1、 1包钢（集团）公司科技成果奖申报书、 项目的基本情况项目名称 超大型露天矿复杂群矿体裂隙岩体爆破优化成套技术申报类别 科技进步奖主要完成人 崔凤 王德胜 郑建军 潘泽军 武凤茹 郭建新 郭一娜 贺俊林 徐晓东 王振江 张 羽主要完成单位（第一完成单位盖章）包钢集团巴润矿业有限责任公司项目名称可否公布 是 保密期限密级 定密审察机构申报单位 包钢集团巴润矿业 有限责任公司 组 织 鉴 定单 位 、时 间 技术中心2012 年 1 月 16 日任务来源 自选 申报日期 2011.1130申报等级 一等 归口专业 采矿研制起止时间2010.10至201111用于生产时间 2011.6鉴定编号鉴字【
2、2011】第 号2二、项目简介项目作用意义、主要研究内容及结果、科学发现及技术创新、应用推广及取得经济效益等（不超过 1000 汉字）主要研究内容及解决的主要技术问题：1.采用动态激光散光光弹法与全息干涉法结合，进行了条形药包爆炸应力场、端部效应、多排、多列及微差爆破的全息动光弹(包括二维模型、三维模型的指定剖面、全息干涉位移场等)系列实验，取得了一系列重要成果，并应用于巴润矿爆破工程优化中；2.制定和完善了一套复杂群矿体裂隙岩体爆破分区、可钻性分级、裂隙岩体爆破优化设计和科学网络敷设方法，保证了设计方案科学合理；3.用先进的爆破测震手段，实现在同测点对同类地形地质条件下不同爆破类型的台阶深孔
3、爆破进行对比，获得了复杂裂隙岩体爆破地震波在群矿体复杂地质地形条件下的重要传播特性和初步规律；4.充分利用岩性、地质构造条件，完成了裂隙岩体爆破效果优化，实现延米爆破量提高75%以上，炸药单耗降低 23%以上，且爆后无根底、无大块、爆堆松散；取得巨大经济效益和良好的社会效益。特点、技术创新点、对科学技术进步的推动作用、推广应用及经济社会效益：综合运用全息二维、三维动光弹技术和全息干涉方法，对条形药包端部效应、爆炸应力场、并排药包应力场叠加、质点的垂直振动位移等方面进行了研究；在实际爆破设计中提出了一套在复杂矿体、地质条件下条形药包的合理布置、爆破参数的优化选择方法；以及多矿种复杂群矿体爆破分区
4、、岩体可钻性分级为基础的爆破优化科学方法，这些技术综合应用，使巴润矿爆破取得了破碎效果好、成本低、对爆区周围建构筑物没产生任何不利影响的优异业绩，经济效益突出并取得良好的社会效益，对复杂矿床的高效开发具有重要的借鉴和示范作用。适用范围：土建中的爆破工程、非煤矿山深孔爆破、公路爆破、场平和其它爆破工程3三、主要发现、发明及技术创新点以序号列举的方式写出项目主要科技的创新点，并注明支持该创新点的旁证材料（不超过 1000 汉字）（1）在理论研究方面：针对深孔爆破理论研究的空白，利用先进的全息激光动光弹实验技术，对露天矿台阶柱状药包爆破特性及相关问题进行了研究，多方面揭示了柱状药包爆破的本质属性；依
5、托国际先进的大型动态分析软件 LSDYNA3D 进行了台阶爆破三维数值模拟研究，按柱状装药建模，研究了其应力传播特点。针对白云鄂博地区岩性和炸药条件，研究了台阶深孔爆炸应力波的作用范围和沿抵抗性方向随时间发展规律,以上研究是岩体深孔爆破理论与技术的重要创新。（2）本课题的应用研究取得了裂隙岩体爆破关键工艺技术的突破，确定了巴润铁矿不同岩性和地质构造条件的爆破技术参数；依托岩石物理力学性质、节理、裂隙分布等客观条件，确定了将矿岩可爆性进行分区的技术指标、分区准则和方法；以爆破分区为基础对矿岩的爆破效果进行现场优化试验，研究出与裂隙优势方位垂直起爆、裂隙岩体大密集系数布孔、炮孔底部起爆的安全可靠和
6、便于推广的爆破优化成套技术；这些综合技术手段配套使用，解决了裂隙岩体爆破难题。（3）研究成果已成功应用于巴润铁矿，在复杂群矿体交互共生、裂隙岩体的生产爆破中效果显著。破 碎 块 度 均 匀 ， 爆 堆 松 散 ， 底 板 平 整 。 延米爆破量显著提高：矿石部位由142.21t/m 提高到 206t/m；岩石部位由 134.58t/m 提高到 235.8t/m；炸药消耗大幅降低：矿石部位由 0.266kg/t 降至 0.185 kg/t，岩石部位由 0.258kg/t 降至 0.195 kg/t； 取得了巨大的经济效益和社会效益，对增强我国复杂群矿体裂隙岩体爆破技术自主创新能力具有重要的理论及
7、现实意义。（4）项目研究以岩性和裂隙分布特性为主要爆破分区指标，深化了复杂岩体的可爆性分区理论。（5）项目通过对复杂群矿体裂隙岩体的系统研究，提出了以爆破分区、区域爆破优化、裂隙岩体大孔距、垂直裂隙方向爆破和高台阶深孔底部起爆等关键技术的成套爆破技术，较好地解决了巴润矿复杂裂隙矿岩体爆破的技术难题。4四、项目详细内容1. 立项背景（不超过 1000 汉字）巴润矿地质条件复杂，矿岩种类多、物理力学性质差异大，多种岩矿互层共生，深部矿岩节理裂隙发育情况不明确，各种矿岩物理力学性能参数及节理裂隙发育情况等资料不详。生产爆破技术参数的确定主观性较强，尤其属新建矿山，技术积累少，致使爆破效果较差，大块率
8、高、经常出现岩墙与根底，台阶底板高低不平，严重影响电铲铲装效率，制约矿山发展。针对生产爆破大块率高、易出现岩墙及根底的难爆区域调整孔网参数、爆破网络等，以达到降低大块率、消除岩墙及根底的目的。而对块度均匀、岩墙及根底较少的易爆区域，采用大密集系数布孔等爆破技术既可以减少穿孔量、提高延米爆破量，降低爆破成本。因此，对露天矿采场进行矿岩爆破性分区是爆破技术优化、改善爆破效果、提高爆破开采效率和安全生产的必然选择。巴润铁矿设计配备国产大型 310mm 牙轮钻机 23 台， 如何合理布置这些钻机的穿孔工作计划、提高穿孔技术至关重要。项目进行的岩石可钻性研究作为巴润矿穿孔工作的技术基础，对穿孔工程的合理
9、高效组织尤为必要。尽管传统岩石的可爆性分级和可钻性分级被广泛认同，针对不同目标的分级标准也不鲜见，但岩石的可爆性、可钻性分级方法始终无法在复杂矿体条件的矿山得到真正运用和推广。针对上述现象，包钢集团巴润矿业有限责任公司与内蒙古科技大学密切合作，从 2010 年开始，对公司所属矿山露天采场进行以岩体可爆性、可钻性为基础的爆破优化技术联合攻关。充分发挥包钢集团多年矿山生产的经验和内蒙古科技大学爆破研究的雄厚实力，从理论和现场技术上进行系统研究。这一课题的重要意义在于：白云地区属多矿种重稀土国家重要战略资源区域之首，矿体赋存条件极其复杂且普遍交互共生。在如此条件下如能将爆破优化技术有效地运用于多矿种
10、、复杂群矿体裂隙岩体的高效开采，必将对内蒙古地区以及国内其它地区的资源高效开采提供重要的借鉴意义。也正因为如此，本课题研究成果将对国内复杂群矿体的高效开采产生积极的影响和推动作用，如项目在全国实施必将显著提高我国稀土型复杂群矿体的高效开采水平，创造良好的社会效益与经济效益。52.详细技术内容（纸页不敷、可另附页、不超过 20 页）露天台阶爆破技术优化的目标是改善爆破效果，提高爆破效率，减少大块，消除根底，实现大型采掘设备作业的高效率，但以前的技术仍有许多尚待解决的问题。经过两年的努力，本课题在复杂群矿体裂隙岩体台阶中深孔爆破技术的创新、实用性方面进行了大量工作，取得了丰富的成果，具体体现如下：
11、（1）深孔爆破理论研究以往较为粗糙，本课题将爆破实验模型研究和爆破数值模拟研究相结合，并将研究成果转化到现场生产爆破的具体运用上，以居国际先进水平的高速激光全息动光弹为研究平台，进行了柱状药包、集中药包爆炸应力场的实验模型研究，探讨了两种不同装药、三种起爆方式下应力波分布、传播的特点与差异；定量分析了集中装药、柱状装药单点起爆、两端起爆和同时起爆三种方式在典型剖面的最大应力场规律。对明确现场爆破时的孔内起爆药包位置及间隔装药时轴向合理药量分布均具有重要的现实意义。（2）利用LSDANY 3D三维数值模拟方法，研究了岩体高台阶深孔爆破的作用机理。特别指出的是在爆破研究中用柱状药包而不是集中装药理
12、论计算了炮孔附近不同区域的应力场形成规律，分析了柱状药包在岩石介质中的爆破粉碎区范围和沿轴向破坏特点；进行了同时起爆（装药全长附双导爆索）应力波传播的时差对爆炸应力场影响的研究；通过对距爆破孔不同距离处的应力场分析，证实了巴润矿裂隙岩体进行高台阶爆破的可行性，其研究方法具有创新型。（3）理论研究和现场爆破试验实现了有机结合。以巴润矿采场的岩性、地质构造的实验测定参数计算的理论成果对现场爆破方案的制定起到了直接的指导作用，如以裂隙优势方位决定起爆方向、孔内装药起爆位置确定、台阶底部超深以改善柱状药包端部效应等，以上研究是岩体深孔爆破理论与技术的重要创新（4）复杂群矿体裂隙岩体爆破分区及可钻性研究
13、取得创新性的成果：以生产爆区为单元，通过现场测定和自相关分析，确定岩石的抗拉、抗压强度、纵波速度和裂隙平均间距为技术指标，用层次法+熵值法的综合赋权法6确定四项指标对爆破分区的影响权重，多指标加权聚类法将巴润矿的交叉共生复杂群矿、裂隙岩体分成 3 大区 5 个亚区；相近归类简化的分区，克服了传统以岩石为单元可爆性分级的不足，更适合大型露天矿以区域爆破效果优化为手段，大规模毫秒微差爆破为目标的高效开采模式；可钻性分级：对巴润矿主要矿岩进行全面物理力学特性实验研究和牙轮钻穿孔速度现场实测，用自相关性分析法确定岩石的抗拉强度、纵波速度和牙轮钻的实钻速度为指标，综合考虑岩体力学特性、地质构造、钻孔机械
14、、施工工艺技术水平的影响，客观确定三项指标对岩体可钻性影响的权重，将巴润矿裂隙岩体的可钻性划分为：易钻、一般、较难钻和难钻四类，克服了传统分级法以岩石单元为对象、以沉积岩类为主体，不适合多矿种群矿体复杂共生多金属矿的弊端，为大型露天矿合理安排生产计划、按劳分配的科学考核提供了依据。（5） 裂隙岩体爆破优化技术研究的新成果：以与爆破振动频谱匹配的短微差时间间隔、垂直裂隙优势方位的起爆网络设计、裂隙岩体大密集系数布孔和孔底起爆为特色的综合优化技术，实现了裂隙岩体良好的爆破效果。试验证实：矿石部位的延米爆破量由142.21t/m提高到206t/m；岩石部位由134.58t/m提高到235.8t/m；
15、炸药单耗大幅降低：矿石部位由0.240kg/t降低到0.185 kg/t，岩石部位由0.238 kg/t降低到0.194 kg/t。（6）经济效益和社会效益显著本课题成果推广迅速，仅在巴润矿初步经济效益已超过亿元。目前正在白云地区近邻的二个矿山推广，产生了巨大的经济效益。战略资源综合高效利用是国家十分关注的问题，它不仅仅是一个技术问题，更是深远的政治任务。复杂共生群矿体裂隙岩体爆破优化技术在内蒙古地区的进一步研究应用和推广，将有效地提高我国战略资源重稀土矿产资源（一般多金属共生）的高效开采利用，具有良好的社会效益，必将为推动和谐社会的可持续发展作出重要贡献。73.与当前国内外技术主要参数、效益
16、、市场竞争力的比较（2 页以内）经过课题组的共同努力，本课题在柱状药包爆破机理的模型实验、数值模拟计算、高台阶深孔爆破理论等研究中取得创新性成果；在复杂群矿体裂隙岩体爆破分区、岩体可钻性和裂隙岩体大孔距爆破关键技术及其应用中取得重要成果，与同类研究相比，本课题研究特色及创新点如下：在理论研究方面，对于岩体深孔爆破机理，过去进行研究的很少，纵观已有的研究，其存在问题是：大多数文献是阐述爆破工艺过程和爆破效果，缺乏对岩石爆破理论的研究。不多的理论研究又将柱状药包简化为集中药包分析，因此与实际爆破有很大差异。近年来的爆破数值模拟以二维模型居多，个别学者虽进行了岩石三维爆破模型研究，但受限于计算技术的
17、发展只能建小尺寸模型，划分单元数少（10 万以下） ，计算精度受影响。本课题理论研究特色在于：课题从三个层面对复杂群矿体裂隙岩体台阶柱状深孔爆破进行探讨：首先在研究方向上，考虑从岩体爆破机理而非爆破工艺方面研究。其次研究手段上，利用国际上先进的全息动光弹实验系统和 LSDYNA3D软件，实现了实验模型研究和数值模拟计算的有机结合：进行了18m、24m 高台阶三维爆破数值模拟计算；建模时按柱状装药而非简化的集中装药计算，多方面揭示了柱状药包爆破的本质属性；利用激光全息动光弹进行了各类模型实验研究。最后在研究内容方面，通过动光弹实验研究了集中药包与柱状药包不同起爆方式下的应力波差异，发现柱状药包同
18、时起爆效果最好，这一观点澄清了过去对此的错误认识。在三维数值模拟方面，将白云鄂博西矿的矿、岩石力学特性和炸药参数输入计算模型，探讨了高台阶深孔爆破的可行性；通过大孔距布孔、设计起爆方向与节理裂隙优势方位之间的关系，与爆破震动波频特性匹配的合理微差间隔时间优选等爆破优化技术，实现了延米爆破量提8高，爆破单耗降低，无根底，大块率低的良好爆破效果。以上研究无论从技术手段和内容都具备了先进性和创新性的特点。体现在下列几方面：复杂群矿体裂隙岩体爆破性分区和可钻性分级方面，国内外目前研究现状是：岩石可爆性分级：以岩石为单元，选取一种或几种表示岩石可爆性能的指标，制定一套标准，将各种岩石按爆破的难易程度划分
19、成一定等级。目前，国内外在指标选取、分级标准和类别划分上都不统一，差异大；突出的缺陷是不能适应矿山（尤其是露天矿）以爆区为生产单元、单元内多种岩石交叉互层共生的复杂现象；岩体的可钻性：以一种或几种岩石的力学性能指标或模拟钻机的岩芯实验为基础，按人为划分的标准对岩体的可钻性进行划分。存在技术指标差异大，分级标准不统一的乱象。近年来，虽然有许多新的数理方法应用，但实质的突破鲜见；较为成熟的分级方法适应以沉积岩为主的石油行业，与金属矿山群矿体、多矿种共生的复杂现象的实际情况相差较远。台阶爆破特别是高台阶爆破理论：近些年对爆破理论的研究较少，有限的研究多是将露天深孔爆破简化成球形药包或多个球形药包的组
20、合体，借助球形药包的研究成果进行类似研究，存在明显的技术缺陷，忽视了柱状药包与球形药包的本质差别，对实际以深孔柱状药包为主的露天矿生产爆破指导意义不强。露天爆破技术优化：对于一般矿岩结果较为单一的矿山爆破，优化技术的重点放在大孔距布孔、毫秒微差延期时间、扩大一次爆破规模、控制大规模爆破震动方面；但对于群矿体互层交叉、裂隙发育复杂矿体的针对性优化爆破技术研究欠缺。本课题通过不断探索，在复杂群矿体裂隙发育岩体深孔爆破优化技术方面的创新如下：复杂群矿体交叉共生裂隙岩体的爆破分区：以生产爆区为单元，通过现场测定和自相关分析，确定岩石的抗拉、抗压强度、纵波速度和裂隙平均间距为技术指标，用层次法+熵值法的
21、综合赋权法确定四项指标对爆破分区的影响权重，9多指标加权聚类法将白云鄂博西矿的交叉共生复杂群矿体分成 3 个大区 5 个亚区；相近归类简化的分区，克服了传统以岩石为单元可爆性分级的不足，更适合大型露天矿以区域爆破效果优化为手段，大规模毫秒微差爆破为目标的高效开采模式；可钻性分级：在对白云鄂博西矿主要矿岩进行全面物理力学特性实验研究和牙轮钻穿孔速度现场实测的基础上，通过自相关性分析，确定用岩石的抗拉强度、纵波速度和牙轮钻的实钻速度为指标，综合考虑岩体力学特性、地质构造、钻孔机械、施工工艺技术水平的影响，客观确定三项指标对岩体可钻性影响的权重，将白云鄂博西矿岩体的可钻性划分为：易钻、一般、较难钻和
22、难钻四类，克服了传统分级法以岩石单元为对象、以沉积岩为主体，不适合多矿种群矿体复杂金属矿的弊端，提供了大型露天矿合理安排生产计划、按劳分配考核的科学依据。柱状药包和高台阶爆破理论：通过全息激光动光弹模型实验获得了药柱中心单点起爆、两端同时起爆和药柱全长同时起爆不同方式下的柱状药包爆炸应力场的珍贵条纹图，揭示了柱状药包与球形药包爆炸应力场的本质不同，对柱部应力场、端部效应的应力特征有深刻揭示；LSDYNA 3D数值模拟的成果验证了实验结论，解决了露天矿台阶爆破特别是 24m 高台阶爆破理论的难题；裂隙岩体爆破优化技术：针对白云鄂博西矿复杂群矿体交叉共生裂隙岩体的特点，突出与爆破振动波频匹配的合理
23、短毫秒微差延时、控制起爆方向与裂隙优势方位垂直、大孔距布孔、孔底起爆超前压缩阻尼匹配等成套爆破优化技术，将白云鄂博西矿延米爆破量提高了 44.975.2%，炸药单耗降低22.729.7%，经济效益显著。104.应用情况（不超过 1000 汉字）白云鄂博西矿属超大型现代化露天矿，设计原矿生产能力1500万t/a，剥岩总量为9750万t/a，采剥总量 11250万t/a 。矿区铁、稀土、铌矿带等多种金属共生，矿体东西长10 km ，南北宽1 km 左右，呈向斜构造。分南北两个矿带（向斜两翼），矿体空间分布极其复杂，其中铁矿体划分出数十个主矿体，一百多个附属矿体。铌矿划分了数百个独立矿体，集中分布于
24、中区，基本为单工程控矿的透镜体，最大矿体延长超过1 km。稀土矿共划分出几十个矿体，矿体由西向东呈现由小变大、由分支到复合、南部矿体逐渐尖灭消失的趋势。如此复杂的矿体分布和地质构造，在世界范围内也不多见。除了复杂的矿体分布，所开采矿岩的地质构造也非常复杂，节理、裂隙发育，错综复杂的裂隙将原岩预分割成了天然的“块状体”；矿区虽地处干旱地区，但岩体中裂隙水较发育，炮孔普遍有水，水深高达810m，致使日常生产爆破质量差：大块多、根底、孤岛时有发生；电铲效率低下，台阶工作面高低不平；生产成本较高。自2010年10月年以来，通过“超大型露天矿复杂群矿体裂隙岩体爆破优化成套技术”的实施，大幅度改善了爆破质量，降低了大块率，基本消除了根底，显著提高了台阶中深孔爆破的效果，降低了生产成本，为白云鄂博西矿复杂难采矿体的高效开采，提供了有利保障，现已广泛应用于我矿的日常生产中。
