田益琳 田靖

(河北鋼鐵集團(tuán)司家營研山鐵礦有限公司,河北唐山 063701)

分段間隔裝藥技術(shù)在司家營研山鐵礦的應(yīng)用

田益琳 田靖

(河北鋼鐵集團(tuán)司家營研山鐵礦有限公司,河北唐山 063701)

司家營研山鐵礦做為國內(nèi)罕有的大型露天礦山,采剝總量較高,爆破量較大,爆破成本占到礦石開采成本的30%以上,影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益;本文主要論述司家營研山鐵礦通過使用空氣間隔裝藥技術(shù),達(dá)到了改善爆破效果,降低爆破成本的效果。

空氣間隔 裝藥 成本 效益

1 引言

穿孔爆破作業(yè)是露天開采的第一道工序,對后續(xù)的各個環(huán)節(jié),如鏟裝、運(yùn)輸、破碎都有重大影響,在礦山生產(chǎn)過程中占有極其重要的地位。由于穿孔爆破成本占礦石開采成本的30%以上,所以改善爆破效果,降低爆破成本提高經(jīng)濟(jì)效益是目前采礦生產(chǎn)的重要目標(biāo)之一。

2 礦山開采概況

司家營研山鐵礦位于河北省灤縣城南3km,地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°45′40″,北緯39°38′20″～39°39′42″。北距京山鐵路灤縣車站8km,西距遷(遷安)曹(曹妃甸)鐵路菱角山站4km;距唐鋼55km。平-青-大公路從礦區(qū)西側(cè)通過。灤河經(jīng)礦區(qū)東側(cè)向南流入渤海。

司家營研山鐵礦建設(shè)規(guī)模為采選1500萬噸礦石/年,達(dá)產(chǎn)后年采剝總量可達(dá)8000萬噸/年,礦山現(xiàn)有穿孔設(shè)備均為KY-310A牙輪鉆機(jī),鉆孔直徑d=310mm,一般巖石爆破孔網(wǎng)參數(shù)為：孔距a=8-9m,b=8m,臺階高度為12-15m,鉆孔超深2m,為了盡可能的降低爆破大塊率,填塞高度為8—8.5m,使用混裝炸藥車裝藥。單孔裝藥量平均為550kg,炸藥單耗一般為0.21kg/t,炸藥單耗偏高造成爆破成本嚴(yán)重超支,嚴(yán)重影響司家營研山鐵礦的經(jīng)濟(jì)效益。

3 爆破作用形成機(jī)理

根據(jù)介質(zhì)的破壞特征,單個球形藥包破壞的內(nèi)部作用可在爆源周圍形成壓碎圈、裂隙圈和震動圈。

3.1 壓碎圈

藥包爆炸時,直接與藥包接觸的巖石瞬間可受到超高壓(一般可達(dá)幾十萬MPa)沖擊波的作用,介質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞,對于大多數(shù)脆性巖石,則被壓碎,形成壓碎圈。

3.2 裂隙圈

在沖擊波作用的同時,壓力下降了的爆轟氣體也作用在藥包四周的巖石上,形成一個準(zhǔn)靜應(yīng)力場。在沖擊波造成徑向裂隙的時候,爆轟氣體開始膨脹并擠入這些裂隙中,導(dǎo)致徑向裂隙延伸。這樣,隨著徑向裂隙、環(huán)向裂隙和剪切裂隙的形成、擴(kuò)展、貫通,縱橫交錯、內(nèi)密外疏、內(nèi)寬外細(xì)的裂隙網(wǎng),將被爆介質(zhì)分割成大小不等的碎塊,從而形成裂隙圈。

3.3 震動圈

炸藥爆炸產(chǎn)生的能量在壓碎圈和裂隙圈內(nèi)消耗了很多。在裂隙以外的介質(zhì)中不再對介質(zhì)產(chǎn)生破壞作用,而只能使質(zhì)點(diǎn)發(fā)生彈性振動,直到彈性振動波的能量完全被介質(zhì)吸收為止。該作用圈的范圍比前兩個大得多,稱為震動圈。在爆破工程中,為了提高爆破能量的利用率,減小爆破危害,應(yīng)盡可能控制或減少壓碎圈和震動圈的形成,加強(qiáng)裂隙圈的破壞。

4 空氣間隔裝藥爆破技術(shù)簡述

根據(jù)巖石爆破破壞的應(yīng)力波反射拉伸破壞假說可知,巖石的破壞形式是拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生的,巖石是被拉斷的。巖石破碎機(jī)理研究表明,巖石的極限破碎強(qiáng)度是隨著爆轟壓力的加載速度的增加而增加即加載的速度越快,巖石的破碎越難,因?yàn)楸频某跏济}沖壓力越大,消耗在壓碎區(qū)的能量就越大,而作用在破碎區(qū)的能量就越小,如果適當(dāng)?shù)販p少爆破的初始脈沖壓力,則可減小消耗在壓碎區(qū)的能量;另一方面,根據(jù)沖量原理,當(dāng)爆破脈沖壓力一定時,作用時間越長,爆破脈沖沖量越大,對巖石破碎越有利。

空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu),就是在孔中進(jìn)行分段間隔裝藥,各段之間形成空氣間隔,由于空氣可以改善爆破能量傳遞過程的匹配關(guān)系降低爆轟產(chǎn)物對孔壁的初始壓力,調(diào)節(jié)爆破的脈沖系數(shù),即降低爆破的脈沖初始峰值延長爆破脈沖持續(xù)時間,提高能量的利用率;另一方面,當(dāng)裝藥爆炸后,首先在空氣柱內(nèi)激起相向傳播的空氣沖擊波,并在空氣柱中心發(fā)生碰撞,使壓力增高,同時產(chǎn)生反射沖擊波于相反方向傳播,其后又發(fā)生反射和碰撞,炮孔內(nèi)空氣沖擊波往返傳播,發(fā)生多次碰撞,增加了沖擊壓力及其激起的應(yīng)力波作用時間,從而,提高了應(yīng)力波在爆破中的破碎作用,提高了炸藥能量的有效利用率,降低了炸藥消耗量。

圖1 連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)圖

圖2 分段間隔裝藥結(jié)構(gòu)圖

圖3 底部裝藥結(jié)構(gòu)

5 分段間隔裝藥在司家營研山鐵礦的應(yīng)用

5.1 概況

司家營研山鐵礦自從2012年底采用分段間隔裝藥進(jìn)行爆破施工作業(yè),使用空氣間隔器進(jìn)行中間間隔不耦合裝藥,通過空氣間隔,單孔裝藥量雖然減少了,但是藥柱高度沒有變化甚至藥柱高度增加(裝藥結(jié)構(gòu)對比圖如圖1、圖2和圖3所示)。

5.2 間隔器作用

在露天礦開采深孔爆破中使用氣體間隔器,可降低孔內(nèi)爆炸壓力,減少甚至避免因耦合裝藥而形成的礦巖沖擊粉碎,擴(kuò)大破裂范圍,提高炸藥爆破能量的有效利用率,降低炸藥單耗。為礦山開采爆破節(jié)約炸藥,降低采礦成本。此外,由于裝藥位置的提高,使孔內(nèi)爆破壓力沿炮孔軸向的分布更加均勻,能有效地克服根底和降低爆破大塊率,為鏟裝、運(yùn)輸?shù)群罄m(xù)工序的高效生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

5.3 爆破效果分析

(1)通過圖二使用空氣間隔器進(jìn)行中間間隔裝藥與圖一連續(xù)柱狀裝藥進(jìn)行對比,裝藥量雖然做了適當(dāng)?shù)慕档?但是藥柱高度得到了提高,炸藥能量在藥柱中得到了均衡的分布,孔口附近的大塊率得到了明顯的降低,減少了二次爆破作業(yè)量,降低了二次爆破成本消耗量,便于鏟裝作業(yè)。

(2)通過使用圖三的底部間隔裝藥與圖一連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比,底部使用空氣間隔器,增加爆破沖擊波在炮孔底部的作用次數(shù),炮孔底部應(yīng)力場得到增強(qiáng)的同時,也延長了炸藥爆炸沖擊波在炮孔底部的作用時間,能有效的克服根底的產(chǎn)生,方便鏟裝設(shè)備作業(yè),提高鏟裝效率,延長設(shè)備使用壽命。

5.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

司家營研山鐵礦自從2013年底大規(guī)模使用空氣間隔裝藥技術(shù),針對不同的礦巖性質(zhì),采取不同的間隔方式,大塊率較高的地方就采用中間間隔裝藥方式,易產(chǎn)生根底的位置采用底部間隔裝藥方式。通過采取以上措施,采場內(nèi)根底大塊率得到明顯的降低,二次爆破成本也有所降低,鏟裝效率明顯提高。

根據(jù)采場內(nèi)礦巖堅(jiān)硬系數(shù)的不同采取不同的中間間隔高度,對于中硬以上礦巖,即普氏硬度系數(shù)f在12以上的一般中間間隔高度為1-1.5m;對于較軟的風(fēng)化巖和表層氧化礦,即普氏硬度系數(shù)f在12以下的一般中間間隔高度為1.5-2.5m,間隔高度一般不應(yīng)超過藥柱高度的30%。對于底部間隔裝藥,一般間隔高度即為空氣間隔器的長度0.7m。

通過間隔裝藥,平均每個炮孔至少可以降低1m藥柱的裝藥量,平均每孔可節(jié)約炸藥量40kg,爆破炸藥單耗降低為0.20kg/t。

司家營研山鐵礦2013年計劃的采剝總量為5310萬噸,其中爆破的礦巖總量為4500萬噸,爆破炸藥單耗由0.21kg/t降低到0.20kg/t,節(jié)約炸藥總量約450噸,節(jié)約成本約為180萬元。綜上所述,采用分段間隔裝藥,既可以改善爆破質(zhì)量,提高鏟裝效率;又可以降低爆破炸藥單耗,降低炸藥成本,從而為司家營研山鐵礦發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

[1]王玉杰.爆破工程[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2005.

[2]劉殿中.工程爆破實(shí)用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1999.

[3]李寶祥.金屬礦床露天開采[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1992.

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田益琳(1985-),男,河北鋼鐵集團(tuán)司家營研山鐵礦有限公司,助理工程師。