1、磷铁矿床中深孔爆破设计方案优化研究贺贵旺 1，明建 1,2，王通潮 1，毛市龙 1,2（1北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；2北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083）摘 要：针对应用无底柱分段崩落法开采的某磷铁矿床在爆破作业中存在的问题，对爆破能量的释放过程和由爆炸引起的岩石裂隙的生成过程进行了研究，进而优化了该矿无底柱分段崩落法采区中深孔内的装药结构、装药方式和起爆方式。工程实践结果表明：优化后的装药结构能够显著提高爆破对岩体的爆破效果，并有效地降低爆破大块产出率，从而能够为该磷铁矿床确定合理的中深孔爆破方案提供依据。关键词：无底柱分段崩
2、落法；中深孔爆破；装药结构；爆破效果The Optimization Study of Medium-length Hole Blasting Design in the Iron Phosphate MineHE Guiwang1, MING Jian1,2, WANG Tongchao1, MAO Shilong1,2(1. School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China； 2. State Key Laboratory
3、 of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China)Abstract: According to problems of the blasting operation of caving with non-pillar sublevel caving mining method in the iron phosphate mine, the study of th
4、e energy release process of explosive blasting and the process of rock fracture caused by blasting are carried out and then the charge structure and the explosive detonation mode are optimized. The industrial test results show that the blasting effect on the ore rock is improved and the blasting bou
5、lder yield is lowered by using the charge structure of explosive. Study results can provide the support for the explosive blasting design of the iron phosphate mine.Key words: non-pillar sublevel caving mining method; medium-length hole blasting; charge structure of explosive; blasting effect引言无底柱分段
6、崩落法是地下金属矿山广泛采用的采矿方法，其爆破作业的特点是：补偿空间小，属于挤压爆破；爆破后的矿石块度关系到装运设备的效率和二次破碎工作量 1。所研究的磷铁矿体赋存条件复杂破碎，爆破作业过程中频繁出现错孔、堵孔和缩孔，造成装药困难、爆破效果较差。为降低爆破对后排孔的破坏，矿山目前采用每一步距逐排抬高布置炮排，但该方案存在作业效率较低、眉线破坏较严重、大块产出率居高不下等问题。因此，研究适合于矿体赋存条件和矿岩物理力学特性的炮孔设计、装药结构和装药方式，对于提高爆破效果和作业效率具有重要的意义。国内外学者对矿岩爆破破碎机理、装药结构和装药方式的优化进行了大量研究 2-5。文献6采用现场实验和数值
7、模拟实验对中深孔挤压爆破崩矿质量的控制技术进行了研究，对装药结构和起爆方式进行了优化。学者和工程技术人员提出采用预装药的方法，提高作业效率和爆破效果 7-9。文献10研究了预装药爆破效果的影响因素，并提出了改善预装药爆破效果的具体措施。针对预装药爆破技术应用过程中暴露出的问题，研究了改善预装药爆破效果的技术 11-13。本研究在力学模拟计算的基础上，遵循以现场实验为主、理论分析和数值模拟实验为辅的原则，对不同装药结构和装药方式条件下的矿岩爆破效果进行了研究。1 工程概况及爆破破岩作用机理1.1 工程概况该磷铁矿床蕴含在成矿母岩体内的似层状辉石岩层中上部，具有典型的岩浆分异成矿特征。矿体在宽度上
8、的变化较小，总体呈现为近似于弧形，矿体倾向至弧形中心，矿体的倾角为 2058。成矿母岩具有似层状结构，矿岩的力学性质复杂多变。矿体本身与顶板、底板存在软硬岩层交替出现的现象，其力学强度特征是矿体本身较软、顶板较硬、直接底板较软、间接底板较硬。在开采过程中，由于矿体顶板较为坚硬造成顶板不容易发生崩落，容易造成沿矿体和矿体直接底板软弱层发生抽冒。1.2 爆破破岩作用机理在矿山开采过程中应用最广泛的破岩方法是利用炸药爆破破岩。在不存在应力叠加的现象时，爆破破岩的过程有以下步骤。首先，炸药爆炸产生的冲击波在炮孔周围的矿岩区域形成粉碎区；其后，爆炸的冲击波衰减为应力波继续向炮孔周围的矿岩传播；径向裂隙网
9、、环状裂隙和剪切裂隙不断形成、扩展和贯通，最终构成了破裂区 15。而柱状药包在起爆后将沿传爆方向产生应力叠加区域，其生成的裂隙会更宽，影响范围会更大，更有利于破碎矿岩。本研究将依据爆破能量的释放过程和由爆炸引起的岩石裂隙生成过程的特点，对该矿体的爆破方案进行优化。2 中深孔爆破方案优化研究2.1 装药方式和装药结构的优化（1）采用预装药爆破工艺在该矿区的爆破作业过程中，遇到矿体赋存条件较差，矿岩破碎、节理裂隙发育，矿岩稳定性差等问题。在所研究的采区经常遇到炮孔存放后爆破前变形破坏，导致装药困难、爆破效果不理想等情况，由于炮孔变形堵塞，在打孔后只能尽快装药爆破，导致采场循环作业受阻，影响整个生产
10、效率。该矿现采用了打一步距崩一步距，每一步距采用逐排抬高布置炮排。该方案虽降低了对后排孔的破坏，但降低了生产效率，而且密集的炮孔致使眉线破坏严重，大块产出率高，爆破效果较差。本研究提出采用预装药爆破工艺缓解以上问题，即在回采过程中，保持在预装排数的炮孔内，预先装入炸药和导爆索。并且每放一排，就增加一排预装。为了避免装药次数频繁，也可同时多装几排，待至放到只剩下预装排数的炮孔时，再集中装一次。（2 ）装药结构的优化在现场调研过程中发现矿石爆破后大块产出率较高，给后续出矿作业带来了很大的困难，降低了作业效率。通过对该矿区不同进路的数据进行统计分析，可以其大块产出率一般在 15%左右。块度过大不仅会
11、严重影响设备的出矿效率，而且易于引起设备损坏等问题的发生。此外，大块率的升高增加了炸药的二次消耗和雷管消耗等成本，提高了作业人员的劳动强度。由于有实验研究表明，较高爆速炸药在应力作用、裂隙形成和破坏效果方面均优于低爆速炸药，孔底起爆和孔内布设全长导爆索有利于改善爆破质量 14-15。因此，为了降低大块产出率和炸药单耗，提高爆破质量，本研究提出采用孔底起爆且布置全长导爆索的装药结构。2.2 炮孔设计的优化方案矿区采用的传统炮孔设计方案如图 1 所示。从图中可知，该设计方案布置了 4 排炮孔，其中后排炮孔是起到主要爆破作用的炮孔。但是由于逐排抬高布置炮孔，造成炮孔下部的自由面较小。下部炮孔过于集中
12、，无法承担相应的爆破岩石体积，对炸药单耗和大块率也产生了较大的影响。2.721#切 穿 第 七 步 距图 1 炮孔参数Fig.1 The Blast hole parameters本研究中将排面倾角改为 85左右，炮孔设计分为奇数排和偶数排两种，如图 2 所示。该设计的优点是增加了爆破补偿空间，更有利于破碎岩体。(a) (b)图 2 优化后的炮孔参数a-奇数排；b- 偶数牌Fig.2 The optimized blast hole parametersa- The odd row of Blast hole；b- The even row of Blast hole3 实验结果与讨论在现场实
13、验中，将传统的逐排抬高的炮孔设计作为实验方案一，将采用优化后的炮孔设计作为实验方案二，其爆破参数比较如表 1 所示。表 1 爆破参数比较Table 1 The comparison of blasting parameters爆破参数 实验方案一 实验方案二孔数/个 32 20打孔米数/m 481.4 312.7装药量 /kg 1688.6 1147.7崩矿量/t 2946 2126炸药单耗/(kg/t) 0.57 0.54由上表可知，在崩矿量和炸药单耗基本相同的情况下，实验方案二比实验方案一减少了钻孔米数，降低了净钻孔量。实验方案二中预装药爆破工艺的应用，减少了凿岩台车迁移的次数，节省了作业
14、时间，提高了作业效率。同时也可发现出实验方案一中炸药单耗高于实验方案二，但大块率却高于实验方案二，现场监测表明其眉线破坏也较为严重。爆破大块产出率比较如表 2 和图 3 所示。表 2 爆破大块产出率比较Table 2 The comparison of blasting boulder yield累计出矿量/t实验方案一大块产出率/%实验方案二大块产出率/%300 9.52 19.44600 8.86 10.42900 8.42 5.381200 9.53 4.151500 10.00 3.831800 16.58 2.012100 16.18 2.492400 10.18 3.27图 3 大
15、块产出率波动曲线Fig.3 The blasting boulder yield fluctuation curves由表 2 和图 3 可知，实验方案二的大块产出率较实验方案一有较大下降，且现场调查表明很少有超大块出现，显著减少了二次爆破的费用。实验中，实验方案二的眉线破坏情况较轻。实验结果表明，采用排面前倾为 85的炮孔设计和孔底起爆且布置全长导爆索的装药结构有利于矿岩的破碎，炮孔的爆破破坏特征更近似于柱状药包爆破的破坏效果。在爆破作业中，采用预装药爆破工艺，能够降低凿岩台车进出作业场地的次数，降低设计人员测量的工作量。优化后的爆破参数能够降低爆破大块产出率，进而提高中深孔凿岩和爆破作业的
16、效率和效果，从而提高企业的经济效益。4 结论针对某磷铁矿床无底柱分段崩落采矿法采区的矿体赋存条件和开采特点，本文对不同的中深孔装药结构条件下，矿岩爆破破碎机理和裂隙变化规律进行了研究，优化了炮孔设计方案、装药方式和装药结构。工程现场实践表明，优化后的爆破设计方案能够提高中深孔凿岩和爆破作业的效率和效果，能够为该磷铁矿床确定合理的中深孔爆破方案提供依据。参考文献1 王青，任凤玉采矿学M 北京：冶金工业出版社， 20132 任凤玉，王文杰，韩智勇无底柱分段崩落法扇形炮孔爆破机理研究与应用J 东北大学学报（自然科学版） ，2006，27（11）：1267-1270 3 蓝忠林紫金山金铜露天矿深孔爆破
17、参数优化J 现代矿业， 2017（1）：112-114 4 余青龙孔底起爆技术在上向扇形深孔爆破中的应用与研究D昆明：昆明理工大学，2015 5 李显寅起爆药包位置影响爆破效果的研究进展J 化工矿物与加工， 2009，38（7）：38-416 谢经鹏中深孔挤压爆破崩矿质量控制技术研究D北京：北京科技大学，20157 范小雄预装药爆破技术在德兴铜矿的应用J 有色冶金设计与研究， 2003，24（2）：92-97 8 张文辉复合乳化剂在德兴铜矿预装药应用研究J 铜业工程， 2014（6）：62-65 9 肖绍清，林大泽采矿业预装药中使用高强度高精度导爆管起爆系统的可靠性和安全性J安全， 1994，
18、 （4）：1-510 范小雄，张贤荣大型露天矿预装药爆破效果影响因素探究J 中国矿业，1999，8（3）：31-35 11 王华高威力机械化预装安全乳化炸药的研究与应用D南昌：江西理工大学，2011 12 陈志刚，杨荣杰用高分子添加剂提高乳化炸药的贮存稳定性J 北京理工大学学报，1999，19（5）：651-655 13 武海英高分子乳化剂对现场混装乳化炸药稳定性的影响D北京：北京理工大学，201614 明建，高永涛，胡乃联，谢经鹏崩落采矿法挤压爆破质量控制方法的实验J 实验室研究与探索，2017，36（9）：6-9 15 翁春林，叶加冕工程爆破M 北京：冶金工业出版社， 2014 基金资助：基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.51374032) 。通讯作者简介：明建（1979-） ，男，博士，工程师，主要研究方向为采矿方法、岩石力学和数字矿山。联系电话：13810720451通讯地址： 北京市海淀区学院路30号48栋1103室邮编：100083民族：汉工作单位：北京科技大学土木与资源工程学院电子邮箱： 第一作者简介：贺贵旺(1992-)，男，硕士研究生，采矿工程专业，主要研究方向为采矿方法。
