王利軍，董 旭，李耀宗，馮新奇

(首鋼集團(tuán)有限公司礦業(yè)公司 杏山鐵礦，河北 遷安 064400)

回采爆破是地下礦山開采過程中的重要環(huán)節(jié)。大塊率一直是影響爆破質(zhì)量的重要指標(biāo)，過高的大塊率既增加二次處理的成本也增添了溜井卡堵的風(fēng)險(xiǎn)，不但降低了生產(chǎn)效率還影響開采安全。國(guó)內(nèi)外學(xué)者為此做了大量的研究。高英勇等[1]結(jié)合眼前山鐵礦生產(chǎn)現(xiàn)狀，采用控制變量法，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高爆破效果，降低開采成本。耿貴剛等[2]通過分析爆破過程中產(chǎn)生大塊的原因，提出不斷調(diào)整爆破現(xiàn)場(chǎng)的爆破孔網(wǎng)參數(shù)、降低大塊率的技術(shù)措施。趙文奎等[3]對(duì)地處西藏高海拔地區(qū)的玉龍銅礦大塊率高的問題展開研究，最終將表層大塊率控制在3%以下。另有諸多學(xué)者從孔距、排距、抵抗線優(yōu)化等方面進(jìn)行了研究[4-6]。杏山鐵礦作為國(guó)內(nèi)較大的地采礦山，長(zhǎng)期以來回采爆破大塊率一直居高不下，不但影響井下甩礦效率、增加二次破碎工作量，還增添了采場(chǎng)安全隱患，是影響杏山鐵礦安全、生產(chǎn)成本和開采效率的主要因素，因此開展降低大塊率的研究有重要意義。

1 工程背景

首鋼集團(tuán)有限公司礦業(yè)公司杏山鐵礦，位于河北省唐山市遷安市木場(chǎng)口鎮(zhèn)白龍港村。屬于鞍山式沉積變質(zhì)貧鐵礦床，礦區(qū)所處位置在向斜構(gòu)造中。礦石組成比較單一，沒有過多的伴生資源，屬于中硫、低磷、貧磁鐵礦石。巷道穿越地段多為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V級(jí)巖性圍巖。圍巖等級(jí)由Ⅱ級(jí)到V級(jí)的巖質(zhì)依次為：堅(jiān)硬穩(wěn)定，裂隙較發(fā)育、基本穩(wěn)定，圍巖裂隙發(fā)育、巖體破碎、圍巖穩(wěn)定性差。礦石為貧磁鐵礦石，主要礦石礦物為磁鐵礦，其次為黃鐵礦。礦巖性質(zhì)見表1。

表1 礦巖特性參數(shù)表Table 1 Ore rock characteristic parameter table

2 大塊產(chǎn)生原因分析

2.1 礦巖的可爆性

礦巖的可爆性是指在爆破過程中，礦巖抵抗爆破沖擊的性能。即礦巖受到爆破沖擊被破壞的難易程度。從礦巖的可爆性角度分析，影響大塊率的因素主要有以下幾方面：

1)地質(zhì)構(gòu)造因素。杏山鐵礦絕大部分采區(qū)呈穩(wěn)定的塊狀黑云變粒巖及混合片麻巖，所屬的巖性決定了其層理較多，有較發(fā)育的節(jié)理和裂隙。爆破產(chǎn)生的沖擊波以能量的形勢(shì)釋放。其中一部分隨著巖石裂隙傳播，裂隙越多，能量在傳播過程中衰減得也越快；當(dāng)遇到節(jié)理和裂隙較發(fā)育且有軟弱夾層存在，爆炸產(chǎn)生的沖擊波能量會(huì)在節(jié)理裂隙中不斷衰減，減小了炸藥爆炸時(shí)對(duì)巖石破壞的能量，嚴(yán)重降低了炸藥能量的利用率；所以，嚴(yán)重影響爆破質(zhì)量，特別是當(dāng)炮孔堵塞時(shí)，堵塞部分的巖體還沒有破碎時(shí)，就隨著周圍破碎巖石被推到爆堆中形成原生大塊，導(dǎo)致爆破大塊率較高，也增加了后期二次處理的成本。

2)炸藥與巖石性能因素。為了提高爆破質(zhì)量，每個(gè)礦山會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石的力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造特征，通過多次試驗(yàn)不斷修正參數(shù)，最終確定更適宜現(xiàn)場(chǎng)炸藥波阻抗和巖石波阻抗的比值，達(dá)到更好的爆破效果，使爆破沖擊波合理地分配在爆破應(yīng)力場(chǎng)中[7]。

2.2 爆破參數(shù)

地采礦山爆破落礦質(zhì)量的好壞，不僅受地質(zhì)特征的影響，也取決于爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)取值。如布孔方式、孔底距、邊孔角度和炸藥單耗等都對(duì)礦巖的破碎質(zhì)量起到直接影響的作用。

1)炸藥單耗。由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和礦巖的復(fù)雜性，會(huì)出現(xiàn)實(shí)際個(gè)別點(diǎn)由于爆破設(shè)計(jì)與實(shí)際巖性不符導(dǎo)致炸藥單耗與巖性不相匹配，在爆破過程中體現(xiàn)為，能量釋放較小不足以使巖石破碎，甚至只產(chǎn)生裂隙形成裂紋，進(jìn)而產(chǎn)生大塊增加了大塊率[8]。

2)布孔方式。隨著礦山爆破發(fā)展史，常見的布孔方式有矩形布孔和三角形布孔，如圖1所示。從圖中可以看出，三角形布孔方式的炮孔負(fù)擔(dān)面積重復(fù)率較低，同樣個(gè)數(shù)的炮孔疊加爆破區(qū)域覆蓋面更大，矩形布孔的炮孔負(fù)擔(dān)面積重復(fù)較多，造成爆破能量的浪費(fèi)，爆破成本的增加。因此，從爆破能量的利用效果、爆破破碎盲區(qū)、有效破碎范圍和實(shí)際的爆破質(zhì)量來看，三角形布孔要優(yōu)于矩形布孔。如果為了布孔更加便捷快速，矩形布孔很容易導(dǎo)致四個(gè)炮孔中間的爆破盲區(qū)巖石受到的爆破沖擊過小，無法破碎或者破碎不徹底，進(jìn)而產(chǎn)生超標(biāo)大塊。

圖1 布孔方式對(duì)比圖Fig.1 Comparison chart of hole layout

3)炮孔最小抵抗線、孔距、炮孔密集系數(shù)?！靶〉挚咕€大孔距”爆破技術(shù)得到了大多數(shù)礦山的認(rèn)可與應(yīng)用，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用過程中對(duì)爆破大塊的產(chǎn)生起到了有效的控制。采用這種爆破方式，增大了單孔有效破碎作用范圍，前排孔爆破的同時(shí)傳遞剩余能量，產(chǎn)生新的裂隙，為后排孔爆破破碎礦巖起到預(yù)裂作用[9]。

4)炮孔填塞。有效的炮孔填塞可以避免爆炸產(chǎn)生的沖擊波氣體過早地從炮孔中沖出，加強(qiáng)高壓氣體對(duì)破碎礦巖的作用，使能量利用更充分，爆破效果更好?，F(xiàn)場(chǎng)爆破施工人員炮泥堵塞質(zhì)量不高，管理檢查不到位，時(shí)常出現(xiàn)爆炸沖擊波過早泄露，能量利用不充分，從而爆破大塊率偏高。

5)起爆方式。依據(jù)起爆藥包安放的始末位置以及爆破時(shí)能量傳播方向的不同，把起爆方式分為兩種，一種是孔口正向起爆，另一種是孔底反向起爆。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，孔底起爆和孔口起爆相比，孔底起爆時(shí)爆破沖擊波作用時(shí)間更長(zhǎng)，爆破更充分。因此，孔底起爆產(chǎn)生的大塊率較低，相同炸藥量的爆破效果更好，破碎質(zhì)量較好。

6)炮孔的起爆順序與間隔時(shí)間。適宜的的爆破時(shí)間間隔與起爆順序能夠有效地利用爆破沖擊波，先爆破的炸藥不僅爆破其負(fù)責(zé)的礦巖，還將對(duì)其負(fù)載的巖石進(jìn)行沖擊破壞，產(chǎn)生裂隙，同時(shí)，適宜的爆破時(shí)間間隔還會(huì)有利于前、后炮孔礦巖的碰撞破碎，有效地降低大塊的產(chǎn)生[10]。

2.3 其他因素

個(gè)別破碎點(diǎn)位在巖石揭露后，受節(jié)理裂隙影響、爆破振動(dòng)以及設(shè)備作業(yè)產(chǎn)生的振動(dòng)及刮碰等影響，由于自身穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致出現(xiàn)片幫、垮塌產(chǎn)生的大塊。

3 改進(jìn)措施

3.1 適當(dāng)增加炸藥單耗

根據(jù)哈氏爆破性分級(jí)法，杏山鐵礦礦巖屬于難爆巖石；結(jié)合井下爆破效果及地質(zhì)構(gòu)造變化情況，最后確定炸藥單耗范圍為0.36 kg/t(即杏山鐵礦爆破1 t礦石所用的炸藥量)。

3.2 減小抵抗線增大孔距

減小抵抗線增大孔距，不僅僅是增大孔間距，降低炸藥單耗這么簡(jiǎn)單，而是要綜合考慮各個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值，選擇適宜的炮孔孔距、排距和炮孔密集系數(shù)。要充分利用爆炸沖擊波的能量，使爆破效果達(dá)到最優(yōu)，不斷優(yōu)化孔距和排距，確定最優(yōu)比例，進(jìn)而得到炮孔最大控制面積和最低炸藥單耗。不同礦山之間，即使相同礦山不同開采水平之間也有著不同的平衡點(diǎn)。最佳破碎抵抗線追求的是單孔控制面積最大，炸藥單耗最低，且當(dāng)次爆破區(qū)域的破碎礦巖總體積最大?！按罂拙嘈∨啪唷钡膬?yōu)化，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不斷進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，最終確定最符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的參數(shù)。

1)排距W的確定選用經(jīng)驗(yàn)公式：

W=(18～23)d

(1)

式中：d—炮孔直徑，取值為78 mm。

經(jīng)計(jì)算，W=1.4～1.8 m。

結(jié)合初步設(shè)計(jì)中提供的參數(shù)，杏山鐵礦最小抵抗線確定為1.8～2.0 m。

2)崩礦步距計(jì)算如下：

αL=bcosθ+asinθ

(2)

式中：α—礦石爆破一次碎脹系數(shù)；L—崩礦步距，m；θ—放礦體軸流角,(°)；b—放礦橢球體沿進(jìn)路方向的短半軸,m；a—放礦橢球體長(zhǎng)軸,m。

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，崩礦步距確定為3.8 m。

3)炮孔密集系數(shù)m和孔底距a計(jì)算如下：

a=mW

(3)

式中：a—孔底距，m；W—最小抵抗線,m。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破效果，杏山鐵礦炮孔密集系數(shù)為1.2～1.8，孔底距為2.2～3.0 m。

通過杏山鐵礦爆破試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)爆破參數(shù)優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比(見表2)表明：排距1.4 m，孔底距2.5 m，炮孔密集系數(shù)取值范圍為1.67，炸藥單耗0.36 kg/t時(shí)爆破能量利用率最高，爆破質(zhì)量最好。

表2 優(yōu)化前后炮孔設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 2 Parameter table of blasthole design before and after optimization

3.3 調(diào)整炮孔填塞

對(duì)炮孔進(jìn)行合理填塞。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，作業(yè)區(qū)購進(jìn)炮泥及相應(yīng)的黃土制作炮泥，并保證每孔填塞長(zhǎng)度不低于400 mm。優(yōu)化后可以延長(zhǎng)爆轟氣體對(duì)爆破巖體介質(zhì)的作用時(shí)間，爆炸產(chǎn)生的沖擊波沖擊壓力更大，降低爆炸氣體能量損失，爆破效果明顯改善。

3.4 改善起爆方式

反向起爆網(wǎng)絡(luò)是將起爆藥包裝于最后一個(gè)藥包處，并采用電子雷管延期起爆網(wǎng)路，孔外一次串聯(lián)起爆。反向起爆和正向起爆相比，能量利用率更高，炸藥氧化時(shí)間更久，反向起爆時(shí)后爆炮孔的封泥作用時(shí)間更長(zhǎng)，效果更好，不但提高破碎質(zhì)量還降低了爆破成本。

3.5 優(yōu)化起爆順序

爆破施工現(xiàn)場(chǎng)的巖性以及地質(zhì)構(gòu)造直接影響著炮孔起爆順序與間隔時(shí)間的選擇。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開采爆破實(shí)際，將炮孔延期時(shí)間間隔改為50 ms，取得了較好的效果。起爆順序見圖2。

圖2 起爆順序圖 Fig.2 Detonation sequence diagram

3.6 掌握礦巖地質(zhì)情況

對(duì)巖石破碎及節(jié)理發(fā)育點(diǎn)位，采取回縮炮孔輪廓線并加密炮孔，以及降低單孔爆破裝藥量，達(dá)到控制輪廓超挖及掉落大塊的目的，還可以有效防止不穩(wěn)定上盤圍巖以及節(jié)理發(fā)育頂板的大塊受到爆破干擾提前冒落，保證生產(chǎn)安全的同時(shí)減少大塊率的發(fā)生。

4 結(jié)論

通過對(duì)杏山鐵礦掘進(jìn)爆破近半年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)可知：

1)針對(duì)地質(zhì)條件及礦巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選擇合理的爆破參數(shù)，提高爆破能量的利用率，減少了地質(zhì)構(gòu)造對(duì)爆破過程的影響。

2)通過多次測(cè)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，最終確定了適宜現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的炸藥單耗、填塞長(zhǎng)度、起爆方式、起爆順序、大孔距小抵抗線落礦技術(shù)等爆破參數(shù)，這些參數(shù)是實(shí)現(xiàn)降低爆破大塊率的重要舉措。

3)通過對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減小排距增大孔底距，將原有的1.22炮孔密集系數(shù)增大為1.67，采場(chǎng)平均大塊率由原來的18%～20%降至7%～10%，同時(shí)也大幅減少了二次大塊處理量并提高了鏟運(yùn)機(jī)甩礦量。

4)優(yōu)化爆破參數(shù)，可以保證爆破質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，減輕了勞動(dòng)，增強(qiáng)了采場(chǎng)作業(yè)的本質(zhì)安全化程度。

本文的研究對(duì)于中深孔爆破大塊率的控制有一定的參考意義，但影響中深孔爆破大塊產(chǎn)生的原因有很多，應(yīng)針對(duì)礦山的實(shí)際情況去分析原因，采取對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施，才能有效降低大塊率。