爆破參數(shù)優(yōu)化對(duì)塊度控制的影響研究

陳學(xué)松 ，歐任澤 ，林衛(wèi)星 ，彭躍金 ，肖木恩

(1.五礦有色金屬股份有限公司， 北京 100043；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

臺(tái)階中深孔爆破是露天礦山廣泛使用的生產(chǎn)工藝。巖體的巖性和結(jié)構(gòu)對(duì)礦石大塊的產(chǎn)生影響很大，炸藥爆炸對(duì)巖石的作用主要有兩個(gè)方面：一是破壞巖石顆粒之間的內(nèi)聚力，使巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂，產(chǎn)生新鮮斷裂面；二是使巖石原生的、次生的裂隙擴(kuò)張而破壞[1]。前者取決于巖石本身的堅(jiān)固程度；后者則受巖石節(jié)理裂隙所控制。在中硬或堅(jiān)硬巖以及節(jié)理裂隙較發(fā)育的礦巖中，當(dāng)某種爆破參數(shù)稍不合理，就易造成爆破塊度的過(guò)細(xì)或大塊率過(guò)高，因此需要對(duì)爆破孔網(wǎng)參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化研究[2]?？諝忾g隔裝藥是爆破工程技術(shù)人員在尋求經(jīng)濟(jì)、高效的工程爆破技術(shù)過(guò)程中開(kāi)發(fā)的一種裝藥結(jié)構(gòu)[3]，盡管相比連續(xù)耦合裝藥其存在裝藥施工更為繁瑣的缺點(diǎn)，但是由于空氣間隔裝藥具備炸藥單耗小、爆破破碎效果好等優(yōu)點(diǎn)，一直受到國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者的重視和青睞[4-5]。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者對(duì)于空氣間隔裝藥爆破都不乏理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面的研究，積累了相當(dāng)豐富的研究成果[6-7]。此外，空氣間隔裝藥中炮孔堵塞長(zhǎng)度的確定對(duì)于爆破效果也具有重要的影響，本文基于Las Bambas露天礦山在生產(chǎn)過(guò)程中遇到的爆破塊度較細(xì)及臺(tái)階坡面形成效果不佳等問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究，以期能為礦山提供合理的技術(shù)指導(dǎo)并創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

Las Bambas位于高原地區(qū)的Apurimac部秘魯中南部，該礦是一座超大型露天開(kāi)采銅礦，軟巖、中硬巖和硬巖均有，礦巖UCS值覆蓋范圍非常廣，且礦巖節(jié)理裂隙十分發(fā)育。

目前礦山對(duì)露天臺(tái)階的廢石爆破進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了諸多需要改進(jìn)的地方。廢石爆破后，爆破塊度太細(xì)，幾乎成粉末狀，鏟裝、運(yùn)輸、廢石場(chǎng)堆存明顯與大型設(shè)備不匹配，雖然廢石場(chǎng)堆存對(duì)塊度沒(méi)有要求，但爆破塊度太小無(wú)疑會(huì)增加爆破的費(fèi)用，致使總體的費(fèi)用增加，而爆破塊度太大，則會(huì)增加二次破碎及鏟裝運(yùn)輸?shù)瘸杀綶8]，因此，對(duì)于爆破塊度的控制十分重要（見(jiàn)圖1）。目前，炮孔尺寸及現(xiàn)有爆破裝藥結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到更好的爆破效果并降低總成本。

圖1 爆破塊度與總成本之間的相互關(guān)系

2 孔網(wǎng)參數(shù)對(duì)爆破塊度的影響

目前，礦山采用的孔排距有8.5 m×7.4 m、9.0 m×7.8 m、10.0 m×8.7 m、11.0 m×9.5 m 這 4 種參數(shù)。針對(duì)上述爆破塊度太細(xì)的問(wèn)題，對(duì)孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整分析。由于本次試驗(yàn)爆破區(qū)域巖石為中硬巖石，故設(shè)計(jì)3種對(duì)比方案：方案1爆破參數(shù)為孔徑311 mm，孔距 10 m，排距 8.7 m，設(shè)計(jì)炮孔負(fù)擔(dān)面積為87 m2；方案2在方案1孔網(wǎng)參數(shù)基礎(chǔ)上增加5%，則孔徑為311 mm，孔距為10.5 m，排距為9.1 m，設(shè)計(jì)炮孔負(fù)擔(dān)面積為95.55 m2；方案3在方案1孔網(wǎng)參數(shù)的基礎(chǔ)上增加10%，則孔徑為311 mm，孔距為11.0 m，排距為9.6 m，設(shè)計(jì)炮孔負(fù)擔(dān)面積為105.6 m2。如圖2所示為試驗(yàn)結(jié)果的柱狀圖。

圖2 不同孔排距爆破塊度分布

由圖2可知，方案1孔排距為10.0 m×8.7 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察及統(tǒng)計(jì)，爆破后廢石塊度小于25.4 mm，占總爆破量的52%；塊度在25.4～127.0 mm之間，占總爆破量的48%；大于127.0 mm的塊度幾乎為0。方案2孔排距為10.5 m×9.1 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察及統(tǒng)計(jì)，爆破后廢石塊度小于25.4 mm，占總爆破量的23.06%；塊度在25.4～127.0 mm之間，占總爆破量的45.64%；大于127.0 mm的塊度占總爆破量的31.30%。方案3孔排距為11.0 m×9.6 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察及統(tǒng)計(jì)，爆破后廢石塊度小于25.4 mm，占總爆破量的9.96%；塊度在25.4～127.0 mm之間，占總爆破量的49.98%；大于127.0 mm的塊度占總爆破量的40.06%。通過(guò)上述3種試驗(yàn)方案的觀測(cè)結(jié)果可以看出，方案1爆破孔網(wǎng)參數(shù)較小，致使爆破后廢石塊度大部分是較細(xì)的顆粒，不利于控制爆破成本；方案2孔網(wǎng)參數(shù)增加5%后發(fā)現(xiàn)，小于25.4 mm的塊度占比較方案1有大幅減少，其他尺寸的廢石塊度占比逐漸升高，但是廢石塊度較細(xì)的比例依然較高，說(shuō)明此時(shí)的孔網(wǎng)參數(shù)依然有優(yōu)化的空間；方案3孔網(wǎng)參數(shù)繼續(xù)增加5%后發(fā)現(xiàn)，小于25.4 mm的塊度占比急劇下降，其他塊度的占比大幅度增加，說(shuō)明此時(shí)的參數(shù)設(shè)置較前兩種方案是可行且更加合理有效的，因此，為控制爆破塊度，應(yīng)采用方案3的孔網(wǎng)參數(shù)。

由上述研究可知，孔網(wǎng)參數(shù)的選擇對(duì)爆破塊度的影響較大，合理的參數(shù)可以控制爆破塊度的大小從而降低成本。由圖1可以看出，爆破塊度的大小確定在某一區(qū)域后，在此基礎(chǔ)上可以通過(guò)改變鑿巖爆破的相關(guān)參數(shù)來(lái)進(jìn)一步控制總成本。

3 爆破裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

裝藥結(jié)構(gòu)的改變對(duì)于控制爆破成本具有重要作用，為了得到某一爆破效果，可以逐漸改變其裝藥方式以達(dá)到降低炸藥單耗的目的。因此在確定合理孔網(wǎng)參數(shù)條件下，本文選擇不同的裝藥方式進(jìn)行試驗(yàn)研究。

目前礦山的生產(chǎn)爆破為連續(xù)裝藥，其中廢石爆破裝藥長(zhǎng)度為9 m，堵塞長(zhǎng)度為7 m。預(yù)裂爆破線裝藥密度為1300 g/m，孔口3.2 m不裝藥，不堵塞。緩沖爆破在孔底裝藥約 2.8～4.5 m，孔口堵塞 3.8 m，其余為空氣柱。炸藥為重銨油炸藥（HA60/40）和鋁酸乳化炸藥，臺(tái)車裝藥。由于礦山試驗(yàn)條件有限，故本次試驗(yàn)在上述研究基礎(chǔ)上（孔排距為11.0 m×9.6 m），選擇3種不同的緩沖炮孔堵塞方案進(jìn)行研究，觀測(cè)爆破后的塊度大小及臺(tái)階坡面的形成情況，因礦山條件不允許，故生產(chǎn)炮孔依然按原有設(shè)計(jì)，采用連續(xù)裝藥形式。

方案1：試驗(yàn)爆破位置巖石為中硬巖，以緩沖爆破形成臺(tái)階坡面，緩沖爆破孔底裝藥約 2.5 m，總裝藥量為218.73 kg，孔口堵塞3.8 m，其余為空氣柱。由于生產(chǎn)炮孔在設(shè)計(jì)之前已完成施工，緩沖孔距臺(tái)階底部邊界距離均為2 m（以下方案相同）。裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

方案2：試驗(yàn)爆破位置巖石為中硬巖，以緩沖爆破形成臺(tái)階坡面，緩沖爆破孔底裝藥約 2.5 m，總裝藥量為208.0 kg，孔口堵塞由3.8 m增加到5 m，其余為空氣柱，裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

方案 3：試驗(yàn)爆破位置巖石為中硬巖，以緩沖爆破形成臺(tái)階坡面，緩沖爆破孔底裝藥約 2.5 m，總裝藥量為207.0 kg，孔口堵塞由3.8 m增加到6 m，其余為空氣柱。裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3種炮孔堵塞方案試驗(yàn)研究結(jié)果顯示：炮孔上沖過(guò)大，說(shuō)明在爆破過(guò)程中，首先炸藥用量可能偏大，其次炮孔堵塞長(zhǎng)度可能偏小，而造成炸藥的能量溢出較為嚴(yán)重，能量沒(méi)有得到充分的利用，同時(shí)增加了炸藥單耗。因此，在此基礎(chǔ)上對(duì)方案1進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。從爆堆情況看，爆后較松散，爆破后廢石塊度相對(duì)均勻且較細(xì)的塊度占比較少，與上述研究結(jié)果吻合。同時(shí)還可以看出：雖然加大了孔網(wǎng)參數(shù)，減少了炸藥用量，但是爆破時(shí)炮孔上沖依然較大，且形成的臺(tái)階眉線不平整，說(shuō)明還可以進(jìn)一步優(yōu)化炮孔裝藥結(jié)構(gòu)。

方案2在方案1的基礎(chǔ)上對(duì)炮孔堵塞長(zhǎng)度由原來(lái)的3.8 m增加到了5 m，爆破后從爆堆情況看，爆后較松散，爆破塊度均勻，大部分塊度對(duì)于運(yùn)輸是非常合適的，且爆破后無(wú)根底，鏟裝容易，滿斗系數(shù)高，形成的臺(tái)階坡面較平整，坡面無(wú)懸頂，對(duì)臺(tái)階眉線保護(hù)更好，整體性較好。但爆破時(shí)炮孔上沖相對(duì)較大。

方案3在方案2的基礎(chǔ)上將炮孔堵塞長(zhǎng)度增加到了6 m，爆破后較松散，爆破塊度均勻，無(wú)根底，鏟裝容易，滿斗系數(shù)高，形成的臺(tái)階坡面較平整，坡面無(wú)懸頂，整體性較好，傾角合理且臺(tái)階坡頂和坡底位于設(shè)計(jì)位置，整體效果好。從起爆現(xiàn)象看，炮孔上沖較小，炸藥消耗應(yīng)該可以略微降低，但整體的調(diào)整幅度不大。

上述3種方案研究表明，在擴(kuò)大炮孔孔網(wǎng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，改變炮孔堵塞長(zhǎng)度及裝藥量既可以降低炸藥單耗，還對(duì)臺(tái)階坡面的形成具有良好的作用。但是無(wú)論哪種方案均沒(méi)有對(duì)生產(chǎn)炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，根據(jù)上述研究可以推測(cè)，生產(chǎn)炮孔若采用空氣間隔裝藥并對(duì)炮孔堵塞長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)是具有積極作用的。

4 結(jié)論

（1）優(yōu)化炮孔孔網(wǎng)參數(shù)后，對(duì)爆破后塊度的控制達(dá)到了預(yù)期效果，減弱了由于礦山設(shè)備和廢石塊度不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，較大幅度降低了礦山生產(chǎn)成本。

（2）在擴(kuò)大炮孔孔網(wǎng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，改變炮孔堵塞長(zhǎng)度及裝藥量既可以降低炸藥單耗，還對(duì)臺(tái)階坡面的形成具有良好的作用。建議礦山繼續(xù)對(duì)生產(chǎn)炮孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以實(shí)現(xiàn)礦山更大的經(jīng)濟(jì)效益。