多排孔大區(qū)塊爆破壓渣厚度對電鏟鏟裝效率的影響研究

謝 烽，劉玉龍，常 劍，黃 磊，李小龍

(1.北方爆破科技有限公司，北京 100097；2.中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029)

湖山鈾礦位于西南非洲納米比亞境內(nèi)的沙漠地區(qū)，其鈾儲量位列世界第三，年開采剝離量約為1.4億t。目前湖山鈾礦生產(chǎn)區(qū)塊爆破的炮孔排數(shù)一般在20～30排，如何在不降低現(xiàn)有單次爆破規(guī)模的情況下，合理應(yīng)用壓渣爆破技術(shù)，發(fā)揮壓渣爆破在控制爆破位移，提高爆破質(zhì)量及提升鏟裝效率等方面的優(yōu)勢，是湖山鈾礦降本增效、實現(xiàn)精益運營的重要方向。

壓渣爆破在國內(nèi)大型礦山已有成熟運用，在德興銅礦、霍林河南露天礦[1]、后布連露天煤礦[2]、白云鄂博鐵礦等大型露天礦已得到應(yīng)用并取得很好的效果[3],壓渣爆破的炮孔排數(shù)在3～7排[4-11]。曹茂欣發(fā)現(xiàn)壓渣爆破可增加破碎巖塊的相互碰撞和擠壓補充破碎[12]，提高爆炸能量的利用率，減少爆破移位，而且堆碴體厚度一般在10 m左右，在難爆區(qū)、出礦區(qū)或壓渣較厚區(qū)域布孔排數(shù)一般控制在4排以內(nèi)。趙博發(fā)現(xiàn)壓渣爆破在爆破后可有效保持原始的礦巖邊界[13]，便于爆后的分采分裝，從而有效降低礦石的損失和貧化，另外，還可以提高預(yù)爆量，均衡生產(chǎn)。張生善等系統(tǒng)介紹了壓渣爆破的作用過程[14]，以及合理壓渣厚度的確定，同時說明了壓渣爆破經(jīng)濟效果顯著。

通過上述礦山的應(yīng)用實踐可以發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)壓渣爆破的排數(shù)相對較少，對于超過10排及以上的壓渣爆破，尚未看到相關(guān)文獻(xiàn)報道。為此，擬從湖山鈾礦實際情況出發(fā)，開展復(fù)雜礦體大型壓渣爆破關(guān)鍵技術(shù)研究，首先的關(guān)鍵在于壓渣厚度的確定。

1 試驗方案

為了滿足礦山巨大的生產(chǎn)需求，湖山鈾礦采用了CAT7495電鏟，電鏟斗容為60 m3，理論裝載效率為4000 t/h，理論最佳鏟運最佳高度16.3 m，其實物照如圖1所示。對于礦山生產(chǎn)而言，挖運效率始終是最為重要的指標(biāo)。因此，以電鏟鏟裝效率作為衡量最佳壓渣厚度的標(biāo)準(zhǔn)符合生產(chǎn)需要。

圖 1 CAT7495電鏟Fig. 1 CAT7495 rope shovel

為研究湖山鈾礦爆破最佳壓渣厚度，在現(xiàn)場選取了炮孔直徑為251 mm，臺階高度為7.5 m的生產(chǎn)區(qū)塊進(jìn)行試驗，壓渣厚度分別為8 m、10 m、12 m、15 m。所選試驗區(qū)塊炮孔排數(shù)為24～28排，孔網(wǎng)參數(shù)如表1所示，試驗區(qū)塊爆前、爆后現(xiàn)場如圖2所示。

表 1 孔網(wǎng)參數(shù)

圖 2 爆前爆后照片F(xiàn)ig. 2 Pre-blast and post blast pictures

2 最佳壓渣厚度的確定

以兩個排距為間隔，即13 m，對電鏟的挖運效率進(jìn)行統(tǒng)計，其統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，并將結(jié)果繪制于圖3中。

從表2可以看出，當(dāng)壓渣厚度為10 m時，電鏟鏟裝效率最高。這是因為當(dāng)壓渣厚度為8 m時，爆破能量有一部分從自由面散失。當(dāng)壓渣厚度為10 m時，能量利用率最佳，既能向自由面有一定位移，又能為后排創(chuàng)造合適的自由面；當(dāng)壓渣厚度大于10 m后，由于壓渣過大，前排爆后無法為后排創(chuàng)造合適的自由面，爆破效果不佳，從而導(dǎo)致電鏟鏟裝效率下降。從圖3可以看出，爆破區(qū)域前九排，即開挖縱深至65 m處，電鏟的鏟裝效率基本維持在高位。當(dāng)開挖至第十排后(91 m處)，電鏟鏟裝效率有明顯的下降，且之后保持在一個基本相同的鏟裝效率上。通過數(shù)次相同類型的試驗最終確認(rèn)，對于炮孔直徑為251 mm的生產(chǎn)區(qū)塊爆破，最佳的壓渣厚度為10 m，此時電鏟鏟裝效率最高。

表 2 電鏟鏟裝效率統(tǒng)計

圖 3 不同壓渣厚度條件下各位置電鏟鏟裝效率的變化Fig. 3 Variations of shovel loading efficiency in various positions under different buffer thickness

3 試驗結(jié)果分析

從上一節(jié)內(nèi)容可知，壓渣爆破在10排之后，電鏟鏟裝效率有明顯下降。本節(jié)將會從塊度分析及爆堆隆起兩個方面對造成這一結(jié)果的原因進(jìn)行分析。

3.1 塊度分析

利用軟件Desktop64進(jìn)行爆后塊度分析，每一個挖運排班結(jié)束后，選取新暴露的開挖面拍攝5張照片，分析如圖4所示。

將塊度分析結(jié)果統(tǒng)計于表3，并將結(jié)果繪制于圖4中。

圖 4 塊度分析實例Fig.4 Fragmentation analysis example

從表3中可以看出不同壓渣厚度下的爆破塊度分布規(guī)律，當(dāng)壓渣厚度為10 m時，爆破塊度0～1.2 m比例最高，平均值達(dá)到了100%，大塊率最低。其次，在爆破塊度為0～1.0 m到0～0.6 m的范圍內(nèi)，不同壓渣厚度下塊度分布差異很小。主要區(qū)別出現(xiàn)在0～400 mm與0～250 mm范圍內(nèi)，壓渣厚度為10 m時該區(qū)間的爆破塊度占比最高，此時電鏟鏟裝效率也最高。將爆破塊度0～400 mm和0～250 mm區(qū)間的數(shù)據(jù)繪制如圖5所示。

表 3 塊度分析結(jié)果

從圖5中可以看出，當(dāng)壓渣厚度為10 m時，不同開挖縱深處，其塊度分布均為最佳。這說明此時炸藥爆炸能量利用率最高，400 mm到250 mm塊度分布占比最大，使得電鏟鏟裝效率最高。當(dāng)開挖縱深達(dá)到91 m后，無論是塊度小于400 mm還是小于250 mm，不同塊度占比會有明顯的下降，這說明壓渣爆破的適用范圍為10排炮孔時較為合理，如果進(jìn)行多排孔大區(qū)塊壓渣爆破，10排之后的爆破參數(shù)需要調(diào)整。

圖 5 不同開挖縱深下不同粒徑區(qū)間爆后塊度分布Fig. 5 Fragmentation distribution under different particle size range with different excavation depth

3.2 爆堆隆起分析

爆堆的隆起高度能表明爆后料堆的松散程度，松散度過大或者過小，均不利于電鏟的鏟裝效率，因此必然有最佳的隆起高度使得電鏟鏟裝效率最高。利用無人機對爆后爆堆形態(tài)進(jìn)行拍攝，將拍攝后的照片放入Pix4D軟件中處理，效果如圖6所示，分析結(jié)果如圖7所示。

圖 6 無人機實拍圖片及數(shù)據(jù)處理效果Fig. 6 Pictures from the drone and data processing results

圖 7 爆堆高度處理結(jié)果示意Fig. 7 Blasting muck pile data processing results

隆起高度的處理結(jié)果統(tǒng)計于表4中，并將其繪制于圖8中。

從表4中可以看出，當(dāng)壓渣厚度為8 m時，區(qū)塊總體隆起最低，這是由于壓渣厚度偏少從而導(dǎo)致爆破時區(qū)塊向自由面方向位移偏大，而垂直方向位移偏少，從而導(dǎo)致隆起偏低。當(dāng)壓渣厚度為15 m時，區(qū)塊總體隆起最高，這是因為前排壓渣厚度過大，導(dǎo)致爆破時區(qū)塊向自由面方向位移減少，而垂直方向上位移偏大，從而導(dǎo)致隆起偏大。

表 4 隆起測試結(jié)果

從圖8中可以看出，當(dāng)壓渣厚度為10 m時，爆堆隆起高度適中。對于CAT7495電鏟其最佳鏟運高度為16.3 m，所以當(dāng)壓渣厚度為10 m與15 m時，相應(yīng)的爆堆高度分別為12.60 m、12.72 m，此時最接近電鏟最佳鏟運高度，因此使得電鏟鏟運效率最大化。

圖 8 不同壓渣厚度下的隆起Fig. 8 Muck pile under different buffer thickness

3.3 經(jīng)濟分析

礦巖混爆條件下，礦石和巖石容易發(fā)生互混，造成礦石損失和貧化。根據(jù)測算，湖山鈾礦貧化率每降低1個百分點，可為項目創(chuàng)造約5000萬美元的經(jīng)濟效益。在全壽期內(nèi)損失率每降低1%，可增加約932.8 t金屬鈾，即增加產(chǎn)品價值約1.5億美元。壓渣爆破的應(yīng)用，使設(shè)備移動減少，場地清理工作量減少，從而導(dǎo)致爆破結(jié)束到生產(chǎn)開始的間隔時間縮短。同時，爆破后區(qū)塊位移減少導(dǎo)致礦石的貧化率降低。有效生產(chǎn)時間增加以及礦石貧化減少，使得經(jīng)濟效益增加，采用清渣爆破與壓渣爆破的各項指標(biāo)對比其數(shù)據(jù)如表5所示。

表 5 清渣爆破與壓渣爆破各項指標(biāo)對比

4 結(jié)論

(1)對于炮孔直徑為251 mm的生產(chǎn)區(qū)塊壓渣爆破，最佳的壓渣厚度為10 m，此時，不同開挖縱深處，600 mm到400 mm塊度分布占比最大，其塊度分布均為最佳，爆堆隆起高度達(dá)到12.6 m，最接近電鏟鏟裝的最佳高度，電鏟鏟裝效率最高。

(2)區(qū)塊排數(shù)對壓渣爆破效果有很大影響，對于炮孔直徑為251 mm的生產(chǎn)區(qū)塊爆破，最佳的炮孔排數(shù)為10排。超過10排后，爆破效果不佳，電鏟鏟運效率降低，此時應(yīng)該對10排后的爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)生產(chǎn)。

(3)采用壓渣爆破，提高了生產(chǎn)效率，降低了礦石貧化率，在湖山鈾礦全壽期內(nèi)累計可以創(chuàng)造1.5億美元的經(jīng)濟效益，這對于同類型大型礦山爆破工程具有非常重要的意義。