王紅心

(金誠(chéng)信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100070)

贊比亞謙比希銅礦使用大型無(wú)軌設(shè)備掘進(jìn)和采礦，主要巷道斷面尺寸大，目前主要礦體開(kāi)采方法為進(jìn)路式上向水平分層充填法[1-2]，主要開(kāi)拓采準(zhǔn)巷道斷面達(dá)到寬×高為4.5 m×4 m和4.5 m×4.5 m， 采場(chǎng)進(jìn)路斷面尺寸寬×高達(dá)6 m×4.5 m，這些大斷面巷道和采場(chǎng)進(jìn)路均使用鑿巖臺(tái)車(chē)鉆孔爆破掘進(jìn)和采礦，鉆孔直徑46～48 mm。以往掘進(jìn)和進(jìn)路式采礦爆破使用卷裝乳化炸藥，均為人工裝藥，裝藥環(huán)節(jié)的手工化與謙比希銅礦正在推行的信息化機(jī)械化作業(yè)很不協(xié)調(diào)。而且隨著開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力活動(dòng)加劇，出現(xiàn)越來(lái)越多的破碎炮孔，手工炮棍裝卷裝炸藥困難，裝藥效率很低。而且在贊比亞當(dāng)?shù)鼐硌b乳化炸藥價(jià)格昂貴，而散裝粒狀銨油炸藥價(jià)格低廉。為降低炸藥成本，提高裝藥效率，改善掘進(jìn)爆破效果，在巷道掘進(jìn)和進(jìn)路式采礦爆破中試驗(yàn)使用粒狀銨油炸藥，部分替代卷裝乳化炸藥，很有必要。在不涌水巷道掘進(jìn)的掏槽孔和輔助孔裝藥中試用價(jià)格低廉的粒狀銨油炸藥，使用當(dāng)?shù)匾子谫?gòu)買(mǎi)的便攜式散狀炸藥風(fēng)動(dòng)裝藥器裝藥代替人工炮棍裝填卷裝乳化炸藥，由于使用散狀粒狀銨油炸藥代替卷裝乳化炸藥，炮孔裝藥由原來(lái)裝填藥卷時(shí)的不耦合裝藥變?yōu)轳詈涎b藥，炸藥爆炸能量對(duì)孔壁和巖石的作用發(fā)生了變化，爆破孔網(wǎng)參數(shù)也需進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。本文對(duì)謙比希銅礦掘進(jìn)斷面的布孔和裝藥參數(shù)進(jìn)行了探討研究，確定了優(yōu)化的爆破方案，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 礦區(qū)巖層情況

謙比希銅礦成礦作用為沉積變質(zhì)作用，礦體為礦化板巖(f=8)，上盤(pán)為粗礫巖(f=8～10)，下盤(pán)巖層依次為礦體下盤(pán)礫巖(f=8～10)、泥質(zhì)石英巖(f=10～12)、長(zhǎng)石石英巖(f=10～12)和基底花崗巖(f=12～14)[3]。主要脈外開(kāi)拓、采準(zhǔn)巷道布置在基底花崗巖、長(zhǎng)石石英巖、泥質(zhì)石英巖和下盤(pán)礫巖中，進(jìn)路式分層充填法采場(chǎng)進(jìn)路在礦體中掘進(jìn)。采場(chǎng)開(kāi)采前已將布置采切工程的礦體和圍巖中的水疏干，即大部分采切巷道的圍巖及礦體已不含水，具備在巷道掘進(jìn)爆破中使用不防水的散狀粒狀銨油炸藥的條件。

2 布孔裝藥參數(shù)優(yōu)化

2.1 炮孔裝藥臨界直徑

銨油炸藥一般用于露天或地下大直徑深孔爆破，炮孔直徑為76～165 mm或更大。而地下掘進(jìn)爆破炮孔直徑顯著減小，氣動(dòng)鑿巖機(jī)鉆鑿的炮孔直徑一般為35～40 mm，謙比希銅礦巷道掘進(jìn)和進(jìn)路式采礦使用鑿巖臺(tái)車(chē)，采用Φ45 mm鉆頭鉆孔，炮孔直徑為46～48 mm。

炸藥爆炸的臨界直徑理論表明，不同種類炸藥藥柱在不同的約束條件下達(dá)到穩(wěn)定爆轟的臨界直徑不同。理論分析和銨油炸藥在接近臨界直徑條件下的爆轟性能和影響因素試驗(yàn)研究[4]表明：PVC管約束的銨油炸藥臨界直徑為45 mm，鋼管約束的銨油炸藥臨界直徑為25 mm；隨著約束條件的增強(qiáng)其臨界直徑減小。巖巷掘進(jìn)炮孔的約束條件為巖石，約束強(qiáng)度介于鋼管與PVC管之間，可初步認(rèn)為巖石炮孔的臨界直徑為25～45 mm。

上述理論研究和試驗(yàn)結(jié)果表明，巷道掘進(jìn)中使用鑿巖臺(tái)車(chē)鉆鑿的炮孔直徑大于45 mm，孔內(nèi)耦合裝藥的粒狀銨油炸藥藥柱直徑大于臨界直徑，孔內(nèi)銨油炸藥起爆后能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的理想爆轟。

2.2 掏槽爆破參數(shù)

在巷道掘進(jìn)爆破中，掏槽方式和掏槽布孔參數(shù)的合理選擇非常關(guān)鍵，直接影響爆破進(jìn)尺。合理的掏槽孔爆破參數(shù)可以有效提高掏槽爆破效率，如果掏槽孔間距過(guò)大，爆破產(chǎn)生的能量無(wú)法將巖石破碎并有效拋出；如果掏槽孔間距過(guò)小，掏槽爆破容易產(chǎn)生擠死現(xiàn)象。謙比希銅礦臺(tái)車(chē)掘進(jìn)采用4個(gè)空孔的五星直孔掏槽方式[5]，如圖1所示，裝藥炮孔直徑46 mm，空孔直徑102 mm。

圖1 掏槽孔布置方式Fig.1 Parameters and layout of cutting holes

參考類似爆破條件的分析計(jì)算[6]，綜合考慮謙比希銅礦巖石物理力學(xué)特性等因素，根據(jù)多次現(xiàn)場(chǎng)掏槽試驗(yàn)和謙比希銅礦井下臺(tái)車(chē)掘進(jìn)爆破生產(chǎn)實(shí)踐，首爆掏槽孔到空孔的距離控制在Rc=140～180 mm，空孔的距離d=200～250 mm，掏槽孔的距離h=400～500 mm。

2.3 周邊孔間距和光爆層厚度

周邊孔的距離是影響巷道輪廓成型的重要因素。以應(yīng)力波干擾理論為依據(jù)，合理的周邊孔間距以兩孔在連線上疊加的切向應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算[7]。

光爆效果的好壞，除受周邊孔間距和周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)的影響外，也受光爆層厚度(最小抵抗線W)的影響，由公式m=E/W=0.8～1可計(jì)算出光爆層厚度。m為臨近系數(shù)，表征周邊孔間距E與光爆層厚度W的比值，巖石松軟、破碎、節(jié)理發(fā)育時(shí)取0.6～0.8，巷道斷面小或者巖石特別堅(jiān)固時(shí)取1～1.2。

根據(jù)上述理論分析，結(jié)合謙比希銅礦巖石物理力學(xué)特性，為了得到較好的光面爆破效果，巷道頂板孔間距確定為500～600 mm，邊墻孔間距控制在550～650 mm。在周邊孔間距已定的條件下，由于輔助孔為銨油炸藥耦合裝藥，爆破能量利用率高，臨近系數(shù)m取小值0.8，頂部光爆層厚度為625～750 mm，邊墻光爆層厚度為680～800 mm。

依據(jù)上述分析優(yōu)化，掘進(jìn)斷面周邊孔布置和掏槽孔孔數(shù)與使用卷裝乳化炸藥時(shí)相同，掏槽孔孔距在裝粒狀銨油炸藥時(shí)根據(jù)巖性進(jìn)行微調(diào)。由于輔助孔裝填粒狀銨油炸藥，實(shí)現(xiàn)了耦合裝藥，消除了炸藥爆轟時(shí)的間隙效應(yīng)，炸藥爆炸的能量利用率得到提高，所以光爆層厚度及輔助孔間距都較裝填卷裝乳化炸藥時(shí)增大，井下掘進(jìn)爆破優(yōu)化試驗(yàn)表明，輔助孔數(shù)比裝填卷裝乳化炸藥時(shí)減少3～4個(gè)。圖2為掏槽孔和輔助孔裝填粒狀銨油炸藥時(shí)的布孔參數(shù)圖。

圖2 掘進(jìn)巷道斷面炮孔布置圖(單位：mm)Fig.2 Parameters and layout of blast holes

2.4 裝藥

掏槽孔和輔助孔采用粒狀銨油炸藥裝藥，炮孔底部裝一節(jié)Φ32 mm或Φ38 mm乳化藥卷連接導(dǎo)爆管雷管作為起爆藥，底板孔需加大藥量，并且，為防孔內(nèi)灌入鑿巖用水，使用Φ38 mm乳化藥卷連續(xù)裝藥。

為保證巷道成型規(guī)整，周邊孔采用小藥量不耦合空氣間隔裝藥方式，每孔裝入長(zhǎng)3 m的竹片，竹片上用膠帶間隔綁Φ25 mm的乳化藥卷，藥卷用3.7 m導(dǎo)爆索連接，炮孔底部的一節(jié)藥卷插入雷管進(jìn)行反向起爆。

掏槽孔和輔助孔裝粒狀銨油炸藥所需高壓風(fēng)的動(dòng)力源為一臺(tái)3 m3空壓機(jī)，裝藥設(shè)備采用贊比亞當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的便攜式塑膠小型裝藥器。裝藥時(shí)將銨油炸藥倒入裝藥器，人工持裝藥管插入炮孔內(nèi)，接通高壓風(fēng)后，打開(kāi)閥門(mén)，高壓風(fēng)將裝藥器中的炸藥吹入炮孔內(nèi)，完成一個(gè)炮孔的裝藥。與裝填卷裝炸藥相比，銨油炸藥裝藥時(shí)間更短，對(duì)于某些礦巖體破碎、容易產(chǎn)生塌孔的工作面，銨油炸藥更容易實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)連續(xù)耦合裝藥。

2.5 炮孔堵塞

炮孔裝藥后，為改善爆破效果，使用自制炮泥對(duì)炮孔進(jìn)行堵塞。各炮孔裝藥系數(shù)和填塞長(zhǎng)度分別為：掏槽孔裝藥系數(shù)90%～95%，孔口炮泥堵塞0.1～0.2 m；輔助孔裝藥系數(shù)70%～85%，孔口炮泥堵塞0.3～0.35 m；周邊孔裝藥系數(shù)45%～60%，孔口炮泥堵塞0.3 m；底孔裝藥系數(shù)90%，孔口炮泥堵塞0.3～0.4 m。

3 井下試驗(yàn)和推廣應(yīng)用

3.1 井下掘進(jìn)驗(yàn)證試驗(yàn)

按照優(yōu)化后的爆破參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)，在謙比希銅礦西礦體400 m水平采區(qū)400～500 m水平1#盤(pán)區(qū)斜坡道掘進(jìn)工程中進(jìn)行了試驗(yàn)，巷道設(shè)計(jì)斷面4.5 m×4.5 m，共實(shí)施了9次掘進(jìn)爆破試驗(yàn)，總進(jìn)尺30.6 m，最高進(jìn)尺3.8 m，最低進(jìn)尺3.1 m，平均進(jìn)尺3.4 m。與同一地段前期使用卷裝乳化炸藥掘進(jìn)統(tǒng)計(jì)相比較，單循環(huán)進(jìn)尺增加了0.3～0.5 m，每循環(huán)裝藥環(huán)節(jié)節(jié)省裝藥時(shí)間15%。

3.2 效益分析

選取井下試驗(yàn)的謙比希銅礦西礦體400 m水平采區(qū)4.5 m×4.5 m(寬×高)巷道掘進(jìn)斷面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。巷道斷面的裝藥方式分為原卷狀乳化炸藥裝藥和散狀粒狀銨油炸藥裝藥兩種，兩者的頂板孔、邊墻孔和底板孔裝藥方式相同；掏槽孔和輔助孔裝藥方式不同，由于散狀藥裝藥方式可實(shí)現(xiàn)炮孔耦合裝藥并消除炸藥爆炸的間隙效應(yīng)，炸藥爆炸能量更多地用于有效破碎巖石，經(jīng)優(yōu)化后的散狀藥裝藥斷面輔助孔比卷裝乳化炸藥裝藥方式減少3個(gè)。對(duì)兩種不同裝藥方式爆破的炸藥成本進(jìn)行對(duì)比。

傳統(tǒng)的卷藥裝藥巷道斷面掏槽孔采用Φ38 mm×0.67 kg藥卷，輔助孔采用直徑Φ32 mm×0.52 kg藥卷，卷裝乳化炸藥總裝藥量157.2 kg；散狀藥裝藥巷道斷面掏槽孔和輔助孔使用一節(jié)Φ32 mm為起爆藥卷，孔內(nèi)裝入散狀藥，每孔裝藥量3.2 kg，使用粒狀銨油炸藥的掘進(jìn)面每循環(huán)裝入卷裝藥62.26 kg，粒狀銨油炸藥96 kg。卷裝乳化炸藥單價(jià)為1.7 MYM/kg，散狀粒狀銨油炸藥單價(jià)為0.82 MYM/kg。計(jì)算可得，使用卷裝乳化炸藥裝藥，每循環(huán)炸藥成本為267.24 MYM；掏槽孔和輔助孔使用粒狀銨油炸藥的掘進(jìn)作業(yè)面，每循環(huán)炸藥成本為184.56 MYM。使用卷裝乳化炸藥的掘進(jìn)面每循環(huán)平均進(jìn)尺3.1 m，掏槽孔和輔助孔使用粒狀銨油炸藥的掘進(jìn)面平均進(jìn)尺為3.4 m。則使用卷裝乳化炸藥掘進(jìn)爆破破巖炸藥成本為4.26 MYM/m3，掏槽孔和輔助孔使用粒狀銨油炸藥的掘進(jìn)作業(yè)面爆破破巖炸藥成本為2.68 MYM/m3，使用粒狀銨油炸藥掘進(jìn)面比傳統(tǒng)使用卷裝乳化炸藥的掘進(jìn)面掘進(jìn)爆破節(jié)省裝藥成本1.58 MYM/m3。

另外，掏槽孔和輔助孔使用粒狀銨油炸藥裝藥掘進(jìn)斷面減少炮孔數(shù)量，使用機(jī)械化裝藥節(jié)省裝藥時(shí)間，不僅進(jìn)一步節(jié)省了鉆孔成本和裝藥人工成本，還提高了鉆孔裝藥效率。

3.3 推廣應(yīng)用

在進(jìn)行井下試驗(yàn)取得良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，依據(jù)優(yōu)化后的鉆孔爆破方案，補(bǔ)充制定了相應(yīng)的掘進(jìn)鉆孔爆破技術(shù)規(guī)范，在謙比希銅礦全礦開(kāi)拓、采切巷道掘進(jìn)和進(jìn)路式采礦爆破中推廣應(yīng)用。到目前為止，主礦體采區(qū)使用率為15%(因涌水量大使用受限)，西礦體推廣應(yīng)用率為33.5%，東南礦采區(qū)開(kāi)拓采切工程使用率為62%。粒狀銨油炸藥在謙比希銅礦各礦區(qū)巷道掘進(jìn)和進(jìn)路式采礦法爆破中的推廣使用，減少了鉆孔裝藥時(shí)間，提高了炮效，降低了爆破成本，增大了循環(huán)進(jìn)尺，改善了巷道掘進(jìn)光爆效果，縮短了巷道工程施工工期，增大了進(jìn)路式采礦法采場(chǎng)出礦能力，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和井下生產(chǎn)實(shí)踐表明，在不涌水的巷道掘進(jìn)爆破中，掏槽孔和輔助孔裝藥采用銨油炸藥代替卷裝乳化炸藥，在鑿巖臺(tái)車(chē)鉆孔46 mm及以上直徑的炮孔裝藥能夠?qū)崿F(xiàn)銨油炸藥的理想爆轟。

2)根據(jù)圍巖條件進(jìn)行理論計(jì)算，優(yōu)化了布孔參數(shù)；對(duì)炮孔裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出了合理的炮孔堵塞措施；采用便捷式裝藥器對(duì)散狀藥炮孔進(jìn)行機(jī)械化裝藥，提高了裝藥效率，降低了炸藥成本。

3)按優(yōu)化的爆破方案進(jìn)行了井下試驗(yàn)，并推廣應(yīng)用到巷道掘進(jìn)和進(jìn)路式采礦爆破生產(chǎn)中，改善了巷道斷面輪廓和成型質(zhì)量，提高了爆破進(jìn)尺，大幅度降低了爆破成本，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。