王 昌,張圓堂,姚 達(dá),朱建軍,黃 丹

(1.山西華興鋁業(yè)有限公司, 山西 呂梁 033000;2.中國鋁業(yè)股份有限公司, 北京 100082;3.北京礦冶研究總院, 北京 100160)

山西省呂梁地下鋁土礦山為緩傾斜薄礦體,礦體平均厚度1.85 m,鋁土礦普式系數(shù)為13～15,礦體直接頂板為黏土巖、硬質(zhì)耐火黏土礦,存在礦體硬頂板軟特點(diǎn)。井下采礦過程中在斷面尺寸3 m×2.5 m采用鉆爆法利用YT28氣腿式鑿巖機(jī)進(jìn)行采礦,在布孔形式上采用楔形掏槽工藝[1-3]崩落礦石。由于礦體節(jié)理較發(fā)育,斜孔掏槽雖然破巖作用較好,但實(shí)際生產(chǎn)中,斜孔掏槽鉆孔的角度在空間上難以掌握;炮孔深度受巷道掘進(jìn)寬度或高度的限制,因而影響到每個(gè)掘進(jìn)循環(huán)的進(jìn)尺;掏槽參數(shù)與巷道斷面和炮孔深度有關(guān);爆堆分散,巖石拋擲距離較大,易打壞設(shè)備,且影響裝巖效率。以山西省呂梁市某地下鋁土礦區(qū)為例,優(yōu)化爆破工藝采用直眼掏槽[4]替代傳統(tǒng)楔形掏槽爆破技術(shù)進(jìn)行研究。

1 破碎鋁土礦可爆性分級

應(yīng)用信息熵法[5-6]確定指標(biāo)權(quán)重,得到礦石可爆性分級評價(jià)指標(biāo)權(quán)重為: 〔0.149 0.185 0.180 0.144 0.183 0.159〕。計(jì)算過程如下:

=0.679

(1)

=0.841

(2)

=0.816

(3)

=0.654

(4)

=0.833

(5)

=0.721

(6)

V=V1+V2+V3+V4+V5+V6=4.544

(7)

W1=V1/V=0.679/4.544=0.149

(8)

W2=V2/V=0.841/4.544=0.185

(9)

W3=V3/V=0.816/4.544=0.180

(10)

W4=V4/V=0.654/4.544=0.144

(11)

W5=V5/V=0.833/4.544=0.183

(12)

W6=V6/V=0.721/4.544=0.159

(13)

利用上述計(jì)算方式,得出巖體可爆性分級的多指標(biāo)綜合測度評價(jià)向量:

μ1=〔0.0865 0.0575 0.2792 0.5223 0.0545 0 0〕

取置信度λ=0.5,得知鋁土礦的可爆性等級為Ⅳ級,可爆性為中等類型。

2 現(xiàn)場爆破工藝情況

井下鋁土礦采用常規(guī)楔形掏槽進(jìn)行爆破作業(yè),斷面布置30個(gè)孔,釬桿長度2 m,孔深1.8 m現(xiàn)有爆破效率1.5 m/進(jìn)尺,炸藥消耗約24 kg,同樣炸藥單耗0.73 kg/t礦;圖中波浪線以下漸變?yōu)榈V體底板,過渡明顯,底板軟弱破碎,礦體底板也還有品位,但A/S較低;標(biāo)示線以上,礦體節(jié)理裂隙發(fā)育。掌子面巖體質(zhì)量差,不利于破巖,在利用楔形掏槽時(shí),爆破效果不佳。

圖1 爆破試驗(yàn)掌子面

3 爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制爆破技術(shù)

3.1 掏槽爆破

巷道掘進(jìn)爆破效果取決于掏槽爆破的效果,掏槽孔的炮孔利用率決定了巷道掘進(jìn)的炮孔利用率。因此,合理選擇掏槽方式及其爆破參數(shù),使巖石完全破碎以形成潔凈的槽腔,是決定巷道爆破效果的關(guān)鍵。

掏槽方式的選擇,主要決定于巷道斷面、巖石性質(zhì)、巖層地質(zhì)條件和循環(huán)進(jìn)尺要求等因素。掏槽方式按掏槽孔的方向可分為斜孔掏槽、直孔掏槽和兩者相結(jié)合的混合掏槽。斜孔掏槽雖然破巖作用較好,但實(shí)際生產(chǎn)中,斜孔掏槽鉆孔的角度在空間上難以掌握;炮孔深度受巷道掘進(jìn)寬度或高度的限制,因而影響到每個(gè)掘進(jìn)循環(huán)的進(jìn)尺;掏槽參數(shù)與巷道斷面和炮孔深度有關(guān);爆堆分散,巖石拋擲距離較大,易打壞設(shè)備,且影響裝巖效率,所以,直孔掏槽應(yīng)用較為廣泛,但直孔掏槽炮孔數(shù)目較多,炸藥消耗較高,需要對整個(gè)爆破斷面孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),調(diào)節(jié)爆破效果,降低綜合單耗。

直孔掏槽的特點(diǎn)是所有的掏槽孔均垂直于工作面,且互相平行,空孔為裝藥孔提供自由面和補(bǔ)償空間。直孔掏槽分為龜裂掏槽、桶形掏槽和螺旋掏槽。龜裂掏槽適用于工作面有較軟的夾層或接觸帶相交的情況;桶形掏槽應(yīng)用廣泛,大、中、小斷面均可采用;螺旋形掏槽適用于較均質(zhì)巖石,且人工鑿巖布孔隨意性較大,所以原則上擬采用桶形掏槽。

掏槽眼為后續(xù)的破巖提供自由面和補(bǔ)償空間,在滿足要求的前提下,其鑿巖與裝藥應(yīng)盡量簡單,布孔個(gè)數(shù)應(yīng)盡量縮減,故設(shè)計(jì)雙空孔型和五星掏槽兩種方案,優(yōu)先選用雙空孔型[7]。

表1 常用桶形掏槽炮孔布置及參數(shù)表

3.2 爆破參數(shù)優(yōu)化

擬采用YT28型氣腿式鑿巖機(jī)鑿巖,炮孔直徑均為42 mm。礦區(qū)現(xiàn)場炸藥采用規(guī)格為長度300 mm、直徑32 mm、重300 g的乳化炸藥。

1)炮孔深度

炮孔深度簡稱孔深,是指孔底到工作面的垂直距離,而沿炮孔方向的實(shí)際深度叫炮孔長度?？咨畹拇笮〔粌H影響掘進(jìn)工序的工作量和完成各工序的時(shí)間,而且影響爆破效果和掘進(jìn)速度,是決定每班掘進(jìn)循環(huán)次數(shù)的主要因素。

表3 普通型孔徑的炮孔深度參考值

炮孔深度可以按照任務(wù)要求或掘進(jìn)循環(huán)組織,選取不同的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算;于公式中涉及具體施工組織要求的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和炮孔數(shù),現(xiàn)初步研究階段無法確定,故根據(jù)上表考慮巖石堅(jiān)固性系數(shù)(f=9.9)和掘進(jìn)斷面尺寸確定炮孔深度為1.80 m。

2)單位炸藥消耗量

在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)根據(jù)國家定額或工程類比法選取單位炸藥消耗量數(shù)值,通過在工程實(shí)踐中不斷加以調(diào)整。下表為巖石堅(jiān)固性系數(shù)與巷道斷面決定的每米巷道炸藥消耗量經(jīng)驗(yàn)值。

表4 巷道掘進(jìn)每米巷道炸藥消耗量經(jīng)驗(yàn)值

3)抵抗線與炮孔間距

最小抵抗線不僅與炸藥性能和巖石性質(zhì)相關(guān),還與自由面的大小有關(guān)。研究表明:在自由面不受限制條件下,形成標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗的最小抵抗線為W,則在自由面寬度B=2W時(shí),形成的破碎漏斗已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗。自由面的寬度大于2W時(shí),崩落孔的最小抵抗線可參考表5的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值選取。

表5 崩落孔最小抵抗線參考數(shù)值

參考表5,且考慮巖體較為破碎,硝銨炸藥爆力相對較大,確定崩落孔最小抵抗線為0.6 m。

炮孔間距的確定一般是根據(jù)一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)所需要的總裝藥量計(jì)算出總炮孔數(shù)目后,再按巷道斷面的大小及形狀均勻地布置炮孔。周邊孔距輪廓線的距離選取100 mm;周邊孔孔間距選取700 mm。輔助孔間距為520 mm。

4 炮孔爆破參數(shù)

4.1 炮孔深度

掏槽眼采用釬桿長度為2.2 m,孔深為2 m;輔助眼和周邊眼采用釬桿長度2 m,孔深1.8 m。

4.2 炮孔直徑

淺眼落礦試驗(yàn)中現(xiàn)場炸藥采用規(guī)格為長300 mm、直徑32 mm、重300 g的乳化炸藥,相應(yīng)的炮孔直徑為42 mm。

4.3 爆破斷面積

S=D×H

(14)

式中:S為爆破斷面面積,單位為m2;D為掌子面巷道采高,單位為m;H為掌子面巷道寬度,單位為m。

公式(14)中,D=3 m,H=2.5 m,S=3×2.5=7.5m2

4.4 炮孔數(shù)目[8]

(15)

式中:N為掌子面炮孔數(shù)量,單位個(gè);f為巖石堅(jiān)固性系數(shù),選定6.1;S為掌子面斷面面積,單位m2。

經(jīng)計(jì)算炮孔數(shù)目設(shè)計(jì)為24個(gè),考慮實(shí)際布孔情況,現(xiàn)場炮孔數(shù)量調(diào)整為26個(gè)。

4.5 炮孔布置方式和起爆順序

在掘進(jìn)巷道中,設(shè)計(jì)采用雙空孔超深直眼掏槽方式[9-10]對中心礦體進(jìn)行拋擲,掏槽眼、輔助眼與周邊眼均采用直眼鑿巖。

掏槽眼2 m(超深),輔助眼和周邊眼長度為1.8m。設(shè)計(jì)起爆順序、段位情況見圖2。起爆順序依次為1-2-3-4-5,鑿巖爆破參數(shù)情況見表6。

圖2 菱形中心雙空孔超深直眼掏槽設(shè)計(jì)

空孔和其它炮孔裝藥結(jié)構(gòu)見圖3、圖4。

圖3 空孔裝藥示意圖

圖4 其他炮孔裝藥示意圖

4.6 現(xiàn)場采掘爆破試驗(yàn)

爆破后實(shí)測掘進(jìn)進(jìn)尺1.76 m,炮孔利用率97.7%;礦石體重2.8 kg/m3,崩落礦巖量約38.7 t,消耗炸藥78卷23.4 kg,爆破形成輪廓線規(guī)整,無超采欠挖現(xiàn)象。

經(jīng)過爆破試驗(yàn)檢驗(yàn)、驗(yàn)證爆破技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo):

1)3 m×2.5 m小斷面炸藥單耗0.61 kg/t,原小斷面炸藥單耗約0.73 kg/t。

2)采用直眼掏槽較楔形掏槽鑿巖勞動(dòng)強(qiáng)度低,鑿巖效率高;新爆破方案小斷面炮孔個(gè)數(shù)26個(gè),較現(xiàn)有炮孔布置少4個(gè)。

3)鉆孔深度1.8 m,爆破進(jìn)尺1.76 m,炮孔利用率97.7%。

4)爆破塊度均勻,無粉礦和超過500 mm的大塊。

5)爆破形成的輪廓線規(guī)整,無超采欠挖現(xiàn)象。

中心空孔和其他炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如下:

5 結(jié) 論

1)中心雙空孔超深起爆拋擲直眼掏槽在小斷面掘進(jìn)中優(yōu)于斜眼掏槽,有限斷面內(nèi)一次進(jìn)尺長、破巖量大,打孔作業(yè)強(qiáng)度、時(shí)間降低,掏槽方式便于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè),塊度控制較好。

2)采用雙空孔型直眼超深掏槽爆破法,作業(yè)面斷面3 m×2.5 m,直眼掏槽眼孔深2 m(超深),輔助眼和周邊眼孔深1.8 m,爆破現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)炸藥單耗0.61 kg/t,較原楔形掏槽炸藥單耗縮小0.12 kg/t,爆破進(jìn)尺1.76 m,炮孔利用率97.7%,無粉礦和超過500 mm的大塊,通過此次現(xiàn)場試驗(yàn)得出:在緩傾斜薄礦體利用雙空孔直眼掏槽替換常規(guī)楔形掏槽采礦時(shí),各項(xiàng)爆破技術(shù)指標(biāo)得到了明顯提升。

3)通過此次現(xiàn)場試驗(yàn),充分證明直眼掏槽在巷道掘進(jìn)中的可行性,優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn),以后研究方案將重點(diǎn)在布控?cái)?shù)量和裝藥量上進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化,提

升工作效率,增大該菱形雙空孔直眼掏槽落礦爆破工藝在井下開拓、采切工程巷道掘進(jìn)的推廣性和應(yīng)用性。