付宏寧

(中核韶關錦原鈾業(yè)有限公司，廣東 韶關 512329)

棉花坑鈾礦床是在產(chǎn)地下硬巖鈾礦山，主要采用上向水平分層充填法開采。目前位于-50 m中段10-0采場的頂柱由于節(jié)理裂隙發(fā)育，導致采場頂板失穩(wěn)嚴重，無法沿用原有采礦工藝實現(xiàn)對礦柱的回收。但該礦柱資源量可觀，若不予回收，必將導致資源的大量浪費。因此，為了提高棉花坑礦井的資源回收率，根據(jù)礦柱具體形態(tài)和賦存條件，結合采場現(xiàn)有工程和礦山現(xiàn)有設備制定合理的回收方案，實現(xiàn)破碎礦柱的安全高效回收是礦山目前的重要工作之一。

1 采場概況

1.1 地質概況

棉花坑礦井10-0采場位于-50 m中段的31～35號勘探線之間，礦體產(chǎn)狀為230～265°∠75～87°，鈾平均品位為0.212%。含礦巖性為硅化碎裂巖、蝕變碎裂花崗巖，硅化、黃鐵礦化、綠泥石化發(fā)育。圍巖為粗、中粒蝕變花崗巖，其絹云母化及綠泥石化明顯，晚期構造較發(fā)育，有晚期石英脈。礦帶內蝕變均勻，主要以赤鐵礦化為主。

1.2 采場現(xiàn)狀分析

根據(jù)礦體形態(tài)和采場現(xiàn)有工程確定合理的回采方案是進行中深孔設計的前提，也是實現(xiàn)礦柱安全高效回收的最主要因素[1]。棉花坑礦井10-0采場位于9-0采場的正下方，采用人工底柱上向水平分層干式充填采礦法，采場共布置3個順路井，1個采準天井，2個探礦天井，底部施工有60 cm厚的鋼筋混凝土假底，頂部留有5.5 m厚的自然礦柱。采場最大寬度為6.6 m，最小寬度為0.7 m。

目前采場已經(jīng)回采至頂部礦柱，但由于從9C01穿脈到9C02穿脈之間(31勘探線以北30 m～33勘探線之間)的礦柱處于蝕變帶內，節(jié)理構造十分發(fā)育，造成采場頂板破碎，脫層冒頂嚴重，尤其在10T01天井和10Z01天井處裂隙和松石較多，嚴重影響了生產(chǎn)安全，使采場一直處于停產(chǎn)狀態(tài)。

2 礦體和主要工程的三維模型構建

為了能直觀反映礦體形態(tài)，實現(xiàn)對頂柱的深孔精細化爆破，借助3Dmine軟件構建礦體和主要工程的三維實體模型，并以此為基礎進行深孔爆破方案設計。

2.1 礦體模型建立

在3DMine建模軟件中，礦體模型的建立實質上是根據(jù)礦體的多個剖面形成閉合曲線，并將這些閉合曲線通過三角網(wǎng)的方式連接在一起，形成三維實體模型[2]。因此，建立礦體模型的主要步驟為：1)將能反映礦體邊界的相關剖面CAD圖導入3DMine中；2)通過在閉合線內和閉合線之間連接三角網(wǎng)的方式構建礦體的初步模型；3)在初步模型的基礎上進行實體編輯，實現(xiàn)三角網(wǎng)的合并；4)刪除實體中自相交三角網(wǎng)、無效邊三角網(wǎng)及開放邊等，實現(xiàn)實體的優(yōu)化，從而得到最終的礦體三維模型[3]。根據(jù)棉花坑礦井10-0采場礦柱剖面圖建立的礦體三維模型如圖1所示。

圖1 10-0采場礦體模型三視圖Fig.1 Three views of 10-0 stope ore body model

由礦體的三維實體模型得知：處于破碎區(qū)域的頂柱長約61 m，整體上是中間較薄，兩邊較厚，中間厚約1.6～2.5 m，兩邊厚約3.2～4.3 m。通過3DMine軟件的實體體積功能可計算頂柱體積，進而得出資源量，結果見表1。

表1 10-0采場頂柱資源量Table 1 10-0 stope top pillar resources

2.2 巷道模型建立

3DMine軟件具備由巷道中線、巷道腰線以及巷道斷面生成巷道實體模型的功能[4]。棉花坑礦井10-0采場的鑿巖巷道斷面變化較為明顯，為了最大限度地反映巷道的真實情況，采用腰線巷道建模方式，巷道斷面采用三心拱，寬為3.1 m。模型如圖2所示，模型實體體積為518.93 m3。

圖2 10-0采場鑿巖巷道三維模型Fig.2 3D model of 10-0 stope rock drilling tunnel

3 深孔爆破方案研究

3.1 回采方案確定

由三維模型和采場地質概況得出該礦柱屬于極傾斜不穩(wěn)固薄礦。關于該類礦體的高效開采，相關學者進行了研究。針對某礦山遺留的極傾斜不穩(wěn)固礦體，提出了中深孔脈外分段空場法，通過采用YGZ-90鉆機鉆鑿扇形孔實現(xiàn)微差爆破，取得了良好的工業(yè)效果[5]。某金礦為了提高采場極傾斜薄礦脈的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，采用深孔落礦的分段充填法開采，并且對深孔爆破參數(shù)進行了優(yōu)化[6]。采用深孔爆破是開采極傾斜不穩(wěn)固薄礦體的有效途徑。

通過探礦孔得知，10-0采場礦體邊界與脈外鑿巖平巷的水平最大距離約為2.2 m，脈外鑿巖爆破不會引起礦石的大量貧化。目前10-0采場脈外鑿巖平巷已施工完畢，并且礦山現(xiàn)有的YG-Z90型鉆機可實現(xiàn)深孔的鑿巖布孔，因此根據(jù)工程類比思想，決定采用脈外扇形深孔爆破落礦回采方案(圖3)。

施工人員及設備等從0 m中段主巷沿斜坡道進入采場。由于礦柱厚度較小，因此中深孔爆破時以采場頂板為自由面，由礦體一端依次連續(xù)爆破，每次爆破2～3排。為了提高出礦效率、簡化出礦工序，在脈外每隔10 m左右布置垂直于礦體的出礦穿脈，鏟運機可由此直接進入采場鏟運礦石。爆破結束后，礦石靠自重落至出礦平巷處，由鏟運機經(jīng)出礦斜坡道運至溜井，最終由主井統(tǒng)一提升至地表。

1—9-0采場空區(qū)；2—鑿巖巷道；3—出礦穿脈；4—10-0采場充填體；5—圍巖；6—出礦斜坡道；7—出礦漏斗；8—出礦沿脈；9—扇形深孔；10—0 m主巷；11—探礦天井；12—鑿巖天井。圖3 脈外扇形深孔爆破回采方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of the recovery plan for extra-vein fan-shaped deep hole blasting

采空區(qū)用廢石及時充填，以保持地下空間的應力平衡。充填體(廢石)由鏟運機經(jīng)脈外鑿巖巷運至采場，依次將采場下部的空區(qū)充填至與鑿巖巷持平并壓實，為鏟運機提供工作面；隨后逐步完成對鑿巖巷水平上部空區(qū)的不接頂充填，不接頂距離約為0.6 m。待出礦和充填結束，即可封閉采場。采準工程量見表2。

表2 10-0采場采準工程量Table 2 10-0 Stope mining project quantity

3.2 爆破參數(shù)選取

3.2.1 深孔布置方式

根據(jù)確定的采礦工藝，在鑿巖平巷中向一側采場施工深孔，因此炮孔布置采用上向扇型方式。根據(jù)YGZ-90型鉆機尺寸，扇形孔中心位于鑿巖巷道水平中心位置高約1.2 m處。

3.2.2 孔徑

炮孔直徑主要取決于礦山現(xiàn)有鑿巖設備，同時還受炸藥型號、巖體強度,以及爆破成本等因素的影響。目前棉花坑礦井采用的中深孔鑿巖設備主要為YGZ-90型鉆機，根據(jù)鉆機參數(shù)和現(xiàn)有配件，同時兼顧炸藥型號、巖體強度等因素，確定本次設計的中深孔孔徑為55 mm。

3.2.3 最小抵抗線

最小抵抗線是爆破設計中最重要的參數(shù)之一，其大小主要受巖體堅固性、中深孔孔徑、炸藥性能和補償空間大小等因素的影響。目前國內礦山一般采用經(jīng)驗公式(1)計算最小抵抗線的值，并根據(jù)礦體具體產(chǎn)狀靈活選取[7]。

W=(25～30)d，

(1)

式中：W—最小抵抗線，m；d—炮孔直徑，m。根據(jù)公式(1)計算得出的最小抵抗線W為1.37～1.65 m，考慮到礦體巖型以花崗巖為主，較為堅硬，因此最小抵抗線取較小值(1.40 m)。

3.2.4 深孔排距和孔底距

棉花坑礦井10-0采礦全長約為60 m，炮孔排間距取為1.4 m，則扇形中深孔排數(shù)為43排。

孔底距指的是炮孔底部至相鄰炮孔的垂直距離，目前根據(jù)經(jīng)驗公式(2)計算得出[8]。

a=mW，

(2)

式中：a—孔底距，m；m—炮孔密集系數(shù)；W—最小抵抗線，m。根據(jù)相關經(jīng)驗，在本設計中m取1.0～1.3，計算得出孔底距取值范圍為1.4～1.8 m。

3.2.5 炸藥單耗

炸藥單耗是爆破設計中的重要參數(shù)之一，影響因素主要有巖石強度、炸藥性能和最小抵抗線等，可通過公式(3)近似計算[9]。

(3)

式中：k—修正系數(shù)，取1.4～1.5；ρ—礦石密度，kg/m3；f—普氏系數(shù)。計算可得炸藥單耗為0.6～0.8 kg/t。需要注意的是，該范圍僅可作為爆破裝藥量的理論參考值，具體值需根據(jù)現(xiàn)場實際爆破效果調整[10]。

4 基于3DMine的深孔爆破設計

3Dmine軟件的地下開采模塊提供了深孔爆破設計功能，可通過初始化參數(shù)選取、回采排線設計、創(chuàng)建爆破單元以及切割邊界等步驟進行多種扇形孔、平行孔以及單孔的設計；同時能在炮孔裝藥設計的基礎上，借助礦體的塊體模型完成對爆破量、爆破面積等指標的計算，為礦體的高效開采提供技術支持[11]。

4.1 爆破邊界生成

4.1.1 創(chuàng)建爆破單元

首先，根據(jù)棉花坑礦井10-0采場的礦體邊界創(chuàng)建三維多線段閉合曲線，并且將高程賦值為0 m；然后，根據(jù)礦體回采順序布置回采排線，排線的步距為深孔排距，取1.4 m；最后，通過拉線回采排線創(chuàng)建回采單元，炮孔排號從1依次增加至43，即每排炮孔為1個獨立的回采單元，共包含43個回采單元，如圖4所示。

1—回采單元(共43個)；2—礦體邊界；3—回采排線(間距1.4 m)。圖4 10-0采場爆破單元Fig.4 10-0 stope blasting unit

4.1.2 實體切割

爆破單元創(chuàng)建完成以后，需要導入礦體和巷道的實體模型進行實體切割，求出每個爆破單元、礦體和巷道之間的交集，便于對每個爆破單元進行深孔爆破設計[12]。該內容可分為：1)選擇要切割的實體文件并加載；2)選擇爆破單元對實體進行切割。將棉花坑礦井10-0采場的礦體和巷道實體模型按照采場爆破單元進行切割，得到每排炮孔設計單元的實體模型，如圖5所示(以第22排炮孔為例)。

1—設計單元礦體實體模型；2—設計單元巷道實體模型。圖5 第22排炮孔設計實體模型Fig.5 Solid model of the 22nd row of gunhole design

4.2 扇形孔布置設計

在3DMine軟件中根據(jù)確定的爆破參數(shù)可進行批量扇形孔設計，但可能會因為個別炮孔位置的不合理出現(xiàn)爆破懸頂或爆下圍巖等現(xiàn)象，從而導致爆破效果不佳，尤其是在規(guī)模較小的薄礦脈中更為明顯[13]。因此，在扇形中深孔設計完成后，需要根據(jù)礦體形態(tài)對部分炮孔進行調整和優(yōu)化，以達到最優(yōu)設計[14]。

棉花坑礦井10-0采場的頂柱規(guī)模較小(平均寬約4 m，平均厚約3.1 m)，炮孔數(shù)量較少，在3DMine中不易采用固定爆破參數(shù)。因此對10-0采場礦柱進行單孔布置設計，并結合現(xiàn)場實際對爆破參數(shù)理論計算值做適當調整。以第11排和第42排炮孔為例，為了提高深孔爆破效果，將孔底距調整至1.2～1.3 m。

整個采場炮孔排數(shù)為43排；每排炮孔數(shù)量隨礦體形態(tài)在3～5個間浮動，共計153個；累計鉆孔長度約為868 m。由于在第11排和第42排的炮孔數(shù)量取得最大值和最小值，因此以第11排和第42排扇形中深孔為例，設計結果如圖6所示。第11排的炮孔長度分別為7.8、7.7、7.7、7.6、2.8 m，炮孔傾角依次為-11.1°、-2.5°、6.0°、14.3°、31.7°；第42排的炮孔長度分別5.4、5.4、5.7 m，炮孔傾角依次為-2.5°、6.6°、16.9°。

1—采場邊界；2—炮孔；3—鑿巖巷道；4—礦體；5—炮孔孔傾角；6—炮孔長度；7—炮孔編號；8—炮孔孔底距。圖6 扇形中深孔設計Fig.6 Fan-shaped deep hole design

4.3 爆破裝藥設計

3DMine軟件在計算裝藥長度時，以柱狀藥包爆破所產(chǎn)生的應力波在無限介質中的傳播理論為依據(jù)，采用作圖法進行求解[15]。在本次裝藥設計中，爆破影響半徑取實際孔底距的一半[16]。以第11排和第42排炮孔為例，裝藥設計和爆破影響范圍如圖7所示。

1—影響范圍；2—炸藥藥卷；3—鑿巖巷道；4—礦體；5—炮孔編號；6—炮孔孔底距；7—裝藥長度。圖7 扇形深孔裝藥設計及爆破影響范圍Fig.7 Fan-shaped deep hole charge design and blasting influence range

第11排炮孔1、2、3、4、5號孔的裝藥長度分別為6.7、5.4、6.0、5.6、2.0 m，累計裝藥長度為25.7 m；第42排炮孔1、2、3號孔的裝藥長度分別為3.2、2.2、3.4 m，累計裝藥長度為8.8 m。

5 工業(yè)應用

針對10-0采場的破碎頂柱，運用脈外扇形中深孔爆破落礦回收方案，并且嚴格按照設計參數(shù)施工深孔炮孔。從第1排炮孔依次鑿巖爆破，每次起爆2～3排，施工流程：鑿中深孔→裝藥→炮孔填塞→電子雷管設置→爆破網(wǎng)絡連接和檢測→起爆。鉆孔設備為YGZ-90型鉆機，孔徑為55 mm。使用散裝硝銨炸藥，利用BQF-100型風動裝藥器實現(xiàn)炮孔的柱狀連續(xù)裝藥；所有炮孔采用炮泥進行填塞，填塞長度為0.6 m。為了提高對毫秒延時爆破時差的控制精度，在礦柱回收時采用電子雷管起爆。

生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)作業(yè)面位于較為穩(wěn)固的圍巖中，未出現(xiàn)嚴重的頂板冒落等危害，同時深孔炮孔的精準設計實現(xiàn)了頂柱的高效回收，10-0采場相關工業(yè)技術指標見表3。每排炸藥單耗和礦柱在炮孔方向上的截面積變化情況如圖8所示。

表3 10-0采場相關工業(yè)技術指標Table 3 10-0 Stope-related industrial technical indicators

圖8 炸藥單耗和礦柱截面積變化情況Fig.8 Unit explosive consumption and change of pillar cross-sectional area

從表3和圖9可得出，炸藥單耗隨著礦柱形態(tài)的變化而上下波動，其總體上和礦柱在炮孔方向上的截面積呈負相關關系。炸藥單耗其最大值為0.95 kg/t(在第1排炮孔)，最小值為0.45 kg/t(在第16排炮孔)；相應礦柱在炮孔方向上的截面積分別為8.6 m2和17.87 m2。10-0采場總體的炸藥單耗平均值為0.71 kg/t，與理論計算值0.6～0.8 kg/t相符合。

6 結論

根據(jù)礦柱形態(tài)、采場現(xiàn)有工程和礦山現(xiàn)有設備，提出了脈外扇形中深孔爆破落礦回收方案。借助3DMine軟件進行了扇形中深孔爆破相關設計，并且完成了10-0采場頂柱的回收工作。工業(yè)技術指標為：炸藥消耗量1 634 kg，炸藥單耗平均值0.71 kg/t，礦石貧化率21%，礦石損失率27%，采切比73.2 m/kt。

采用脈外扇形深孔爆破落礦方案回收極薄不穩(wěn)固礦脈，具有貧化損失低、采切比小，以及施工簡單安全等優(yōu)點，該方案可在同類礦山推廣應用。