于礦體和圍巖內(nèi)部節(jié)理裂隙、斷裂等不連續(xù)面的存在，在受到爆破擾動(dòng)后整體穩(wěn)定性遭到破壞而呈現(xiàn)冒頂片幫現(xiàn)象;其破壞程度主要取決于礦巖自身穩(wěn)固性及控制爆破質(zhì)量2個(gè)方面;同時(shí)，工程實(shí)踐表明礦巖可爆性與礦巖物理力學(xué)性質(zhì)及完整性密切相關(guān)。因此，根據(jù)不同礦巖穩(wěn)固性及可爆性對(duì)破碎圍巖礦體進(jìn)行爆破條件分級(jí)，并根據(jù)分級(jí)情況制定合理控制爆破參數(shù)，達(dá)到控制頂板及兩幫成型，減少圍巖破壞，從而進(jìn)一步減少排險(xiǎn)支護(hù)工作量，降低采礦損失貧化的目的。這對(duì)礦山安全高效回采具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外大多采用巖石抗拉強(qiáng)度、巖石密度、沖擊動(dòng)載強(qiáng)度、巖體完整性系數(shù)作為礦巖可爆性分級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]?？杀粤炕笜?biāo)為炸藥單耗，而在實(shí)際生產(chǎn)中，可爆性分級(jí)僅作為礦巖爆破難易程度的評(píng)價(jià)依據(jù)[2]，對(duì)于裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式、周邊孔間距等巷道光面成型關(guān)鍵參數(shù)很難給出指導(dǎo)性建議。在破碎圍巖礦體中，周邊孔的位置數(shù)量及周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥量直接決定了光面爆破后壁面能否達(dá)到規(guī)則成型，是否對(duì)周邊礦巖造成破壞，進(jìn)而決定巷道周邊圍巖受爆破擾動(dòng)后，能否穩(wěn)定承壓，是否出現(xiàn)冒頂片幫現(xiàn)象。因此，本次研究針對(duì)破碎圍巖礦體，在考慮可爆性分級(jí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析、理論計(jì)算，根據(jù)不同區(qū)域礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育程度，將礦巖可爆性與穩(wěn)固性統(tǒng)籌分析，建立爆破條件分級(jí)，從而確定合理爆破參數(shù)，提高炮孔利用率，避免掘進(jìn)回采作業(yè)時(shí)對(duì)周邊礦巖造成破壞，實(shí)現(xiàn)光面爆破。

1?工程背景

招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦（下稱“蠶莊金礦”）東莊子帶為焦家主干斷裂支脈，主裂面連續(xù)穩(wěn)定，斷層泥厚0.10～0.50?m，糜棱巖、碎裂巖、蝕變花崗巖沿主裂面兩側(cè)呈帶狀分布。斷裂破碎帶蝕變強(qiáng)烈，主要為黃鐵絹英巖化花崗碎裂巖、鉀化碎裂狀花崗巖。礦體產(chǎn)于東莊子帶主斷裂下盤，總體呈脈狀，局部呈透鏡狀，產(chǎn)狀與主斷裂基本一致，走向總體NE42°～47°，傾向NW，傾角30°，礦塊長(zhǎng)210?m，平均水平厚度15.87?m，平均品位1.82?g/t。在成礦期或成礦后經(jīng)歷了多期劇烈地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或反復(fù)地質(zhì)作用，在礦體和圍巖內(nèi)部形成大量節(jié)理、斷裂等不連續(xù)面，使礦體和圍巖的整體穩(wěn)定性遭到破壞，在開(kāi)采過(guò)程中表現(xiàn)出礦巖松軟破碎、可暴露面積小、易發(fā)生冒頂片幫等特征。

根據(jù)蠶莊金礦東莊子帶開(kāi)采技術(shù)條件及礦巖穩(wěn)固性情況，選用上向水平分層進(jìn)路充填采礦法回采。進(jìn)路回采及掘進(jìn)作業(yè)均采用淺孔鑿巖爆破，中段礦塊劃分3個(gè)分段，由聯(lián)絡(luò)道與斜坡道連接;自分段巷施工各采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入采場(chǎng)，每分層先施工下盤沿脈，自下盤沿脈施工進(jìn)路回采，進(jìn)路回采由采場(chǎng)走向邊界依次后退式回采至另一走向邊界，每進(jìn)路回采結(jié)束后接頂充填，進(jìn)路口施工板墻封堵，采用細(xì)尾砂絮凝膠結(jié)充填。采用YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)，2#巖石乳化炸藥，炸藥規(guī)格32?mm×300?g，藥卷長(zhǎng)度300?mm，炮孔直徑D=38?mm，鉆桿長(zhǎng)2.5?m，起爆器起爆，毫秒微差導(dǎo)爆管起爆。

進(jìn)路及采準(zhǔn)工程掘進(jìn)爆破存在如下問(wèn)題：

1）炮孔布置及裝藥參數(shù)布置不合理，輔助孔與頂孔間距過(guò)大，超過(guò)最小抵抗線，導(dǎo)致頂板爆破效果差（見(jiàn)圖1、圖2），炮孔利用率低，循環(huán)進(jìn)尺小，降低回采效率。

2）光面爆孔采用導(dǎo)爆管起爆，加之裝藥結(jié)構(gòu)不合理，炸藥殉爆距離問(wèn)題導(dǎo)致裝藥過(guò)多，對(duì)頂板及兩幫破壞大，冒頂片幫現(xiàn)象嚴(yán)重（見(jiàn)圖3），且增大了采礦損失貧化。

3）由于不同區(qū)域礦巖穩(wěn)固性差異，未能根據(jù)不同穩(wěn)固性合理調(diào)整爆破參數(shù)，導(dǎo)致超欠挖（見(jiàn)圖4），且使得綜合爆破成本增加。

4）由于該采礦方法需先行進(jìn)路接頂充填，破碎區(qū)域進(jìn)路施工頂板裝藥多或炮孔位置布置不合理，頂板破壞嚴(yán)重導(dǎo)致塌方，則充填難以有效接頂;后行進(jìn)路施工至未接頂位置后則會(huì)加大采場(chǎng)暴露面積，安全性難以保證。

2?爆破條件分級(jí)

結(jié)合大量工程實(shí)踐及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析，根據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度、巖石抗壓強(qiáng)度、礦巖完整性系數(shù)、巖石密度4個(gè)指標(biāo)對(duì)蠶莊金礦東莊子帶進(jìn)行爆破條件分級(jí)。其中，巖石抗拉強(qiáng)度、巖石密度主要為可爆性分級(jí)因子，巖石抗壓強(qiáng)度（堅(jiān)固性系數(shù)）主要為穩(wěn)固性分級(jí)因子，礦巖完整性系數(shù)則與可爆性及穩(wěn)固性均息息相關(guān)。東莊子帶破碎圍巖礦體不同區(qū)域可爆性、穩(wěn)固性因子參數(shù)見(jiàn)表1。

由表1可知：根據(jù)東莊子帶破碎圍巖礦體不同區(qū)域的可爆性和穩(wěn)固性，可將礦體內(nèi)進(jìn)路回采工程按照爆破條件分為Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)，分別對(duì)應(yīng)不同勘探區(qū);將脈外采準(zhǔn)工程按照爆破條件分為Ⅰ級(jí)。

3?控制爆破技術(shù)及參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)爆破條件分級(jí)結(jié)果，對(duì)蠶莊金礦東莊子帶不同爆破條件的礦巖內(nèi)施工掘進(jìn)及回采進(jìn)路工程進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)斷面為2?600?mm×2?500?mm。

炮孔參數(shù)的確定：炮孔直徑為40?mm，每一循環(huán)進(jìn)尺2.0?m，炮孔利用率為90?%，設(shè)計(jì)平均長(zhǎng)度l=2?220?mm，炮孔深度h=2?200?mm，掏槽孔加深200?mm;采用YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)，鉆桿長(zhǎng)度2?600?mm，鉆孔直徑40?mm;2#巖石乳化炸藥，藥卷長(zhǎng)度300?mm，藥卷直徑32?mm;掏槽及輔助孔、底孔采用毫秒延期電雷管起爆，邊孔及頂孔采用導(dǎo)爆索連接電雷管起爆。

3.1?掏槽孔

掏槽孔的作用是首先在工作面上將某一部分巖石破碎并拋出，在一個(gè)自由面的基礎(chǔ)上爆破出第二個(gè)自由面，為其他炮孔的爆破創(chuàng)造有利條件，掏槽效果的好壞對(duì)循環(huán)進(jìn)尺起著決定性作用。按照掏槽方向，掏槽孔布置方式一般分為：斜眼掏槽、直眼掏槽、混合掏槽。由于東莊子帶礦巖破碎區(qū)域允許暴露面積限制，斜眼掏槽及混合掏槽施工難度大，且蠶莊金礦直眼掏槽技術(shù)經(jīng)驗(yàn)成熟，故采用直眼掏槽。

1）炮孔深度h1=h+hc，hc為超鉆深度，取10～30?cm，本次取20?cm，由于h=2.2?m，故h1=2.4?m。

2）炮孔間距（a）的確定：根據(jù)計(jì)算結(jié)果，a=100～400?mm，取a=150?mm。

3）單孔裝藥量（Q1）的確定，計(jì)算公式為：

Q1=αh1m/ly（1）

式中：α為炮孔平均裝填系數(shù)，α=0.88;m為藥卷質(zhì)量（g）;ly為藥卷長(zhǎng)度（m）。

經(jīng)計(jì)算：Q1=2.1?kg。因此，單孔裝藥7卷。

掏槽孔采用中間孔裝藥，其余為空孔。掏槽孔技術(shù)參數(shù)及布置見(jiàn)表2。

3.2?輔助孔

輔助孔又稱崩落孔，作用是大量崩落巖石和繼續(xù)擴(kuò)大掏槽，緊鄰周邊孔的輔助孔為周邊孔創(chuàng)造理想的光爆層，外側(cè)輔助孔與周邊孔間距要小于周邊孔最小抵抗線。

1）炮孔深度h2=2.2?m。

2）炮孔間距（af）的確定：根據(jù)計(jì)算結(jié)果，af=0.4～0.8?m，內(nèi)側(cè)輔助孔間距af1=0.4?m，外側(cè)輔助孔間距af2=0.5?m。

3）單孔裝藥量（Q2）的計(jì)算：Q2=αh2m/ly（α=0.68）。

經(jīng)計(jì)算：Q2=1.5?kg。因此，單孔裝藥5卷。輔助孔技術(shù)參數(shù)及布置見(jiàn)表3。

3.3?周邊孔

周邊孔是爆落巷道周邊巖石，最后形成巷道設(shè)計(jì)斷面輪廓的炮孔。對(duì)于東莊子帶破碎圍巖礦體必須實(shí)現(xiàn)周邊孔光面成型，光面爆破的重點(diǎn)在于周邊孔之間的互相貫通，并且彼此成型為較為規(guī)則的半圓孔，達(dá)到巷道壁面平整規(guī)整、對(duì)周邊圍巖擾動(dòng)較小的目的，以獲得良好的爆破效果。而決定光面爆破效果好壞的重要因素是周邊孔間距。為更好實(shí)現(xiàn)頂孔及邊孔光面爆破，采用導(dǎo)爆管連接導(dǎo)爆索起爆，光面孔采用空氣間隔不連續(xù)裝藥。

1）炮孔深度：邊孔及頂孔炮孔深度h3=2?200?mm，底孔炮孔深度h4=2?400?mm。

2）炮孔間距的確定。按照光面爆破周邊孔斷裂貫通機(jī)理：爆破后爆轟應(yīng)力波在巖體中造成光面層的微裂縫，爆生氣體對(duì)已形成裂縫施加斷裂應(yīng)力導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展、互相貫通，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)斷面輪廓的光面控制[3]。進(jìn)路回采及掘進(jìn)工程開(kāi)挖巖體沿光面層裂開(kāi)的強(qiáng)度條件主要由爆生氣體引起的準(zhǔn)靜壓力控制，從而導(dǎo)致微裂隙的擴(kuò)展貫通。因此，炮孔間距（ae）為：

ae=K1f13r（2）

式中：f為巖石的堅(jiān)固性系數(shù);r為炮孔半徑，r=20?mm;K1為調(diào)整系數(shù)，按照爆破工程經(jīng)驗(yàn)選取K1=10～16，巖石堅(jiān)硬時(shí)取較大值，巖石破碎時(shí)取較小值。

經(jīng)計(jì)算：ae=342～640?mm。

按照爆破最小抵抗線原理，最小抵抗線決定了光面爆破時(shí)周邊巖石能否充分崩落。如果最小抵抗線過(guò)小，巷道圍巖容易發(fā)生超挖;如果最小抵抗線過(guò)大，則圍巖不能充分爆破，會(huì)出現(xiàn)巖埂等現(xiàn)象，發(fā)生欠挖。依據(jù)爆破工程經(jīng)驗(yàn)公式，光面爆破周邊孔間距與其最小抵抗線存在一定比例關(guān)系，即：

ae=KW（3）

式中：K為炮孔密集系數(shù)，一般為0.8～1.0;W為最小抵抗線，W=（10～20）D，W=400～800?mm。

經(jīng)計(jì)算：ae=320～800?mm。因此，周邊孔間距為320～800?mm。

3）單孔裝藥量（Q3）的計(jì)算。頂孔及邊孔光爆孔裝藥量計(jì)算公式為：

Q3=725rae12f13v（4）

式中：v為炸藥爆速，v=3?600?m/s[4]。

經(jīng)計(jì)算：Q3=0.26～0.31?kg。因此，光爆層周邊孔裝藥量為0.3?kg。

底孔裝藥量Q4=αh2m/ly，α=0.68。

經(jīng)計(jì)算：Q4=1.5?kg。因此，單孔裝藥5卷。周邊孔技術(shù)參數(shù)及布置見(jiàn)表4。

按照以上計(jì)算，蠶莊金礦東莊子帶破碎圍巖礦體爆破條件分級(jí)光面爆破參數(shù)見(jiàn)表5。掏槽孔、輔助孔和底孔裝藥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5～7，頂孔及邊孔導(dǎo)爆索起爆裝藥見(jiàn)圖8。

3.4?現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

通過(guò)對(duì)東莊子帶破碎圍巖礦體不同區(qū)域進(jìn)路回采及掘進(jìn)工程進(jìn)行爆破條件試驗(yàn)分級(jí)，對(duì)不同級(jí)別進(jìn)行爆破參數(shù)及炮孔布置設(shè)計(jì)并試驗(yàn)應(yīng)用。爆破條件分級(jí)前后掘進(jìn)及回采相關(guān)經(jīng)濟(jì)效率指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表6，爆破條件分級(jí)后爆破效果見(jiàn)圖9。由表6可知：爆破條件分級(jí)后炮孔利用率均能達(dá)到90?%，頂板及兩幫輪廓均按設(shè)計(jì)成型，孔痕率達(dá)到80?%以上，圍巖擾動(dòng)破壞較小，從本質(zhì)上杜絕冒頂片幫事故發(fā)生，大大減少了排險(xiǎn)支護(hù)工作量。

4?結(jié)?語(yǔ)

對(duì)于破碎圍巖礦體掘進(jìn)及回采，由于爆破作業(yè)周邊礦巖的擾動(dòng)加之礦巖本身堅(jiān)固性、穩(wěn)固性等不同導(dǎo)致不同區(qū)域礦巖可爆性存在差異。針對(duì)其差異性合理進(jìn)行光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)及炮孔布置是實(shí)現(xiàn)破碎圍巖礦體光面爆破，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全高效回采的關(guān)鍵。本次研究對(duì)蠶莊金礦東莊子帶破碎圍巖礦體進(jìn)行爆破條件分級(jí)，理論計(jì)算及大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明：爆破條件分級(jí)后，通過(guò)優(yōu)化不同分級(jí)爆破參數(shù)，提高了采礦作業(yè)的本質(zhì)安全程度，大幅提高了采礦生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)類似礦山具有一定的借鑒意義。

[參?考?文?獻(xiàn)]

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