无底柱分段崩落法适用于矿岩稳固的倾斜至急倾斜厚大矿体，该采矿法由于具有安全性好、采矿成本低、机械化程度高以及采矿效率高等优点而被广泛应用于国内外地下金属矿山[1,2,3]。无底柱分段崩落法采用上向扇形中深孔进行矿石爆破，根据上向扇形中深孔爆破炮孔的布置特点，孔口部位炮孔密集系数大而孔底部位炮孔密集系数小，导致炮排排面内炸药能量分布不均匀，爆破后易出现矿石破碎块度不均匀等问题。为了解决这些问题，众多专家学者开展了一系列相关研究，李斌等[4]针对程潮铁矿大块率高的问题，对不同参数的中深孔爆破进行了室内相似材料模拟试验，试验结果表明，单排孔的爆破效果优于双排孔，优化后的爆破方案降低了大块率；臧云培等[5]针对板石矿业公司上青矿应用无底柱分段崩落法采矿时出现矿石大块多的问题，提出改善装药密度、提升炮孔质量等措施和建议；任凤玉等[6]研究分析了有效爆破区域出现在孔底部位而不是孔口部位的原因，揭示了扇形炮孔爆破的方向性顺势破坏效应，据此讨论了炮孔密集系数的合理取值范围以及孔底起爆的适用条件，最终将矿石大块率从3.0%降低到1.8%,使爆破块度更加均匀；贺贵旺等[7]针对无底柱分段崩落法开采的爆破作业中存在大块率高的问题，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，进而优化了无底柱分段崩落法的中深孔装药结构、装药方式和起爆方式，优化装药结构后，显著降低了爆破大块产出率；朱志彬等[8]针对三鑫公司鸡冠嘴矿区大块产出率高、出矿困难的问题，根据回采过程中的生产实际情况，通过分析及试验，总结出大块产生的主要原因是凿岩爆破参数的选择不合理，通过扩大孔距、减小抵抗线的方式降低了大块率；薛廷河等[9]针对某铜矿深部无底柱分段崩落法采场放出矿石大块率高、炸药消耗量大的问题，通过将起爆方式从孔口起爆改为孔底起爆，使大块率明显降低、块度更加均匀。

龙首矿西二采区在破碎矿岩条件下采用无底柱分段崩落法采矿过程中，出现了崩落矿石块度大小不均匀的问题，崩落的矿石中块度≤5 cm的粉矿占比过高，导致放出体细长，废石过早混入，影响了矿石的正常放出[10,11],回采率降低，因此有必要对扇形炮孔爆破块度不均匀的原因进行分析，并采取相应措施改善爆破效果，减少粉矿，改善出矿效果。

1、工程背景

龙首矿西二采区无底柱分段崩落法采场共设1595 m、1580 m、1565 m和1546 m四个开采分段，进路间距为15 m, 进路宽×高为4.2 m×4.1 m, 崩矿步距为2.2 m, 采用垂直上向扇形中深孔爆破。

西二采区无底柱分段崩落法的扇形中深孔爆破后，崩落的矿石绝大部分为块度≤5 cm的粉矿(如图1(a)所示),统计分析表明，粉矿占比达50%～60%。在井下遇水或受潮情形下，粉矿容易黏结(如图1(b)所示),使其流动性变得更差，进而严重影响到矿石回采效果。通过现场调查得知，大量粉矿的产生导致废石过早出现，有的步距在出矿30～60铲(占崩矿量20%～40%)时就有废石放出。

图1 西二采区崩落法采场出现粉矿

因此，有必要针对西二采区扇形中深孔爆破后产生较多粉矿的原因进行分析和研究，并有针对性地采取有效措施。

2、粉矿占比过高原因分析

现场调查后分析认为，龙首矿西二采区无底柱分段崩落法采场扇形中深孔爆破产生较多粉矿的原因主要有以下两点。

一是西二采区矿岩自身较为破碎，矿石普氏硬度系数仅为3～5,矿石单轴抗压强度为30～50 MPa, 同时矿体中节理裂隙十分发育，因此西二采区矿体总体上属于松软破碎矿体。生产实践表明，该类矿体易凿易爆，在爆破作用下易发生破碎，当爆破参数与矿岩性质不匹配时，易产生较多粉矿[12]。

二是西二采区扇形炮孔密集系数过高，单排炮孔装药量过大。矿山扇形炮排中布置11个炮孔，扇形炮孔装药结构如图2所示，炮孔直径76 mm, 单排炮孔装药量为450～500 kg, 炸药单耗为0.38～0.41 kg/t, 据调查与统计，这一炸药单耗值要远高于类似破碎矿岩矿山的炸药单耗[13,14],例如北洺河铁矿的炸药单耗为0.28 kg/t, 西石门铁矿的炸药单耗为0.32 kg/t, 由此可见在西二采区破碎矿岩条件下，扇形炮孔的单排装药量过大，炸药单耗过高，容易使排面内的矿石被过度破碎而产生大量粉矿。

图2 西二采区扇形孔装药结构   

上述分析认为，矿岩松软破碎和炸药单耗偏高是西二采区扇形孔爆破后产生大量粉矿的主要原因，而矿岩松软破碎是一种先天性条件，很难通过人为干预改变。因此要减少扇形孔爆破后的粉矿比例，应主要从优化扇形孔的爆破参数入手，使炸药单耗与矿山岩性相匹配，从而获得较好的爆破效果。

3、扇形孔爆破块度优化方案

减少扇形炮孔排面内装药量(即降低单耗)是减少矿石过度粉碎的最直接措施[15],但考虑到崩落法采场通常需要提前完成大量的中深孔凿岩工作，对于采场中已完成中深孔凿岩的进路，已无法通过减少排面内炮孔数目来实现减少单排炮孔装药量的目的，同时由于11个炮孔相对均匀地分布在排面内，也无法通过对某个或某几个炮孔不装药来降低单排炮孔的装药量。因此，为了保证排面内炸药能量均匀分布，针对已完成凿岩的中深孔排面提出了两种优化方案，第一种为将小直径PVC管沿炮孔全长铺设，以减少炮孔线装药密度；第二种为在孔内间隔地装入填塞物，在炮孔内实现间隔装药，减少单孔装药量，从而减少整个排面装药量。而对于未凿岩的进路，则采用保持炮孔数目不变，降低炮孔直径的措施来减少单排炮孔的装药量。

3.1 减小炮孔线装药密度

减小炮孔的线装药密度是减小单排炮孔的装药量的有效途径，为减小炮孔线装药密度，可沿孔全长铺设小直径(20～30 mm左右)的PVC塑料细管，从而在排面内均匀地减少装药量。期望通过减少炮排的总装药量，使崩落的矿石块度更为均匀，降低粉矿的比例。如图3所示，为降低操作复杂性，在该方案中，对1号、2号、4号、6号、8号、10号及11号这7个装药长度较大的炮孔沿孔全长铺设PVC细管。

图3 在孔内铺设细管以减少装药量的技术方案   

经计算，若采用20 mm的PVC塑料细管可使每米炮孔装药量减少0.34 kg, 可使每排炮孔的总装药量减少24 kg, 单耗可降低0.02 kg/t; 若采用25 mm的细管可使每米炮孔装药量减少0.54 kg, 可使每排炮孔的总装药量减少37 kg, 单耗可降低0.031 kg/t; 若采用30 mm的细管可使每米炮孔装药量减少0.78 kg, 可使每排炮孔的总装药量减少54 kg, 单耗可降低0.045 kg/t。

需要注意的是，该方案在实施过程中，塑料细管应和装药管一并送入孔内并抵达孔底，装药拔管时，应固定塑料管，不使其被一并拔出。为确保爆破效果，建议采用导爆管雷管孔底起爆，并沿孔全长铺设导爆索。

该方案的优点在于能均匀地减少炮孔装药量，还可通过PVC管直径来灵活调整单排装药量，缺点是操作难度大、工艺较为繁琐。

3.2 孔内间隔装药

孔内间隔装药是在往炮孔内装药时，沿炮孔长度方向间隔性地放入一些柔性充填物，从而减少单个炮孔的装药量。孔内所使用的填塞物，推荐采用较为柔软的炸药外包装编织袋，填塞长度推荐取1.5 m左右，为保证爆破效果，现场应对填塞长度进行较为精细的控制，使其最小长度不小于1 m, 最大不超过2 m。由于中深孔孔底位于桃形矿柱部位，而桃形矿柱之上为脊部残留矿石，同时孔底部位炮孔间距较大，为了保证桃形矿柱能够顺利崩落，使脊部残留矿石得到回采，应至少保证4～8号孔的孔底2 m范围内装有炸药。同时，为避免孔口部位出现大范围不装药的现象，间隔不装药段不宜集中在孔口部位，设计整个排面的孔口部位保持为“W”形交错装药。此外，为了使排面内各部位的矿石均布有炸药将其崩落，相邻炮孔中的不装药段在水平方向上应互相交错。

综合以上因素，根据当前的扇形炮孔装药结构参数，炮排中4号、6号、8号这3个孔的装药长度最大，因此先选择4号、6号、8号这3三个孔进行孔内间隔装药，间隔装药方式见图4。通过计算可知，采取该方案后，可使炮排总装药长度减小10 m左右，总装药量减少50 kg左右，炸药单耗可降低约0.044 kg/t, 降低幅度达到11%。

图4 扇形中深孔孔内间隔装药技术方案示意   

该方案的优点在于施工工艺相对简单、填塞成本低，但存在排面内炸药分布不均的问题，当填塞长度过大时，易在局部产生大块。

3.3 炮孔数目不变、缩小炮孔直径

要减少扇形中深孔的装药量，一种方式是保持现有炮孔直径不变、减少炮孔数目；另一种方式是保持炮孔数目不变、缩小炮孔直径。对于第一种方案，如将目前炮排内的11个炮孔减少为7～9个，可以显著降低单排装药量，但考虑到西二采区矿石较为破碎，通常前排炮孔爆破后容易造成后续几排炮孔发生变形和堵塞，进而影响到炮排的装药质量，因此减少炮孔数目后，一旦有部分炮孔变形堵塞且无法疏通，就可能会导致排面内装药量不足，使矿石无法被正常崩落。因此，为了确保获得良好的爆破效果，推荐采用保持炮孔数目不变、缩小炮孔直径的技术方案。初步计算可知，炮孔直径由76 mm缩小为65 mm后，单排装药量可减少112 kg, 炸药单耗可由原来的0.38～0.41 kg/t降低至0.29～0.32 kg/t, 此炸药单耗值基本与同类破碎矿岩矿山的扇形中深孔爆破的炸药单耗持平。

该方案的优点在于操作简单，能在扇形炮孔排面内均匀地减少装药量，缺点为炮孔直径缩小后，一旦发生炮孔变形和错孔，装药管进入炮孔的难度将增大。

4、现场应用效果

为了改善崩落矿石中粉矿比例过大、矿石流动性差的问题，矿山选用在中深孔孔内间隔装药的技术方案在现场进行了工业试验，试验地点选择在1580 m分段10号进路的33排，试验前要求爆破班组对该排炮孔进行了全面疏通和验孔工作，确保排面内每个炮孔达到了设计深度。验孔工作完成后进行装药，装药工人按照图4的间隔装药方案进行了装药，最终该排装药量为400 kg, 相对于其他正常装药炮排减少了50 kg左右，炸药单耗降低了约0.042 kg/t, 降低幅度为11%。装药完成后进行了爆破，并在随后出矿过程中对崩落矿石的块度情况进行了跟踪分析。该排炮出矿过程中爆堆上矿石的块度变化情况如图5所示。现场跟踪调查发现，10号进路33排炮孔在采用了孔内间隔装药技术后，在出矿的前90铲，主要放出的是块度20～40 cm的矿石，从90铲往后，爆堆上块度小于5 cm的粉矿占比逐渐增加，达到了50%以上，最终，该排共放出纯矿石1045 t, 占炮排崩矿量的86.5%,回采率达到了预期的步距矿石回采率(80%)。

试验结果表明，相对于未采用间隔装药的炮排，在出矿20～40铲时，爆堆上块度小于5 cm的粉矿占比就已达到了60%以上，采取间隔装药技术方案后，崩落矿石中的粉矿数量减少了近75%,证明对于已完成凿岩的扇形中深孔，采用该方案后可以显著减少粉矿的产生，提升矿石回采率。

图5 孔内间隔装药减少粉矿方案的应用情况   

5、结论

(1) 龙首矿西二采区无底柱分段崩落法回采过程中发现扇形中深孔爆破后崩落的矿石块度不均匀，粉矿占崩落矿量的50%～60%,大量粉矿的存在使得矿石的流动性变差，造成废石过早放出，严重影响到矿石回采效果，部分步距的纯矿石回采率不到40%,远低于预期的80%。

(2) 现场调查结合理论分析认为，扇形炮孔密集系数过大、炸药单耗偏高以及矿山矿岩较为软破等，是造成矿山扇形炮孔崩矿块度不均、粉矿占比过高的主要因素。优化扇形孔的爆破参数，使炸药单耗与矿山岩性相匹配，可获得较好的爆破效果，提高矿石回采率。

(3) 针对已完成中深孔凿岩的炮排，提出了减小炮孔线装药密度和孔内间隔装药两种技术方案；而对于未进行中深孔凿岩的进路，提出了保持炮孔数目不变、缩小炮孔直径的技术方案。

(4) 现场工业试验结果表明，采用在中深孔孔内间隔装药的方案，可以使单排装药量减少50 kg, 炸药单耗降低11%,爆破后粉矿量减少75%左右，步距纯矿石回采率达到86.5%,实现了设计的回采目标。

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文章来源:何建元,马国虎,梁博等.破碎矿体条件下扇形孔爆破块度优化措施研究与实践[J].矿业研究与开发,2023,43(12):24-28.