杏山鐵礦地采爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化研究與實(shí)踐

陳建華 李月喜 王 勇 師宏偉 董 旭

（首鋼集團(tuán)有限公司礦業(yè)公司杏山鐵礦）

為了提高地采爆破質(zhì)量，杏山鐵礦多年來一直致力于開展各項(xiàng)爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，取得了一定的成效。目前，該礦爆破工藝能夠滿足正常采礦生產(chǎn)需求，同時(shí)爆破消耗類指標(biāo)也處于國(guó)內(nèi)同類礦山較好水平，但在日常生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了加長(zhǎng)鉆桿掘進(jìn)炸藥單耗偏高、光面爆破無導(dǎo)爆索設(shè)計(jì)適用性不強(qiáng)、電子雷管掏槽孔延期設(shè)計(jì)無法滿足進(jìn)尺要求等問題，使得現(xiàn)階段礦山爆破工藝仍存較大的提升空間。本研究通過合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，開展爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，以進(jìn)一步提升該礦地采爆破技術(shù)水平。

1 地采爆破技術(shù)概況

（1）加長(zhǎng)鉆桿臺(tái)車炸藥單耗。2020年6月，杏山鐵礦完成4#掘進(jìn)臺(tái)車（圖1）加長(zhǎng)鉆桿大臂改造，鉆桿長(zhǎng)度由3.7 m增加至4.3 m，穿孔深度由3.3 m增加至3.7 m。改造后，加長(zhǎng)鉆桿臺(tái)車爆破循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到3.24 m/炮，炮孔利用率達(dá)到88%，在行業(yè)內(nèi)為領(lǐng)先水平。但是，在掘進(jìn)炸藥單耗方面，受限于孔深增大、孔底夾制作用明顯升高等因素影響，加長(zhǎng)鉆桿掘進(jìn)炸藥單耗2020年底達(dá)到2.34 kg/m3，高于改造前指標(biāo)（2.08 kg/m3）。

（2）掘進(jìn)爆破光面爆破導(dǎo)爆索使用情況。杏山鐵礦掘進(jìn)爆破采用周邊孔光面爆破進(jìn)行巷道輪廓控制。受節(jié)理裂隙發(fā)育等客觀因素影響，周邊孔爆后殘索問題持續(xù)存在，由于光爆效果不佳，對(duì)巷道質(zhì)量造成不利影響。2020年，該礦通過多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定III類以上圍巖采用無導(dǎo)爆索光面爆破，IV類以下圍巖采用周邊孔“奇偶混合裝藥”模式進(jìn)行光面爆破，降低導(dǎo)爆索使用率，2020年全年導(dǎo)爆索單耗達(dá)到1.11 m/m3，全年減少導(dǎo)爆索使用量33 630.87 m。但是受各點(diǎn)位地質(zhì)條件復(fù)雜等因素影響，上述設(shè)計(jì)無法普遍適用，需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

（3）電子雷管使用后掏槽孔延期時(shí)間。2021年8月，杏山鐵礦地采爆破全部采用電子雷管代替原有的導(dǎo)爆管雷管，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)過渡。自電子雷管投入使用以來，中心掏槽部位的炮孔爆破延期一直按照前期非電管的延期時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，中心孔0 s，掏槽輔助6#～9#孔為兩個(gè)500 ms和兩個(gè)1 000 ms。該爆破設(shè)計(jì)雖然在巖石點(diǎn)位爆破進(jìn)尺方面能夠達(dá)到預(yù)期效果，但是硬礦石點(diǎn)位爆破循環(huán)進(jìn)尺無法達(dá)到指標(biāo)要求，尤其在-293 m 1#采區(qū)爆破后進(jìn)尺僅有2 m左右，留下較長(zhǎng)的殘孔（圖2），嚴(yán)重影響了掘進(jìn)效率和下一循環(huán)的穿孔施工。

2 地采爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

針對(duì)杏山鐵礦地采爆破過程中出現(xiàn)的掘進(jìn)加長(zhǎng)鉆桿炸藥單耗偏高、掘進(jìn)光面爆破降低導(dǎo)爆索設(shè)計(jì)適用性不強(qiáng)、掘進(jìn)掏槽孔電子雷管延期時(shí)間不合理等問題，本研究通過開展降低掘進(jìn)加長(zhǎng)鉆桿炸藥單耗試驗(yàn)、分區(qū)域優(yōu)化周邊孔無導(dǎo)爆索設(shè)計(jì)試驗(yàn)、掘進(jìn)掏槽孔電子雷管延期時(shí)間優(yōu)化試驗(yàn)等工作，選取合理的爆破參數(shù)進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要思路如下：

（1）掘進(jìn)臺(tái)車加長(zhǎng)鉆桿改造降低炸藥單耗試驗(yàn)。①礦巖硬度問題，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來看，礦巖硬度對(duì)于掘進(jìn)質(zhì)量的影響較大，主要表現(xiàn)在硬巖點(diǎn)位穿孔效率偏低，循環(huán)進(jìn)尺不足，硬度偏低的點(diǎn)位掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)效率及爆破效果較好，需要對(duì)不同點(diǎn)位進(jìn)行分類設(shè)計(jì)優(yōu)化；②爆破單耗問題，加長(zhǎng)鉆桿穿孔深度增加后，孔底夾制作用明顯加大，造成爆破單耗較現(xiàn)有單耗明顯增加，如何克服孔深增加帶來的單耗升高問題成為又一難點(diǎn)［1-3］。

（2）周邊孔無導(dǎo)爆索優(yōu)化試驗(yàn)。主要解決設(shè)計(jì)適用性問題，從目前現(xiàn)場(chǎng)使用情況來看，受各點(diǎn)位地質(zhì)條件復(fù)雜等因素影響，現(xiàn)有設(shè)計(jì)無法普遍適用，需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

（3）掘進(jìn)爆破電子雷管掏槽孔延期時(shí)間優(yōu)化試驗(yàn)。①電子雷管特性，電子雷管對(duì)于地采礦山而言，使用難度明顯增加，一方面對(duì)于信息傳遞及網(wǎng)路檢測(cè)要求較高，另一方面是電子雷管爆破效果與非電管有明顯差別，需要全面掌握電子雷管特性，以滿足地采爆破高精度、高質(zhì)量需求；②掏槽孔延期參數(shù)取值，從現(xiàn)場(chǎng)情況來看，電子雷管使用后掏槽孔的掏槽效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，是造成掘進(jìn)進(jìn)尺偏低的重要原因，因此，需要進(jìn)一步試驗(yàn)確定掏槽孔延期的最佳時(shí)間參數(shù)，確保掏槽效果達(dá)到預(yù)期［4-5］。

3 爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化措施及效果

3.1 加長(zhǎng)鉆桿改造增加循環(huán)進(jìn)尺試驗(yàn)

2021年以來，通過對(duì)不同礦巖硬度及裝藥系數(shù)等方面開展了降單耗設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，解決了以下問題。

（1）加長(zhǎng)鉆桿礦巖硬度影響。通過對(duì)加長(zhǎng)鉆桿臺(tái)車在各巖性中爆破效果的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)加長(zhǎng)鉆桿臺(tái)車在硬巖點(diǎn)位掘進(jìn)效率偏低，主要體現(xiàn)在穿孔效率偏低，無法實(shí)現(xiàn)一個(gè)班完成一個(gè)作業(yè)面的穿孔工作，并且通過爆破效果來看，循環(huán)進(jìn)尺與炸藥單耗指標(biāo)也相對(duì)正?？咨畹男Ч?，但是在下沿大斷面以及硬度偏低的點(diǎn)位掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)效率及爆破效果較好。為此，針對(duì)不用巖性，開展了降單耗參數(shù)優(yōu)化工作。主要措施為：①巖石點(diǎn)位降低個(gè)別炮孔裝藥系數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)研究，巖石點(diǎn)位深孔爆破裝藥系數(shù)降低，中心掏槽孔及底板孔由97.30%降低至91.22%，一級(jí)輔助孔由91.22%降低至85.14%，二、三級(jí)輔助孔分別在原基礎(chǔ)上降低裝藥系數(shù)3.04%，相對(duì)于原設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的爆破設(shè)計(jì)使得每炮降低了乳化藥卷用量6.9 kg。②礦石點(diǎn)位裝藥系數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化，礦石點(diǎn)位中心掏槽及底板孔由8卷/孔降低至7.5～7卷/孔，裝藥系數(shù)由97.30%降低至91.22%～85.14%。

（2）加長(zhǎng)鉆桿炸藥單耗偏高。2021年，杏山鐵礦圍繞加長(zhǎng)鉆桿臺(tái)車單耗偏高的實(shí)際情況，開展了降炸藥單耗優(yōu)化研究，主要措施為：①合理安排加長(zhǎng)鉆桿臺(tái)車施工點(diǎn)位，增加4#臺(tái)車在巖石點(diǎn)位施工頻次，并使用48孔設(shè)計(jì)，降低單次爆破用量，確保炸藥單耗降低；②將加長(zhǎng)鉆桿臺(tái)車爆破設(shè)計(jì)二、三級(jí)輔助孔裝藥系數(shù)由91.22%～85.14%降低至90%～85%，單次爆破節(jié)省炸藥1.35 kg；③針對(duì)軟巖部位二、三級(jí)輔助孔采用小直徑藥卷，裝藥量由3 kg/孔降低至2.7 kg/孔，達(dá)到了降本增效的目標(biāo)。2021年，加長(zhǎng)鉆桿臺(tái)車掘進(jìn)炸藥單耗由2.34 kg/m3降低至2.08 kg/m3，在保障循環(huán)進(jìn)尺提升11.3%的前提下，掘進(jìn)炸藥單耗降低了11.1%，達(dá)到改造前的單耗水平。

3.2 分區(qū)域優(yōu)化周邊孔無導(dǎo)爆索設(shè)計(jì)試驗(yàn)

2021年，杏山鐵礦繼續(xù)細(xì)化周邊孔無導(dǎo)爆索間隔裝藥設(shè)計(jì)方案，結(jié)合各點(diǎn)位圍巖情況確定參數(shù)。按照間隔裝藥方案劃分為3種設(shè)計(jì)方案：①周邊孔全部采用導(dǎo)爆索間隔裝藥；②周邊孔全部采用空氣柱間隔裝藥；③周邊孔部分采用空氣柱間隔裝藥、部分采用導(dǎo)爆索間隔裝藥。其中鑿巖孔深為3.7 m采用方案①，占爆破總次數(shù)的42.6%；方案②在一、二采區(qū)，占爆破總次數(shù)的32%；方案③用于三、四采區(qū)，占爆破總次數(shù)的25.4%。

通過開展上述工作，在2021年11—12月份受原材料短缺影響、導(dǎo)爆索停供的不利條件下，全月僅使用導(dǎo)爆索1 150 m，全部采取方案②的方式進(jìn)行周邊孔裝藥，有效確保了正常生產(chǎn)按計(jì)劃推進(jìn)，導(dǎo)爆索單耗全年累計(jì)完成0.93 m/m3，較計(jì)劃降低0.17 m/m3，全年少消耗導(dǎo)爆索14 924 m。

3.3 掘進(jìn)掏槽孔電子雷管延期時(shí)間優(yōu)化試驗(yàn)

電子雷管自投入使用以來，中心掏槽部位的炮孔爆破延期一直按照前期非電管的延期時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，雖然在巖石點(diǎn)位爆破進(jìn)尺能夠達(dá)到預(yù)期效果，但是硬礦石點(diǎn)位爆破循環(huán)進(jìn)尺無法達(dá)到指標(biāo)要求，嚴(yán)重影響了掘進(jìn)效率及后續(xù)工作。為此，采取了如下技術(shù)措施：

（1）解決電子雷管特性問題。針對(duì)電子雷管起爆能低的問題，與廠家溝通對(duì)電子雷管起爆藥進(jìn)行加量，由7 g猛炸藥提升至9 g，降低了炸藥拒爆率。

（2）解決掏槽孔延期參數(shù)問題。①與雷管生產(chǎn)廠家溝通，考慮到非電管起爆時(shí)存在較小誤差的因素，用電子雷管模擬非電管將掏槽輔助6#～9#孔延期時(shí)間改為500，530，1 000，1 030 ms，爆破效果有所改善；②中心掏槽借鑒螺旋掏槽爆破方式，將掏槽輔助孔改為逐孔起爆，4個(gè)掏槽輔助孔起爆時(shí)間分別為400，800，1 200，1 600 ms，爆破檢查效果較好，后又進(jìn)行逐步縮小間隔時(shí)間為300，600，900，1 200 ms。經(jīng)過調(diào)整延期時(shí)間后，循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。目前，中心掏槽部分由0～1 500 m調(diào)整為0～1 200 ms和0～1 020 ms兩種，其他級(jí)別炮孔均采用間隔300 ms?，F(xiàn)階段，兩種延期時(shí)間能夠滿足當(dāng)前需求，周邊光爆效果較好。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過開展掘進(jìn)臺(tái)車加長(zhǎng)鉆桿降低炸藥單耗試驗(yàn)、掘進(jìn)周邊孔無導(dǎo)爆索優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)、掘進(jìn)掏槽孔電子雷管延期時(shí)間優(yōu)化試驗(yàn)等地采爆破技術(shù)優(yōu)化工作后，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（1）掘進(jìn)臺(tái)車加長(zhǎng)鉆桿降低炸藥單耗試驗(yàn)。加長(zhǎng)鉆桿臺(tái)車掘進(jìn)炸藥單耗由2.34 kg/m3降低至2.08 kg/m3。按照2021年全年掘進(jìn)95 700 m3、平均單臺(tái)車進(jìn)尺31 900 m3、乳化藥卷4.88元/kg，降低的炸藥單耗降低成本為0.26×31 900×4.88=4.05萬元。

（2）掘進(jìn)周邊孔無導(dǎo)爆索優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)。2021年全年導(dǎo)爆索單耗完成0.93 m/m3，較計(jì)劃降低了0.17 m/m3，全年減少導(dǎo)爆索使用量14 924 m，按照導(dǎo)爆索1.84元/m計(jì)算，降低成本0.17×14 924×1.84=0.47萬元。

（3）掘進(jìn)掏槽孔電子雷管延期時(shí)間優(yōu)化試驗(yàn)。2021年8月開始，電子雷管代替導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行掘進(jìn)爆破作業(yè)，按照掏槽孔延期時(shí)間優(yōu)化后每天減少1次補(bǔ)炮，每次爆破需要雷管10發(fā)，按電子雷管17.87元/發(fā)、藥卷20 kg、單價(jià)4.88元/kg進(jìn)行測(cè)算，8—12月份共計(jì)減少補(bǔ)炮150次，減少補(bǔ)炮成本（17.87×10+4.88×20）×150=4.14萬元。

5 結(jié)語

針對(duì)杏山鐵礦存在的加長(zhǎng)鉆桿掘進(jìn)炸藥單耗偏高、光面爆破無導(dǎo)爆索設(shè)計(jì)適用性不強(qiáng)、電子雷管掏槽孔延期設(shè)計(jì)無法滿足進(jìn)尺要求等問題，通過合理確定試驗(yàn)方案，開展了爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。通過調(diào)整輔助孔裝藥系數(shù)方式、輔助孔采用32 mm小直徑藥卷代替45 mm正常藥卷等措施，在保障循環(huán)進(jìn)尺提升11.3%的前提下，掘進(jìn)炸藥單耗降低了11.1%，達(dá)到了改造前單耗水平。結(jié)合各點(diǎn)位圍巖情況確定了3種周邊孔光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)，有效解決了不同巖性條件下周邊孔光面爆破殘索殘藥難題。將中心掏槽改為逐孔起爆，實(shí)現(xiàn)了非電管雷管向電子雷管平穩(wěn)過渡。本研究提出的地采爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，對(duì)于首鋼礦業(yè)公司內(nèi)部及行業(yè)同類礦山均有較好的借鑒意義。