巴潤礦礦巖混合爆區(qū)爆破分離技術(shù)研究

宋德林 張 浩 王德勝 郭建新 顧春雷 付明宇 丁航行4

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙 古包頭 014010；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014080；4.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

在露天臺階爆破采礦中，礦石與巖石是經(jīng)?；祀s賦存，若采用松動爆破方法開采只能將爆區(qū)礦石整體向一個方向移動，造成礦石與巖石混雜在一起，難以有效分離[1]。尤其是在礦石與巖石的過渡區(qū)，電鏟挖掘時難以分辨，造成礦石損失貧化大，為此露天礦山開始采用爆破分離技術(shù)。爆破分離技術(shù)最早在上世紀(jì)60年代初期美國的McCoy礦[2]進(jìn)行試用，到上世紀(jì)80年代初期，美國、澳大利亞等國的露天礦逐漸試用此技術(shù)[3]。2004年Orica公司利用I-kon數(shù)碼電子雷管在美國加尼蘇達(dá)州成功進(jìn)行了礦巖分離爆破試驗(yàn)，爆破后礦石與巖石區(qū)分明顯[4]。隨著爆破技術(shù)的不斷發(fā)展與優(yōu)化，陳沖[5]認(rèn)為礦巖分離爆破技術(shù)可以控制巖石運(yùn)動的方向，省去了后期礦巖分離的工作過程，提高了露天采礦效率。滕瀟等[6]通過實(shí)驗(yàn)對比論證了爆破分離技術(shù)比傳統(tǒng)爆破技術(shù)的出礦質(zhì)量高出25%左右。郭建新等[7]對礦巖混合爆區(qū)進(jìn)行PFC數(shù)值模擬，驗(yàn)證了分離爆破技術(shù)可實(shí)現(xiàn)礦巖邊界溝槽分離、爆區(qū)中部堆聚的良好效果。余鐵鋼等[8]針對甕福磷礦英坪礦段掘溝寬度小的現(xiàn)狀，采用導(dǎo)爆雷管爆破，控制巖石爆破移動方向，取得礦巖分離的效果。李順波等[9]從應(yīng)力波相互作用關(guān)系和自由面形成所需時間兩方面對礦巖分離爆破毫秒延時時間進(jìn)行分析，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到設(shè)計(jì)礦巖分界線兩側(cè)的炮孔同時起爆可以形成溝槽，有效降低礦山的損失貧化率。傅洪賢等[10]在露天礦高臺階拋擲爆破時通過“圖解法”模型確定爆破參數(shù)，得到了良好的現(xiàn)場效果。綜上所述，國內(nèi)外的成功案例與理論研究為巴潤礦的礦巖分離開采提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

巴潤礦是我國的超大型露天礦山，礦種眾多且產(chǎn)狀形態(tài)復(fù)雜，數(shù)十種稀土、鐵礦類礦種形成了數(shù)百個礦體，礦體之間相對獨(dú)立，空間上彼此交聯(lián)。眾多礦種中，經(jīng)濟(jì)、戰(zhàn)略價值巨大的多種稀土礦物，受目前選礦分離技術(shù)的限制，暫時無法有效提取利用，同時作為戰(zhàn)略資源又不能隨意排棄，因此在開采鐵礦石的同時，需要將眾多稀土類礦種統(tǒng)籌考慮，一并綜合開采，將其先預(yù)存起來。若采用國內(nèi)其他礦種單一、礦體結(jié)構(gòu)簡單的大型露天礦大區(qū)微差爆破的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄⒃斐筛黝惖V、巖石相互混入，有用礦石回收率低、貧化率高的現(xiàn)象。為了解決此問題，礦山擬采用爆破分類技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦石和巖石定向堆積分離、爆堆集中、礦巖邊界溝槽明顯的效果，方便鏟裝，減少礦巖混雜。

2 爆破分離技術(shù)的基本原理及實(shí)現(xiàn)過程

2.1 爆破分離技術(shù)的基本原理

根據(jù)最小抵抗線原理，爆破拋擲堆積的主導(dǎo)方向?yàn)樽钚〉挚咕€方向。實(shí)現(xiàn)礦巖混合爆區(qū)一次爆破分離，需要礦巖分界處的礦石與巖石向相反方向拋擲堆聚，即礦巖界線兩側(cè)相鄰炮孔起爆時應(yīng)具有方向相反的自由面，使最小抵抗線方向背離。

選擇礦巖交界兩側(cè)礦、巖區(qū)的似中心部位炮孔作為起爆“0”點(diǎn)，以該起爆點(diǎn)為幾何中心進(jìn)行“V”型起爆。中心炮孔先起爆，周圍炮孔向此起爆點(diǎn)等時線毫秒延時起爆，實(shí)現(xiàn)周圍炮孔起爆后向礦巖體中心區(qū)域堆聚的爆破堆聚效果。對于礦巖交界區(qū)域，沿邊界線在礦石區(qū)與巖石區(qū)各布置一排豎向炮孔，然后對跨越礦巖分界線的2個對孔組炮孔實(shí)施長延時同時起爆，爆破后可以形成以2孔中部雙側(cè)拋擲漏斗分離和向前擲堆聚的效果，多排對孔組炮孔有序起爆后將形成沿礦巖交界線的深凹溝槽，實(shí)現(xiàn)礦巖體的邊界爆破分離效果。爆破分離原理示意如圖1所示。

2.2 實(shí)現(xiàn)過程

第一步，確定礦巖分界線。結(jié)合爆區(qū)情況，在礦、巖混合爆區(qū)對炮孔巖粉逐一取樣化驗(yàn)，綜合考慮礦石品位化驗(yàn)結(jié)果和爆區(qū)立剖面圖上的礦、巖產(chǎn)狀分布，精準(zhǔn)劃分礦、巖體的邊界范圍。

第二步，炮孔布置及爆破設(shè)計(jì)。在礦、巖各自區(qū)域按照露天礦深孔臺階平面布孔方式設(shè)置炮孔，實(shí)施“V”型起爆技術(shù)。以礦巖體的中心部位炮孔為起爆點(diǎn)，中心炮孔先起爆，周圍炮孔向此起爆點(diǎn)等時線毫秒延時起爆。在礦巖分界線兩側(cè)設(shè)置對孔組炮孔，同組孔實(shí)施長延時同時起爆，延時時間一般大于110 ms。

第三步，精確鏟裝。在礦巖混合爆堆中，利用礦巖邊界指示系統(tǒng)和沿分離溝槽縱深挖掘的出礦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦巖混合爆堆的精準(zhǔn)挖掘。

3 巴潤礦礦巖分離爆破技術(shù)的應(yīng)用

西采場北幫牙16（1 426～1 440 m）爆區(qū)位于巴潤西采場北部，爆區(qū)地質(zhì)巖性組成復(fù)雜，巖種多樣，主要含有白云石型混合礦、含鐵巖以及稀土等多種巖性，且規(guī)模儲存量上存在差異，不同巖性之間的傾角多呈急傾斜產(chǎn)狀。礦山在該爆區(qū)試驗(yàn)應(yīng)用分離爆破技術(shù)，爆區(qū)下盤設(shè)計(jì)高程為1 427.5 m，上盤平均高程為1 441.12 m，臺階平均高度為13.62 m，臺階頂面坡度較小，高低起伏不大，呈東西向水平分布，爆區(qū)面積為6 213.81 m2。

3.1 爆區(qū)礦巖體邊界確定及區(qū)域劃分

礦巖混合爆區(qū)礦巖體的產(chǎn)狀、形態(tài)復(fù)雜，表現(xiàn)在臺階立面、剖面上礦巖相互穿插，臺階分層平面圖上礦巖邊界交互，常出現(xiàn)礦體中夾巖，巖體中有規(guī)模不等礦體等現(xiàn)象；另一方面，直接回收的鐵礦石又存在品位隨空間位置不同而異的普遍現(xiàn)象，因此僅靠爆區(qū)分層和剖面圖難以準(zhǔn)確劃分礦巖體邊界?；谏鲜銮闆r將在礦巖混合爆區(qū)對炮孔巖粉逐一取樣化驗(yàn)，按照礦石品位化驗(yàn)結(jié)果和爆區(qū)立剖面圖上的礦巖產(chǎn)狀分布綜合考慮，精準(zhǔn)圈定礦巖體的邊界范圍，以此作為礦巖爆破分離的基礎(chǔ)資料。通過對現(xiàn)場孔位取樣，進(jìn)行鉆孔巖粉化驗(yàn)檢測，確定西部區(qū)域?yàn)楦咂肺坏陌自剖突旌翔F礦體（TFe≥28%），中部區(qū)域?yàn)榘自茙r石區(qū)，東部區(qū)域主要為稀土以及部分礦石區(qū)。依據(jù)化驗(yàn)提供爆區(qū)質(zhì)量圖，結(jié)合本爆區(qū)實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造情況，將爆區(qū)劃分為西側(cè)礦石區(qū)以及東側(cè)巖石區(qū)兩大部分，如圖2所示，制定礦巖混爆區(qū)爆破分離技術(shù)方案。

3.2 爆破分離炮孔及爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

如圖2所示，爆區(qū)采用跨邊界多自由面長延時同時起爆技術(shù)以及礦巖各自區(qū)域“V”型起爆技術(shù)。在礦巖邊界區(qū)域，跨邊界對孔前采用150 ms長延時，在跨邊界對孔前礦巖體得到充分拋擲之后，為該區(qū)域創(chuàng)造更多瞬時自由面，達(dá)到邊界處礦巖體向前拋擲同時也向兩側(cè)拋擲運(yùn)動的目的。在礦石區(qū)和巖石區(qū)部位，采用“V”型起爆技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各自區(qū)域礦石、巖石堆積，在跨邊界有序長延時同時起爆爆破分離基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)礦巖體沿等時線方向集中區(qū)域的堆積效果，起到降低貧化率的作用。因此本區(qū)采用孔間延期40 ms，排間1～3排延期80 ms，4～5排延期100 ms進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，同時孔間距離為8.0 m，排間距離為6.0 m。該區(qū)采用310 mm牙輪鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，平均孔深為16.0 m，采用連續(xù)裝藥，裝藥高度設(shè)計(jì)為10.0 m左右，堵塞高度設(shè)計(jì)為6.0 m左右，超深為2.0 m。

3.3 爆堆測量及分析

爆破后對采場內(nèi)礦巖石的破碎、拋擲堆積及礦巖分離情況進(jìn)行現(xiàn)場觀測，如圖3（a）所示。該爆區(qū)爆破分離結(jié)果明顯，在礦石區(qū)與巖石區(qū)交界處產(chǎn)生明顯的深凹溝槽，因邊界兩側(cè)長延時150 ms，為跨礦巖邊界處炮孔起爆創(chuàng)造良好的拋擲空間，有利于礦巖體向兩側(cè)拋擲運(yùn)動。因排間微差時間的設(shè)置，爆堆整體向前拋擲，最終達(dá)到邊界處明顯分離的效果。在“V”型起爆方式實(shí)施時，礦石沿等時線方向進(jìn)行拋擲運(yùn)動，爆堆的聚積有利于電鏟的開采作業(yè)。爆區(qū)整體爆破破碎均勻，大塊較少，說明爆破分離設(shè)計(jì)較合理。爆區(qū)爆破之后，采用GPS進(jìn)行爆堆高程測量，從三維高程圖3（b）可以看出，在爆區(qū)西側(cè)形成連續(xù)堆積的礦石爆堆，在爆區(qū)東側(cè)形成連續(xù)的巖石爆堆，在中部礦巖分界線附近，產(chǎn)生一條明顯的深凹溝槽。依據(jù)后續(xù)數(shù)據(jù)處理，在溝槽處繪制剖面圖，依據(jù)圖3（c）中可以測得溝槽寬度在8.0 m左右，礦石堆頂點(diǎn)距離溝槽高程差9.0 m左右，巖石堆頂點(diǎn)距離溝槽高程差有5.0 m左右，未產(chǎn)生后沖現(xiàn)象，進(jìn)一步說明此次爆破分離技術(shù)方案設(shè)計(jì)合理，同時有效地在分界線處產(chǎn)生溝槽，降低礦石貧化率?！癡”型起爆方式得到良好應(yīng)用，較好地實(shí)現(xiàn)礦石、巖石各自堆積。

4 混合爆堆礦巖邊界精準(zhǔn)指示及鏟裝

為了改善礦巖混合爆區(qū)電鏟對礦巖分離爆堆的精準(zhǔn)挖掘問題，實(shí)現(xiàn)對爆堆中礦石邊界的精確挖掘控制，以防挖掘過程造成破碎礦巖石的二次混合，在礦巖混合爆堆中，實(shí)施礦巖指示+沿分離溝槽縱深挖掘的出礦技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)礦巖混合爆堆的精準(zhǔn)挖掘，降低混合爆堆的礦石貧化。

4.1 混合爆堆礦巖邊界精準(zhǔn)指示

為了電鏟司機(jī)清晰地辨識混合爆堆的礦石和巖石，采用礦巖邊界指示系統(tǒng)，爆破前放置于礦巖交界礦石側(cè)炮孔堵塞段的指示器，被爆破拋擲堆積于礦巖分離溝槽的礦石堆中，當(dāng)電鏟鏟裝到爆堆中指示器附近時，安裝在電鏟上的接收器可以顯示指示器號碼，提示電鏟司機(jī)按照礦巖石的實(shí)際堆積邊界挖掘裝車，降低鏟裝過程中礦石貧化概率，指示器和接收裝置如圖4所示。

西采場北幫牙16（1 426～1 440 m）爆區(qū)，在礦巖分界線和礦石中選取15個炮孔（分界線處炮孔4個，礦石中炮孔11個），共安放指示器20個。其中礦巖分界線處每個炮孔安放2個指示器，其余每個炮孔1個指示器。指示器安放于堵塞段，深度為0 m、1 m、2 m、2.5 m、3 m、4 m不等。指示器監(jiān)測首先由人工持手持式信號監(jiān)測儀在爆堆巡回搜索，發(fā)現(xiàn)爆堆表面指示器，其他指示器通過安裝于電鏟上的指示器監(jiān)測系統(tǒng)在挖掘過程中監(jiān)測發(fā)現(xiàn)。從爆破到出礦結(jié)束共監(jiān)測到指示器11個，其中通過人工搜索、撿取指示器2個，指示器完好，通過指示器監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到指示器9個。監(jiān)測到的11個指示器安放于礦巖分界線的6個，礦石中的5個，炸藥中的2個指示器均未監(jiān)測到，指示器回收率為61.1%（不包含安放于炸藥中的2個指示器），驗(yàn)證了指示器系統(tǒng)指示爆破后礦巖界線的可行性。爆區(qū)指示器放置信息、監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

4.2 礦巖混合爆堆鏟裝方式

在礦巖混合爆堆中，傳統(tǒng)的條帶式采裝容易使破碎礦石和巖石在電鏟鏟裝中相互混合，進(jìn)一步增加礦石的貧化。為了避免混合爆堆鏟裝過程中破碎礦石和巖石相互混合，同時考慮到混合爆區(qū)已實(shí)現(xiàn)左右深凹溝槽分離、前后分離堆積的效果，提出了結(jié)合指示器邊界指示的條帶挖裝方式。在礦巖石分界爆堆處沿溝槽方向縱深適度超深挖掘，控制電鏟超深挖裝≤5 m左右，先挖凈溝槽一側(cè)的巖石后再挖礦石，可以大幅降低礦石和巖石在條帶順序挖掘時礦石和巖石的無序混合，降低礦石貧化率。

4.3 爆區(qū)出礦指標(biāo)

該爆區(qū)地質(zhì)礦量115 980 t，地質(zhì)品位35.5%，采用太重集團(tuán)20 m3電鏟出礦，最終采出礦122 670 t，采出礦石平均品位34.79%，貧化率2.0%。

5 結(jié) 論

（1）采用鉆孔巖粉取樣化驗(yàn)結(jié)果與爆區(qū)立剖面圖相結(jié)合的方法，圈定混合爆區(qū)內(nèi)礦巖體的邊界，為混合爆區(qū)礦巖爆破分離設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

（2）采用礦巖體中心的多點(diǎn)V型起爆方式，同時配合跨越礦巖邊界有序長延時對孔起爆技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦巖混合爆區(qū)一次爆破在礦巖交界處深凹溝槽分離、礦巖體中心堆聚的高效分離目標(biāo)。

（3）在跨越礦巖交界礦石側(cè)炮孔的堵塞段，按照最大埋深不超過4.0 m安放指示器，安放在電鏟上的監(jiān)視器能準(zhǔn)確識別、捕捉指示器的信號，對于不易辨識礦巖石爆堆的精準(zhǔn)挖掘提供了技術(shù)支撐，為降低礦巖混合爆堆的礦石貧化率提供了技術(shù)保障。

（4）沿礦巖分離溝槽縱深挖掘及先挖巖石后挖裝礦石的出礦方式，配合深凹分離溝槽效應(yīng)縮減了礦巖石交界處散體的攤堆距離，降低了礦石與巖石的互混。