陳 剛

(中金嶺南凡口鉛鋅礦, 廣東韶關市 512325)

凡口鉛鋅礦盤區(qū)機械化上向中深孔充填采礦法的爆破網絡及爆破參數(shù)優(yōu)化分析

陳 剛

(中金嶺南凡口鉛鋅礦, 廣東韶關市 512325)

針對凡口鉛鋅礦用盤區(qū)機械化上向中深孔充填法回采間柱采場的過程中,沿用原來的爆破技術所產生的問題和目前企業(yè)對安全提出的新要求,對爆破網絡及爆破參數(shù)進行了優(yōu)化調整,并引進光面爆破技術,進一步完善了該采礦工藝。

盤區(qū)機械化上向中深孔充填采礦法;礦堆;爆破網絡;裝藥結構;光面爆破

凡口鉛鋅礦作為較早引進盤區(qū)機械化上向中深孔充填采礦法(以下簡稱臺車爆破采礦)工藝的礦山企業(yè)之一,臺車爆破采礦應用至今已有17 a。爆破工藝從探索到成熟,爆破網絡和爆破參數(shù)經過反復調整和試驗后確定下來,并在淺部主礦體應用中取得了良好的效果。臺車爆破采礦在回采過程中機械化程度高,工藝流程集中管理,大大提高了采礦效率,降低了安全風險。目前凡口鉛鋅礦年生產能力約150萬t礦石,18萬t鉛鋅金屬量。為順利完成生產任務,生產組織上更側重于VCR大爆破采礦和臺車爆破采礦。經過多年的開采,近幾年臺車爆破采場已轉移至淺部獅嶺南盤區(qū)礦體和深部礦體。

1 區(qū)域礦體及采場特征

淺部獅嶺南盤區(qū)礦體主要賦存于F3斷裂的上下盤中～上泥盆統(tǒng)碳酸鹽巖地層中,以塊狀鉛鋅礦為主,形態(tài)復雜多變,礦巖均較穩(wěn)固,f＝8～13,賦存標度-19～-660 m,礦體埋藏較深,與壺天含水層相距較遠,受上部回采區(qū)域影響相對較小,開采技術條件較好。采場主要沿走向布置,極不規(guī)整。

深部礦體處于獅嶺背斜東翼,賦存于D3ta～D2db地層中,為塊狀黃鐵鉛鋅礦和塊狀黃鐵礦兩種類型。礦石穩(wěn)固性較好,f＝4～17,由于盤區(qū)采準工程距F3斷層較遠,受其影響較小,平巷頂板受破壞較少,隨著礦體開采深度的增加,范圍的增大,深部開采的地壓也隨之增大,且礦石含硫較高,易發(fā)熱結塊。采場沿垂直礦體走向布置,貫穿209#和214#礦體,較規(guī)整,多數(shù)分東西兩礦房采場分別進行回采,以30～60 m長的采場居多。一般采場東頭較破碎,西頭礦體向西傾斜。

2 存在的問題

不同區(qū)域的礦體其地質情況和礦石的物理力學性質有較大差異,為進一步確?，F(xiàn)場施工安全,對爆破效果提出了一些新要求。目前主要存在的問題有拉槽區(qū)在爆破后經常出現(xiàn)堵塞,進路口礦堆偏低,爆破后的礦巖面不平整。

采場在爆破后拉槽區(qū)出現(xiàn)堵塞,造成的直接后果有2個:一是通風回路破壞,炮煙亂竄,特別是在深部通風條件不佳的情況下,對作業(yè)更會造成嚴重影響;二是爆破后處理松石時高處堵塞的地方處理不到,低的地方無法處理,增加了安全難度。進路口礦堆偏低,造成采場頂板距離礦堆的空間較高,將給爆破后處理松石帶來很大難度。爆破后的礦巖面不平整,大大降低了礦巖的穩(wěn)定性,產生大量松石,由于采用側向爆破崩礦方式,工作面的礦堆偏低,松石處理難度增大,對爆破后的后續(xù)作業(yè)帶來極大的安全隱患,并增大了貧化。

3 解決問題的方法

采場在爆破后拉槽區(qū)出現(xiàn)堵塞,解決的方法有4種:

(1)將天井或人工拉槽區(qū)挑高至6 m以上,并增大拉槽區(qū)的寬度,保證有足夠富裕的補償空間,但這不僅增大了整個回采作業(yè)過程中的施工難度,也帶來很大的安全風險;

(2)調整孔網參數(shù),大量爆破實踐證明,當每排孔眼為6個時,采場孔眼排距在1.3～1.4 m最為適宜,若在原有基礎上增大孔網參數(shù),雖然可以降低拋擲力,但同時也會增加大塊產生的機率;

(3)調整拉槽區(qū)附近側爆區(qū)炮孔爆破網絡,改變部分礦石拋擲方向,從而控制拉槽區(qū)礦堆高度;

(4)調整拉槽區(qū)附近側爆區(qū)的雷管段數(shù)和炮孔線裝藥系數(shù),減少礦石向拉槽區(qū)拋擲,降低拉槽區(qū)礦堆高度。

進路口礦堆偏低的解決方法有兩種:

(1)爆破后進行墊礦,使礦堆達到要求高度,這需要提前在其他作業(yè)點預留足夠礦石,大大影響了其他作業(yè)點的施工進度,并且為確保作業(yè)人員安全,對設備也提出了較高要求;

(2)采場壓頂和充填時控制好采場空高,爆破時通過調整進路口處的爆破網絡,改變礦石拋擲方向,減小礦石向前的拋擲力,從而降低礦堆坡度,達到增加進路口處礦堆高度的效果。

爆破后礦巖面不平整的解決方法有一種,鑒于光面爆破技術在采場拉底、壓頂、巷道掘進中得以廣泛應用,嘗試采用光面爆破技術。

4 方案選取和可行性分析

4.1 拉槽區(qū)爆破后堵塞的解決方案選取

凡口鉛鋅礦臺車爆破采礦傳統(tǒng)的拉槽區(qū)附近爆破網絡如圖1所示,拉槽區(qū)兩側的爆區(qū)采用相同段數(shù)同時向拉槽區(qū)方向爆破,邊孔采用滯后一段爆破,在拉槽區(qū)高度一定的情況下,由于兩側爆區(qū)礦石同時向拉槽區(qū)方向拋擲,過多礦石在拉槽區(qū)處堆積,造成拉槽區(qū)出現(xiàn)堵塞。

圖1 傳統(tǒng)拉槽區(qū)附近爆破網絡

實踐證明,當側爆區(qū)自由面在4 m以上時即可取得良好的爆破效果。一般規(guī)則采場,采場寬度為8 m,每排布置6個孔眼,可以考慮側爆區(qū)的中間4個孔先爆破,然后側爆區(qū)的6～8個邊孔滯后成一排進行爆破,如圖2和圖3所示,這樣,邊孔可自成一排以中間孔爆破產生的裂面為自由面向采場中線方向爆破。目前凡口鉛鋅礦臺車爆破采用高精度毫秒雷管起爆,1#～15#、16#～25#、26#～30#每段間隔時間分別為25,50 ms和100 ms,應盡量縮短此區(qū)域的爆破間隔時間,可采用重段起爆的方式,使邊孔爆破的瞬間,中間部分的礦石還未形成較大拋擲距離。邊孔爆破后產生的礦石受到中間部分的礦石阻礙,將有很大一部分落在其下方,而中間部分礦石受到邊孔爆破后的應力擠壓作用,大大削弱其拋擲力,從而達到降低拉槽區(qū)礦堆堆積高度的目的。

圖2 修改后拉槽區(qū)附近爆破網絡

圖3 修改后拉槽區(qū)附近爆破網絡

觀察圖2和圖3,主要區(qū)別在于中間4個孔中的邊孔是否滯后爆破。為了更好達到修改方案的預期目的,在滿足爆破效果的前提下,應盡可能增大邊孔爆破崩礦量。圖4(a)為單孔爆破效果示意圖,W為最小抵抗線,目前使用的是乳化炸藥,孔內為連續(xù)裝藥,可視為柱狀藥包。柱狀藥包爆破時應力場是軸對稱的,端部裂隙為呈龜裂狀發(fā)展的半球狀,與球狀藥包類似,柱部裂隙基本上為與藥包軸線相平行和垂直的裂隙。而最小抵抗線是爆破作用的主導方向,裂隙最快得到發(fā)展。其附近的巖石由于抗剪和抗拉強度小于爆破應力強度而受到破壞,從而形成如圖4(a)所示的爆破范圍[1]。圖4(b)為整排炮孔同時爆破效果示意圖。其爆破機理首先滿足單孔爆破機理,同時巖層受到爆破沖擊波作用產生徑向裂縫并將在相鄰炮孔的垂直平面上相互貫通,應力波在巖層中激起的縱波和橫波,使同時起爆的炮孔之間的巖層受到多向的壓縮、拉伸和剪切力作用,相鄰炮孔藥包爆炸的應力波相互疊加,形成反射壓應力,使巖層產生縱橫交錯的應力波切割面;隨著爆生氣體進入這些裂縫并使之擴大和延伸,將巖塊從自由面拋出,形成如圖4(b)所示的爆破區(qū)域[2]。圖4(c)為邊孔滯后爆破效果示意圖。其爆破機理和圖4 (b)一樣,但由于邊孔自由面方向發(fā)生改變,最小抵抗線方向和邊孔爆破的礦石拋擲方向也隨之發(fā)生改變,導致破壞區(qū)域和礦石向前的拋擲力減小,從而形成如圖4(c)所示的爆破區(qū)域。通過分析,很顯然,圖3的爆破網絡優(yōu)于圖2,更能達到爆破效果要求。

圖4 爆破效果示意

同時調整拉槽區(qū)以東的雷管段數(shù),使拉槽區(qū)以東爆破的礦石拋擲時間滯后于拉槽區(qū)以西,當拉槽區(qū)以西礦石在拉槽區(qū)位置堆積達到一定高度后,將有效地阻止拉槽區(qū)以東礦石的拋擲,使整個采場礦堆的最高點向東移。減小拉槽區(qū)附近側爆區(qū)4～5排孔的線裝藥系數(shù),即減少孔炸藥離孔口的高度,使孔口部分礦石在爆破作用下下壓留于原地,可進一步減少礦石向拉槽區(qū)堆積。

進路口礦堆偏低解決方案同上。

4.2 光面爆破在臺車爆破采礦中應用

光面爆破不但可以使巖壁成型規(guī)整,減少超爆現(xiàn)象,而且不易產生爆震裂隙,新巖面破壞小,巖體的承載能力不下降,減少應力集中現(xiàn)象[3]。

凡口鉛鋅礦臺車爆破采礦采用上向中深孔,孔徑為51 mm,孔深為3.6～6.0 m。就基本參數(shù)來看,臺車爆破采礦與光面爆破技術要求相差不大,區(qū)別在于炮孔為上向孔,裝藥施工時較難,采場工作面的前排炮孔大都為沿礦體傾向布置的傾斜炮孔,為了滿足光面爆破技術要求,可以按圖5對爆破網絡進行調整,炮孔傾斜角度從倒數(shù)第4排進行調節(jié),保證最后兩排的傾角一致,最小抵抗線與主爆區(qū)的排距一致。光面爆破技術的另一要求是炮孔質量,由于孔深不大,可通過加強現(xiàn)場施工管理來控制好炮孔施工精度。

影響光面裂縫形成的因素除了巖體自身特性等外,人為能夠進行調整的因素有光面爆破參數(shù)、裝藥結構和現(xiàn)場施工質量等[4]。

孔間距a:一般為炮眼直徑的10～20倍,考慮采場寬度限制,可取1.1～1.3 m。

最小抵抗線W:最小抵抗線一般應大于或等于光面爆破孔間距,可取主體爆破區(qū)域排距,W＝1.3～1.4 m。

圖5 光爆孔布置剖面

不耦合系數(shù)K:不耦合裝藥分徑向不耦合和縱向不耦合,縱向不耦合系數(shù)為空氣柱長度H與裝藥長度h之比,徑向不耦合系數(shù)為炮孔直徑D與藥卷直徑d之比,當不耦合系數(shù)使炮孔壓力低于巖壁動抗壓強度而高于動抗拉強度時,才能獲得良好的爆破效果[5]。K可取2.0～3.0。

裝藥層數(shù)及藥量分配:當炮孔深度l＝(1.6～2.5)W時,可將單孔藥量分成兩層裝藥;當l＝(2.6～3.7)W時,可分成3層裝藥[5]。臺車爆破的孔深一般在3.4～4.5 m,l＝(2.4～3.4)W。由于臺車爆破采礦為上向孔,為便于裝藥和堵塞作業(yè),裝藥層數(shù)選兩層為宜。孔口至最下層藥包的堵塞長度l1應控制在(1.1～1.2)W或等于炮孔間距a,取l1＝1.1～1.2 m;同時分層藥包彼此的中心間距a1應滿足:20 cm≤a1≤W,取a1＝1.1～1.3 m。單孔裝藥量的分配原則是:兩層裝藥時,上層藥包等于0.4q,下層藥包0.6q。

線裝藥密度:為了控制裂隙的發(fā)育并保持爆后巖壁面的完整穩(wěn)固,在保證沿炮孔連心線破裂的前提下,盡可能少裝藥[5]。線裝藥密度可取1.3～1.7 kg/m。

經過實踐,可采用如圖6所示的裝藥結構,先將第一層起爆雷管、預制藥包、導爆索和間隔竹筒用裝藥管頂至孔底,裝入約50～60 cm的乳化炸藥,再裝入一層塑料紙,防止藥包和乳化炸藥下滑。裝入第二層起爆雷管和預制藥包,最后用炮泥進行填塞。

圖6 裝藥結構示意

起爆方式:試驗和實踐證明,光爆孔采用齊發(fā)爆破裂隙表面最平整。因為齊發(fā)爆破時,炮孔間貫通裂隙較長,抑制了其他方向裂隙的發(fā)育,從而形成平整的壁面。

現(xiàn)場施工:臺車爆破采礦采用機械化裝藥,炸藥為乳化炸藥,很難實現(xiàn)孔內徑向不耦合裝藥,因此在爆破前準備時,可用現(xiàn)有的起爆藥卷進行固定,達到要求長度,也可聯(lián)系炸藥供應商制作相應規(guī)格的藥包。施工過程中注意光爆孔施工質量和裝藥質量。

5 應用實踐

通過對多個臺車爆破采場的試驗,使用調整后的爆破網絡進行爆破取得了良好的爆破效果,特別是采場長度在50 m以內時。不僅降低了拉槽區(qū)的礦堆高度,而且由于邊孔向采場中線方向爆破,更進一步降低了爆破對采場邊幫的破壞,使采場邊幫更加平整,進路口礦堆也顯著增高。光面爆破在凡口鉛鋅礦臺車爆破采礦中應用還處于不成熟階段,現(xiàn)場施工主要采用竹筒進行間隔裝藥,未考慮孔內徑向的不耦合裝藥,且分層裝藥量也未進行嚴格控制,鑿巖時孔眼精度控制也較差,因此爆破效果甚微。

6 結 語

目前,凡口鉛鋅礦臺車爆破采礦量在礦年采總礦量中占有相當大的比例,如何確保臺車爆破采礦在新作業(yè)區(qū)域仍保持安全、高效已成為當務之急。試驗的成功,充分證明了臺車爆破工藝中通過調節(jié)爆破網絡來達到控制礦堆的可行性,為解決工藝中存在的其他一些問題提供了一條思路。而光面爆破技術的引入也是很有必要的,其爆破參數(shù)和工藝還需進一步在實踐中完善。

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2012-03-16)

陳 剛(1986-),男,新疆伊寧人,助理工程師,從事采礦技術管理工作,Email:349204592@qq.com。