銅山口銅礦南部臺階爆破塊度預(yù)測與管控

余圣華

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司銅山口銅礦,湖北 大冶市 435122)

目前,銅山口銅礦啟動南部擴(kuò)幫作為礦山露天開采接續(xù)的重點(diǎn)工程,在開采設(shè)計境界內(nèi)銅金屬資源的同時,開發(fā)利用非金屬資源,將剝離的廢石銷往周邊碎石廠或建設(shè)工地,提升礦山經(jīng)濟(jì)效益。因客戶購買石料的用途、破碎設(shè)備規(guī)格等條件不盡相同,而對塊石規(guī)格的要求不斷變化。如何根據(jù)爆破現(xiàn)場實(shí)際情況對爆破塊度進(jìn)行預(yù)測,控制大塊率、塊度級配,降低粉碎率,是提高客戶滿意度的關(guān)鍵,同時能最大限度控制爆破成本,提高鏟裝效率。因此,非常有必要對爆破塊度進(jìn)行預(yù)測和管控。

1 爆破塊度預(yù)測方法

1.1 爆破塊度預(yù)測模型

1960年代至今,世界各國的爆破學(xué)者在巖石爆破塊度預(yù)測及控制方面做了大量研究工作[1-3],并提出了多種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撃Ｐ秃蛯?shí)用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?典型的有能量理論模型、應(yīng)力波理論模型、塊度分布函數(shù)模型、損傷力學(xué)模型4類。由于影響爆破塊度的因素眾多,如爆破巖體特性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、炸藥性能、孔網(wǎng)參數(shù)、微差間隔時間、自由面數(shù)量、起爆順序等,概括起來主要有4個方面:礦巖爆破條件、爆破方法、爆破參數(shù)、炸藥特性。這些因素使各類基于計算機(jī)圖像處理技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計理論或現(xiàn)代數(shù)學(xué)算法的塊度預(yù)測模型,無法避免理論性的苛刻假設(shè)條件限制或局部經(jīng)驗(yàn)的片面,且部分模型涉及的未知參數(shù)多,測量精度難以控制,計算過程過于復(fù)雜,在一定程度上影響其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用和推廣。

庫茲拉姆(Kuz-Ram)塊度分布函數(shù)模型由南非人坎寧安(Cuningham CVB)于1957年提出,通過庫茲涅佐夫(Kuznetsov)方程和羅森拉姆(Rosin-Rammler)曲線方程,引入反映巖石特征及巖體節(jié)理裂隙發(fā)育情況對爆破塊度的綜合影響系數(shù),并可結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行擬合修正,用于臺階爆破平均塊度尺寸的預(yù)測,計算較為簡便,更易應(yīng)用。

1.2 Kuz-Ram 模型

1.2.1 Kuznetsov方程

Kuznetsov方程主要用于研究理論爆破平均塊度[4-8],其具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

1.2.2 Rosin-Rammler方程

塊度分布函數(shù)Rosin-Rammler方程主要用于描述礦巖爆破塊度特征,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中,R為篩上物料比率(大塊率),即大于篩網(wǎng)直徑的塊度質(zhì)量分?jǐn)?shù);X為巖塊粒徑,cm;X0為特征塊度,即篩下累積率為63.21%時的塊度尺寸,cm;n為塊度分布均勻性指標(biāo),n數(shù)值越大,表示爆破塊度越均勻,越小則表示粉礦或大塊率較高。

當(dāng)R=50% 時,,因此,(－ln0.5)1/n。

1.2.3 塊度分布均勻性指標(biāo)

式中,W為最小抵抗線,m;d為炮孔直徑,mm;ΔW為孔位的標(biāo)準(zhǔn)誤差,m;m為炮孔密集系數(shù)[1],即孔距與排距(或最小抵抗線)之比;L為底板標(biāo)高以上裝藥高度,m;H為臺階高度,m。

1.3 模型參數(shù)修正

為提高預(yù)測細(xì)粒徑石料比例的準(zhǔn)確性,需根據(jù)爆破具體條件,對Kuz-Ram 模型中的巖石系數(shù)A、爆破平均塊度和塊度分布均勻性指標(biāo)n進(jìn)行修正,并根據(jù)試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核。

1.3.1 巖石系數(shù)A

為了反映爆破巖體特性(包括巖石強(qiáng)度、密度、節(jié)理、裂隙等)對爆破平均塊度的影響,Kuz-Ram 模型中規(guī)定了幾種巖石系數(shù)A的取值,但未能全面客觀地反映不同巖性、不同節(jié)理裂隙開度及分布對巖石破碎塊度的影響。

修正巖石系數(shù)[9-10]的計算公式如下:

式中,RMD為巖石性能系數(shù),粉狀巖或者易碎巖取10,塊狀結(jié)構(gòu)取50,層狀節(jié)理巖取JF值;RDI為密度系數(shù);RD為密度,g/m3;HF為硬度系數(shù);E為楊氏模量,GPa;UCS為單軸抗壓強(qiáng)度,MPa。

式中,JCF為節(jié)理面狀況對應(yīng)的取值,當(dāng)節(jié)理面狀況為緊密時,JCF=1,當(dāng)節(jié)理面狀況為松弛時,JCF=1.5,當(dāng)節(jié)理面狀況為泥層時,JCF=2;JPS為節(jié)理面間距對應(yīng)的取值,當(dāng)節(jié)理面間距小于0.1 m 時,JPS=10,當(dāng)節(jié)理面間距為0.1～0.3 m時,JPS=20,當(dāng)節(jié)理面間距在0.3 m～P之間時,JPS=80,P=(孔距×排距)0.5,m,當(dāng)節(jié)理面間距≥P時,JPS=50;JPA為節(jié)理面角對應(yīng)的取值,當(dāng)節(jié)理面角為水平時,JPA=10,當(dāng)節(jié)理面角為同向時,JPA=20,當(dāng)節(jié)理面角為垂直時,JPA=30,當(dāng)節(jié)理面角為逆向時,JPA=40)。

礦山開采時,人工砂石料允許的最大粒徑不超過1.2 m,塊石料粒徑在1.2 m 以上,所以需要考慮不同開采目的允許最大粒徑Xm存在差異,爆破平均塊度不盡相同,需引入?yún)?shù)Xm對原平均塊度計算公式進(jìn)行修正。

式中,Xm為允許最大粒徑,m。

1.3.3 塊度分布均勻性指標(biāo)n

礦山應(yīng)根據(jù)單孔負(fù)擔(dān)面積和爆破塊度級配要求選擇適當(dāng)?shù)呐诳酌芗禂?shù)m[11]。對于破碎石料開采,大孔距小排距可提高塊度均勻性指標(biāo),塊度更均勻,粉碎或大塊率低。Cuningham C V B 提出n值修正公式。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 爆破塊度測算

銅山口銅礦露采爆破區(qū)以大理巖、灰?guī)r、矽卡巖與花崗閃長斑巖4種巖石為主,巖石節(jié)理裂隙發(fā)育、硬度較硬、完整性一般,力學(xué)參數(shù)及巖石性能系數(shù)A修正計算如表1所示。巖性系數(shù)修正后,節(jié)理裂隙發(fā)育的中硬巖矽卡巖巖性系數(shù)與修正前取值差別不大,其他三種則變化較大。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)及巖性系數(shù)A 修正計算

銅山口銅礦露采設(shè)計臺階高度為12 m,炮孔超深1.5 m,采用現(xiàn)場混裝乳化炸藥和數(shù)碼雷管,連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu),逐孔起爆[12]方式。穿孔設(shè)備有牙輪鉆和潛孔鉆兩種,孔徑分別為250 mm、150 mm;延米裝藥量分別為65 kg/m、25 kg/m;一般單孔裝藥量Q分別為400 kg、220 kg;單孔爆破巖石體積V0分別為523 m3、276 m3;最低填塞高度分別為5 m、4 m。在炮孔密集系數(shù)m=1.0～2.0、炸藥單耗q=0.4～0.96 kg/m3、大塊率R≈5%的限制條件下,利用Kuz-Ram 模型預(yù)測爆破塊度,結(jié)果見表2。

經(jīng)對比可知,同一爆破區(qū),炸藥單耗、炮孔密集系數(shù)相近時,因孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥高度不同,模型修正前后均反映出牙輪鉆作業(yè)區(qū)預(yù)測塊度值、大塊率遠(yuǎn)大于潛孔鉆穿孔爆破區(qū)預(yù)測值,與爆破實(shí)際相符;模型參數(shù)修正后,相同爆破條件下,預(yù)測塊度值增大,塊度分布均勻性指標(biāo)減小,大塊率增加;同時,增大巖石性能系數(shù)區(qū)別度后,易爆區(qū)塊度較小,大塊率低。

在A=11.2、d=150 mm、Q=220 kg時,分別調(diào)整炮孔密集系數(shù)m、最小抵抗線W時,預(yù)測炸藥單耗降低,大塊率上升,如圖1、圖2所示。

圖1 m、q、R 關(guān)系

圖2 W、q、R 關(guān)系

結(jié)合多年礦山爆破實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),爆破塊度預(yù)測模型參數(shù)修正后,預(yù)測值與爆破實(shí)際效果相符,可利用該模型指導(dǎo)爆破參數(shù)優(yōu)化[3]和爆破塊度管控工作。

2.2 爆破塊度管控措施

(1)綜合考慮石料開采成本,應(yīng)根據(jù)巖性選擇合適的穿孔設(shè)備。節(jié)理裂隙發(fā)育的矽卡巖區(qū)域首選潛孔鉆穿孔,其他區(qū)采用牙輪鉆穿孔,采取分穿分爆措施控制大塊率。

(2)保持單孔裝藥量不變時,因混裝乳化炸藥全耦合裝藥,炮孔線裝藥密度基本穩(wěn)定,采取分段裝藥,確保最低填塞高度要求。改變炸藥爆破能量分布,提高裝藥高度,使塊度分布更均勻。

(3)炮孔裝藥量最大時,因爆破體破碎理論所需炸藥單耗一定,單孔爆破量越大,在提高炮孔利用率、減少穿孔作業(yè)量的同時,可采取寬孔距、小排距的布孔方式。

(4)當(dāng)開采量大時,因爆破比穿孔、機(jī)械二次破碎效率高,必要時可適當(dāng)提高炸藥單耗,降低大塊率,增大爆堆松散度,提高鏟裝效率。

(5)加強(qiáng)穿孔精度控制。由預(yù)測模型可知,當(dāng)孔位偏差減小時,塊度分布均勻指標(biāo)增大,炸藥單耗、大塊率降低。

3 結(jié)論

(1)對爆破塊度預(yù)測Kuz-Ram 模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正,增加巖石性能系數(shù)A區(qū)分度,爆破塊度預(yù)測模型與爆破實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相符。

(2)爆破塊度預(yù)測結(jié)果顯示,針對不同巖性的爆破體,應(yīng)采取分穿分爆措施,采用分段間隔裝藥,有利于塊度和炸藥單耗控制。

(3)在節(jié)理裂隙發(fā)育矽卡巖難爆區(qū),炮孔密集系數(shù)m為1.0～1.9,潛孔鉆穿孔排距(最小抵抗線)為3.1～3.7 m;其他易爆區(qū)采用牙輪鉆穿孔,排距(最小抵抗線)為6.3～7.3 m,爆破塊度均勻效果好。