深部急傾斜薄礦體中深孔爆破夾制力量化分析

摘要：在深部急傾斜薄礦體中深孔爆破過(guò)程中，由于圍巖的夾制力作用，在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中往往存在“爆不開(kāi)”或“爆太開(kāi)”的情況，從而導(dǎo)致采礦損失貧化大等問(wèn)題。針對(duì)某礦山的開(kāi)采技術(shù)條件，基于PFC 2D數(shù)值模擬軟件對(duì)深部急傾斜中深孔爆破過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，量化分析深部急傾斜薄礦體中深孔爆破過(guò)程中有無(wú)圍巖夾制力對(duì)爆破效果的影響，確定炮孔直徑為65 mm，排距（抵抗線(xiàn)）為1.6 m?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：爆破后效果良好，大塊率較低，礦石貧化率為15 %，采礦損失率為5 %，炸藥單耗為0.6 kg/t，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)爆破效果相近，相應(yīng)的爆破參數(shù)可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：深部開(kāi)采；中深孔落礦；中深孔爆破；急傾斜薄礦體；數(shù)值模擬；高夾制力

中圖分類(lèi)號(hào)：TD235""""""""""文章編號(hào)：1001-1277（2024）08-0052-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240807

引"言

急傾斜薄礦體是金、銀等貴金屬礦床常見(jiàn)的賦存形態(tài)［1-4］。在開(kāi)采這類(lèi)礦體過(guò)程中，常采用淺孔留礦采礦法［5］、脈內(nèi)上向水平分層充填采礦法［6］、干式充填采礦法［7］等“勞動(dòng)密集型”的傳統(tǒng)淺孔采礦工藝，采場(chǎng)作業(yè)環(huán)境差、工人直接在采場(chǎng)頂板下施工，采礦損失貧化大、生產(chǎn)能力低等問(wèn)題突出。而在國(guó)外類(lèi)似礦床的開(kāi)采過(guò)程中，以中深孔連續(xù)干式充填采礦法、分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法等中深孔機(jī)械化開(kāi)采工藝為主［8］，工人在有支護(hù)的巷道中作業(yè)，生產(chǎn)能力大、安全程度高，能夠切實(shí)達(dá)到深部急傾斜薄礦體規(guī)模化安全高效開(kāi)采目標(biāo)。目前，一些礦山在自動(dòng)化、機(jī)械化、信息化、智能化改造過(guò)程中，也逐漸開(kāi)始摒棄傳統(tǒng)淺孔開(kāi)采工藝，積極探索以中深孔開(kāi)采工藝為主的機(jī)械化開(kāi)采方案［8］。但是，與厚大礦體中深孔爆破過(guò)程不同，深部急傾斜薄礦體在爆破過(guò)程中，由于圍巖的夾制力作用［9］，鑿巖爆破參數(shù)缺乏相關(guān)理論依據(jù)指導(dǎo)，在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中往往存在采礦損失貧化大等問(wèn)題［10-12］。本文基于數(shù)值模擬技術(shù)，量化分析深部急傾斜薄礦體中深孔爆破過(guò)程中有無(wú)圍巖夾制力對(duì)爆破效果影響，以期為深部礦體安全高效開(kāi)采提供技術(shù)支撐。

1"工程背景

1.1"地質(zhì)概況

某礦山礦床成因?yàn)槲g變型巖金礦床，巖性為絹云石英片巖，礦石類(lèi)型主要為黃鐵礦化石英脈和黃鐵礦化蝕變類(lèi)型，礦體平均厚度2.12 m，傾角近直立，品位3.12 g/t，屬急傾斜薄礦體。巖體質(zhì)量中等，礦巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育。

1.2"采礦工藝

該礦山原采用無(wú)底柱淺孔留礦采礦法和脈內(nèi)上向水平分層充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采，由于原工藝存在生產(chǎn)能力小、貧損指標(biāo)大、安全程度差等問(wèn)題，經(jīng)技術(shù)改造后，部分采場(chǎng)改為上行式中深孔分段充填連續(xù)采礦法，如圖1所示，采場(chǎng)沿走向布置，分礦房、礦柱兩步驟回采，不留頂、間柱連續(xù)回采，由下至上分段回采，每個(gè)分段內(nèi)后退式回采，采用平行中深孔落礦工藝，炮孔直徑65 mm，通過(guò)裝藥器吹入散裝乳化炸藥，數(shù)碼雷管起爆，遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦，每分段采空區(qū)出礦結(jié)束后立即充填并轉(zhuǎn)入上一分段回采。

2"中深孔爆破數(shù)值模擬

2.1"炸藥破巖過(guò)程

根據(jù)其他礦山實(shí)際開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，中深孔爆破生產(chǎn)能力大，作業(yè)安全程度高，便于機(jī)械化施工，有利于降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。然而，在深部急傾斜薄礦體中深孔爆破應(yīng)用過(guò)程中，由于礦脈厚度小，往往受到較大的圍巖夾制力影響，加之周?chē)鷰r體節(jié)理裂隙發(fā)育，一旦爆破參數(shù)應(yīng)用不當(dāng)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“爆不下來(lái)”或“爆得太開(kāi)”等問(wèn)題［13］，從而造成采礦損失貧化加大的后果，如圖2所示［14］。為探究和表征深部急傾斜薄礦體中深孔爆破時(shí)的夾制力，采用PFC 2D數(shù)值模擬軟件對(duì)深部急傾斜中深孔爆破過(guò)程進(jìn)行分析。

結(jié)合大量工程實(shí)際和理論研究結(jié)果，巖體在爆破過(guò)程中可簡(jiǎn)化為2個(gè)階段［15］：第1個(gè)階段為炸藥爆炸后產(chǎn)生應(yīng)力加載速率極高的應(yīng)力波動(dòng)壓作用階段;第2個(gè)階段為炸藥爆炸過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)附帶產(chǎn)生的爆生氣體準(zhǔn)靜壓作用階段。巖體爆破裂紋的數(shù)量和特征與其應(yīng)力加載率緊密相關(guān)。第1個(gè)階段發(fā)生過(guò)程中，炸藥爆炸后產(chǎn)生沖擊波的作用時(shí)間僅為零點(diǎn)幾毫秒，應(yīng)力加載率大，促使巖體產(chǎn)生較多的徑向裂紋，但裂紋延展長(zhǎng)度短。第2個(gè)階段發(fā)生過(guò)程中，爆生氣體的作用時(shí)間則達(dá)到了幾十甚至上百毫秒，應(yīng)力加載率降低，產(chǎn)生的裂紋少，但在爆生氣體作用下不斷推動(dòng)第1個(gè)階段中產(chǎn)生的裂紋向遠(yuǎn)端延展，從而擴(kuò)大了裂隙長(zhǎng)度。根據(jù)這一顯著特征將巖體爆破過(guò)程簡(jiǎn)化為2個(gè)發(fā)生段，如圖3所示。

2024年第8期/第45卷""礦業(yè)工程礦業(yè)工程""黃"金

2.2"數(shù)值模擬模型建立

本次模擬過(guò)程中，建立模型如下：礦體厚度設(shè)置為2 m，無(wú)限區(qū)域圍巖寬度取礦體的2倍，設(shè)置為4 m，礦體長(zhǎng)度取6 m，自由面暴露長(zhǎng)度取1 m，整個(gè)模型長(zhǎng)度約10 m，寬度7 m，如圖4所示。

2.3"基于宏觀參數(shù)的細(xì)觀巖體力學(xué)參數(shù)標(biāo)定

PFC 2D是一種基于粒子運(yùn)算的離散元數(shù)值模型，模型中用于定義顆粒之間的細(xì)觀力學(xué)行為與宏觀力學(xué)行為具有一定差別，因此在由室內(nèi)試驗(yàn)得到巖體的宏觀參數(shù)后，還應(yīng)不斷調(diào)整和標(biāo)定顆粒間的細(xì)觀參數(shù)，從而得到與巖體宏觀力學(xué)參數(shù)對(duì)象匹配的細(xì)觀參數(shù)。

通過(guò)標(biāo)定，采用平行黏結(jié)模型，并得到巖體宏觀力學(xué)參數(shù)與細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表1和表2所示。

在PFC 2D程序中采用半徑擴(kuò)大法生成的計(jì)算模型如圖5所示。模型粒徑為0.005～0.007 5 m，粒徑比為1.5，平均粒徑為0.006 25 m，共生成顆粒約50 359個(gè)。

3"圍巖夾制力及其量化分析

構(gòu)建數(shù)值模擬模型探求夾制力對(duì)回采爆破的影響（如圖6所示）。通過(guò)設(shè)置自由面出露長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行夾制力的設(shè)置，無(wú)夾制力時(shí)，自由面出露長(zhǎng)度為0 m，即自由面完全暴露；有夾制力時(shí)，自由面內(nèi)陷1 m，以還原深部急傾斜薄礦體爆破過(guò)程中的圍巖夾制力。炮孔采用雙孔爆破形式，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，一般最小抵抗線(xiàn)為炮孔直徑的25～30倍，因此，取最小抵抗線(xiàn)為1.6 m，炮孔距離礦體邊界0.2 m。

3.1"無(wú)夾制力時(shí)中深孔爆破結(jié)果

無(wú)夾制力情況下，雙孔起爆時(shí)，底部沿炮孔連線(xiàn)率先撕裂形成漏斗底，且各炮孔形成的爆破漏斗接近標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗形成的45°角邊界線(xiàn)，邊界線(xiàn)順利通過(guò)圍巖節(jié)理裂隙，并在疊加作用下形成碗狀漏斗形態(tài)（如圖7所示）。

3.2"有夾制力時(shí)中深孔爆破結(jié)果

有夾制力情況下，雙孔起爆時(shí)，底部沿炮孔連線(xiàn)率先撕裂形成漏斗底，但各炮孔形成的爆破漏斗由于夾制力作用，形成漏斗邊界線(xiàn)小于標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗的45°，邊界線(xiàn)在圍巖節(jié)理裂隙時(shí)受到阻滯，不能順利貫通（如圖8所示）。兩炮孔雖在疊加作用下形成碗狀漏斗形態(tài)，但在圍巖夾制力影響下，漏斗體積明顯小于無(wú)夾制力情況，并在局部形成懸壁礦，造成一定礦石損失，且存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.3"圍巖夾制力量化分析

為進(jìn)一步量化深部急傾斜薄礦體夾制力的影響，評(píng)估夾制力對(duì)爆破效果的影響，通過(guò)爆破超挖、欠挖程度及裂紋密度等可量化的指標(biāo)對(duì)中深孔爆破效果進(jìn)行定量分析［14］。

爆破超挖與欠挖定義為：空腔（未爆破的區(qū)域）超過(guò)礦體邊界區(qū)域即為超挖，空腔小于礦體邊界區(qū)域即為欠挖，計(jì)算公式為：

A=Sover/S0（超挖）"Sunder/S0（欠挖） （1）

式中：Sover為超挖面積（m2）；Sunder為欠挖面積（m2）；S0為設(shè)計(jì)爆破面積（m2）。

有無(wú)夾制力超欠挖對(duì)比如圖9所示，由此可計(jì)算得到無(wú)夾制力時(shí)：Sover=3.95 m2，S0=9.29 m2，Sunder=0 m2，礦石貧化率為42.5 %，采礦損失率為0；有夾制力時(shí)，Sover=0.63 m2，S0=4.31 m2，Sunder=0.11 m2，礦石貧化率為14.6 %，采礦損失率為2.6 %。

其中有無(wú)夾制力對(duì)爆破效果的影響可根據(jù)爆破面積來(lái)進(jìn)行衡量，無(wú)夾制力時(shí)，爆破面積為9.29 m2；有夾制力時(shí)，爆破面積僅為4.31 m2，面積減少輻度較大，由此可見(jiàn)薄礦體爆破時(shí)的夾制力之大。

定義裂紋密度為回采區(qū)域單位面積內(nèi)的裂紋數(shù)量，該指標(biāo)可直觀反映爆破后礦巖塊度的粒徑特征與爆破能量的集中程度。無(wú)夾制力時(shí)，裂紋密度為703條/m2；有夾制力時(shí)，裂紋密度為1 422條/m2。

由此可見(jiàn)，有夾制力時(shí)，由于圍巖（近似為無(wú)限平面）的彈性波吸能作用，爆破能量?jī)A向于向自由面（阻力最小的方向）進(jìn)行反射，從而撕裂巖石，因此導(dǎo)致爆破空腔減小，裂紋相對(duì)集中，爆破能量更為集中。

4"現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

結(jié)合數(shù)值模擬爆破結(jié)果，由于圍巖的夾制力導(dǎo)致爆破能量更為集中，因此為確保爆破效果，應(yīng)將炮孔布置在近礦體邊界處，最終根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況將炮孔布置在礦體邊界100 mm處，并采用相應(yīng)的爆破參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)效果如圖10所示。由圖10可知：爆破后效果良好，炸藥能量分布合理，大塊率較低，無(wú)需進(jìn)行二次破碎，便于鏟運(yùn)機(jī)倒運(yùn)礦石。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，礦石貧化率為15 %，采礦損失率為5 %，炸藥單耗為0.6 kg/t，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果與數(shù)值模擬效果相符合，證明數(shù)值模擬結(jié)果可信。

5"結(jié)"論

本文通過(guò)對(duì)深部急傾斜薄礦體中深孔爆破過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，真實(shí)還原了中深孔爆破過(guò)程中圍巖夾制力對(duì)爆破效果的影響，并取得了如下結(jié)論：

1）針對(duì)該礦山的開(kāi)采技術(shù)條件，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)方法初步確定的中深孔爆破孔網(wǎng)參數(shù)是可行的，因此炮孔直徑可確定為65 mm，排距（抵抗線(xiàn)）為1.6 m。

2）為量化深部急傾斜薄礦體中深孔爆破過(guò)程中圍巖的夾制力作用，根據(jù)超挖、欠挖面積和裂紋密度，提出了相應(yīng)的量化指標(biāo)。

3）有夾制力時(shí)，由于爆破空腔減小，裂紋相對(duì)集中，爆破能量更為集中，導(dǎo)致炮孔周?chē)樾蓟瘒?yán)重，因此在深部急傾斜薄礦體中深孔爆破現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)將炮孔布置在近礦體邊界處方能取得較好爆破效果。

4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破效果，采用上述爆破孔網(wǎng)參數(shù)能夠取得較好效果，相關(guān)研究成果可為其他礦山提供借鑒和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Quantitative analysis of compression force in medium long-hole blasting

in deep steeply inclined thin ore bodies

Zhang Xiaorui1，2，Jia Zhiwei3，An Long4

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.;

2.Key Laboratory of Ground Control Management Plan in Deep Metal Mines，National Mine Safety Administration;

3.China National Gold Group Co.，Ltd.;

4.Key Laboratory of Ministry of Education for Safe Mining of Deep Metal Mines，Northeastern University）

Abstract：During the medium long-hole blasting process in deep steeply inclined thin ore bodies，the surrounding rock，s compression force often causes issues such as \"inadequate blasting\" or \"excessive blasting\" during production practice.This leads to significant mining losses and ore dilution.Based on the mining technical conditions of a specific mine and using PFC 2D numerical simulation software to numerically simulate the medium long-hole blasting process in deep steeply inclined thin ore bodies，a quantitative analysis was performed on the impact of surrounding rock compression force on blasting effects in deep steeply inclined thin ore bodies.It was determined that the borehole diameter should be 65 mm and the blast spacing （resistance line） should be 1.6 m.Field applications showed that the blasting results were satisfactory with a low block rate，an ore dilution rate of 15 %，a mining loss rate of 5 %，and an explosive consumption of 0.6 kg/t.The numerical simulation results were consistent with field blasting effects，and the corresponding blasting parameters can guide on-site production.

Keywords：deep mining;medium long-hole caving;medium long-hole blasting;steeply inclined thin ore body;numerical simulation;high compression force