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基于爆破漏斗试验的中深孔爆破参数优化研究

2024-05-20 63 上传者：管理员

摘要：某铜矿采用分段空场中深孔爆破落矿，为了提高爆破质量，基于利文斯顿爆破漏斗理论开展了单孔系列、变孔距多孔同段爆破漏斗试验，并以试验结果为基础设计了中深孔爆破工业试验，最终确定了有利于降低炸药单耗、改善爆破效果的合理爆破参数。爆破漏斗试验得到的药包临界埋深为0.964 m,最佳埋深为0.470 m,最佳爆破漏斗半径为0.429 m,孔间距与最佳漏斗半径的最优比值为1.64;优化后的中深孔爆破孔底距为2.6～2.8 m、排距为2 m;中深孔爆破工业试验过程中，将部分炮孔排距增加到2.2 m,大块率并未提高，爆破效果良好，实际炸药单耗从0.47 kg/t降低到0.39 kg/t。

关键词：
中深孔爆破
炮孔参数
炸药单耗
爆破漏斗
矿石品质
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对于硬岩矿山，爆破参数的选取直接影响爆破效果、矿岩铲运效率以及矿山生产成本[1,2,3]。Livingston C.W.在1950年代提出了相对完整的爆破漏斗理论[4],爆破漏斗试验是探索合理爆破参数的重要手段之一，国内外学者对此也开展了大量的研究和实践[5,6,7,8,9,10,11]。

某铜矿床为泥质型沉积变质岩型铜矿床，资源丰富，矿石品质较好。目前，该矿山部分区域采用分段空场嗣后充填法，但现场爆破参数根据经验确定，生产过程中存在炸药单耗高、大块率高等问题，严重影响了井下作业安全和矿山生产效率，因此有必要对井下采矿的爆破参数进行优化调整。为获取最优爆破参数，需要在岩性相似的巷道内进行爆破漏斗试验，并结合试验结果设计中深孔爆破工业试验，以验证参数优化的合理性。

1、爆破漏斗理论

Livingston C.W.通过大量的爆破漏斗试验，分析和总结了爆破漏斗的形成和演变过程，即利文斯顿爆破漏斗理论[4]。该理论认为炸药性能、岩石性质、装药量和药包埋深等因素显著影响炸药爆破时传递给岩石能量的多少与速度的快慢。一般地，爆破漏斗体积随药包埋深的增加呈现先增大后减小的变化趋势，当埋深超过一定值时，爆破漏斗则无法形成。因此，将最大爆破漏斗体积所对应的药包埋深称为最佳埋深；将无法形成爆破漏斗、仅引起岩石出现贯穿裂隙的最小埋深称为临界埋深[8]。药包处于临界埋深、最佳埋深时的弹性变形能方程分别为[12]:

Le=EQ1/3 (1)

Lj=ΔjEQ1/3 (2)

式中，Le为临界埋深，m; E为应变能系数；Q为球状药包质量，kg; Lj为最佳埋深，m; Δj为最佳埋深比(Δj=Lj/Le)。

与实际中深孔爆破参数相比，爆破漏斗试验得到的各参数值均有缩小，对试验结果需要按照立方根相似定律进行转换[13,14]:

式中，Lj0、Rj0、V0、Q0分别为小型爆破漏斗试验的最佳埋深、漏斗半径、漏斗体积、药包质量；Lj1、Rj1、V1、Q1分别为实际岩石中深孔爆破的最佳埋深、漏斗半径、漏斗体积、药包质量。

2、爆破漏斗试验

2.1 单孔爆破漏斗试验

爆破漏斗试验地点的岩石岩性应与实际中深孔爆破的采场岩石的岩性相近。选择在某铜矿的M采场凿岩巷道内开展爆破试验，该巷道岩石较为完整，无明显断层，坚固性系数f为8～10,矿石密度为2680 kg/m3。

本次试验采用YGZ-90凿岩机在相对平整的巷道侧帮钻凿深度不同、间距相等、孔径均为65 mm的水平孔。以爆破形成的漏斗不连通为原则，相邻炮孔间距取2 m, 试验炮孔布置如图1所示。

图1 单孔爆破漏斗试验炮孔布置

如图2所示，试验采用直径为60 mm、长度为300 mm药卷，内装2#岩石硝铵炸药850 g, 在药卷端部置入25 g乳化炸药，并在其中插入一个起爆雷管。每个孔装填一卷炸药，将带有起爆雷管的一端朝里送入孔底，孔口部分使用炮泥填塞，以确保爆破质量。

2.2 变孔距多孔同段爆破漏斗试验

在M采场凿岩巷道的另一帮壁开展变孔距多孔同段爆破漏斗试验，以单孔爆破漏斗试验求得的最佳埋深作为炮孔深度，利用YGZ-90凿岩机在巷道侧帮钻凿深度相同、间距不等的水平孔，试验炮孔布置如图3所示。试验药卷规格和装药方式与单孔爆破漏斗试验相同，该试验能够获取最大孔底距的范围，为中深孔爆破参数的优化奠定基础。

图2 单孔爆破漏斗试验药卷制作

图3 变孔距多孔同段爆破试验炮孔布置

3、试验结果与分析

3.1 爆破漏斗特征曲线

单孔爆破漏斗试验完成后，扣除漏斗口周边片落的岩石，利用20 cm×20 cm的网格覆盖整个爆破面，对漏斗口的边界进行标记和圈定。以炮孔中心线为轴线，每隔45°量取8个不同方位的漏斗边界与轴线之间的距离，取其平均值作为漏斗半径。同时，量取各测点位置的爆破深度，根据辛卜生法求得漏斗各断面面积，再由式(4)计算漏斗体积。单孔爆破漏斗试验结果见表1。

式中，B为测点间距，本次试验取0.2 m; Si为漏斗某断面面积，m2。

表1 单孔爆破漏斗试验结果

由现场试验和表1数据可知，2#孔没有形成爆破漏斗，其孔口附近只有少量的裂隙和岩体脱落，可认为其药包埋深0.964 m为临界埋深。根据试验数据绘制爆破漏斗特征曲线(见图4)、漏斗半径与药包埋深关系的曲线(见图5)。

图4 爆破漏斗特征曲线

图5 漏斗半径与药包埋深关系曲线

对实测的爆破漏斗特征曲线进行拟合，回归模型如下：

式中，y1为V/Q,即单位炸药爆破体积，m3/kg; x1为L/Le,即药包埋深与临界埋深之比。该模型可决系数R

同理，对漏斗半径与药包埋深关系曲线进行拟合，回归模型如下：

式中，y2为爆破漏斗半径，m; x2为药包埋深，m。该模型可决系数R

由此计算得单孔爆破漏斗试验的主要技术参数：应变能系数为1.44 m/kg1/3,最佳埋深为0.470 m, 最大爆破漏斗体积为0.094 m3。将最佳埋深值代入式(6),可得最佳爆破漏斗半径为0.429 m。

3.2 最佳爆破孔间距

基于单孔爆破漏斗试验结果，设计多孔同段爆破漏斗试验的孔深为0.620 m, 药包中心埋深为0.470 m, 试验结果见表2。

表2 不同孔距多孔同段爆破试验结果

由多孔同段爆破漏斗现场试验结果可知，1#孔与2#孔之间的岩石爆破块度很小，2#孔至5#孔之间的岩石爆破块度均匀且较小，5#孔至7#孔之间的岩石爆破块度逐渐增大，如图6所示。造成上述现象的主要原因是当孔间距较小时，炸药爆炸能相互叠加[15,16];随着孔间距的增大，爆炸能叠加效果减弱，相邻孔之间逐渐形成三角脊柱，并发展成相互独立的爆破漏斗。当爆破试验的孔间距与最佳爆破漏斗半径之比n为1.64时，相邻孔之间的岩石可以得到较好的破碎，爆破块度均匀且适宜。

图6 不同孔距多孔同段爆破试验效果

3.3 中深孔爆破工业试验参数确定

3.3.1 孔底距

对式(3)进行转换，可得中深孔爆破工业试验孔底距的计算公式：

式中，a为孔底距，m; n为孔间距与最佳爆破漏斗半径之比，根据上述试验结果，此处n取1.64。

该铜矿分段爆破的上向扇形中深孔的平均深度为11.75 m, 炮孔直径为76 mm, 炮孔装药长度为孔深的85%,装药密度为1000 kg/m3,计算矿山中深孔爆破药包质量Q1为45.28 kg。将Q1代入式(7),可得中深孔的孔底距理论值为2.68 m, 可取为2.6～2.8 m。

3.3.2 排距

根据被爆岩石的坚固性系数，该铜矿最小抵抗线可根据式(8)确定[17]:

W=(25～30)d (8)

式中，W为最小抵抗线，m; d为炮孔直径，此处取0.076 m。

计算最小抵抗线为1.90～2.28 m, 考虑到实际生产采用装药器装药，单位炮孔装药密度较大，结合爆破漏斗试验结果，选取炮孔排距b为2.0 m。

3.3.3 炸药单耗

采场宽度15 m, 实际崩落的矿石高度约13 m, 排距2.0 m, 则每排孔爆破矿石体积为390 m3;每排布孔9～10个，根据Q1值计算得到每排炮孔的总装药量约为420 kg, 结合矿石密度2680 kg/m3,理论计算的炸药单耗q为0.40 kg/t。

4、现场中深孔爆破工业试验

4.1 工程设计

中深孔爆破工业试验在该矿山N采场进行，每排均布置垂直上向扇形中深孔，孔底距为2.6～2.8 m, 炮孔装药系数为85%,炮孔直径为76 mm; 以切割槽为界线分为A区和B区，A区炮孔排距为2.0 m, B区炮孔排距为2.2 m, 试验采场中深孔设计如图7所示。

图7 试验采场中深孔设计剖面

4.2 试验效果

在N采场共布置中深孔26排，炮孔总长1795 m, 实际总装药量7465 kg, 崩矿量19 165 t, 本次工业试验实际炸药单耗为0.39 kg/t。

N采场中深孔设计时，将部分炮孔的排距由2.0 m增加到2.2 m, 使得实际炸药单耗略低于理论单耗值。同时，通过后期出矿统计发现，试验采场的大块率与原有爆破参数采场的大块率相近，试验采场并未出现悬顶、拒爆等事故，实际炸药单耗从0.47 kg/t降低到0.39 kg/t, 表明本次中深孔爆破工业试验在保证爆破质量的前提下，最大限度地降低了炸药单耗，达到了爆破参数优化的目的。

5、结论

(1) 基于利文斯顿爆破漏斗理论设计并开展了单孔爆破漏斗试验，通过爆破漏斗特征曲线分析得到药包临界埋深为0.964 m, 最佳埋深为0.470 m, 最佳爆破漏斗半径为0.429 m。

(2) 以单孔爆破漏斗试验结果为基础，设计并开展了多孔同段爆破漏斗试验，计算得到孔间距与最佳爆破漏斗半径的最优比值为1.64,并以此确定了中深孔爆破工业试验的孔底距为2.68 m。

(3) 根据矿岩坚固性系数，确定了最小抵抗线为1.90～2.28 m, 中深孔爆破排距为2.0 m。结合现场每排炮孔总装药量和爆破矿石体积，理论计算炸药单耗为0.40 kg/t。

(4) 以优化后的孔底距和排距为基础，将中深孔爆破工业试验的部分炮孔的排距由2.0 m增加到2.2 m, 大块率并未提高，实际炸药单耗从0.47 kg/t降低到0.39 kg/t, 本次工业试验爆破效果良好，达到了爆破参数优化的目的。

参考文献:

[1]徐正碧.查岗诺尔铁矿无底柱高分段崩落法爆破参数优化研究[D].武汉:武汉工程大学,2018.

[2]周科礼,熊国雄.铜绿山矿中深孔爆破参数优化试验研究[J].黄金,2023,44(7):96-100.

[3]张金钟,李小松,赵承佑,等.谦比希铜矿上向中深孔爆破参数优化及应用[J].中国有色金属,2023,(增刊1):251-254.

[5]张康康,付玉华,罗道清,等.某铁矿单孔爆破漏斗实验及其应用[J].化工矿物与加工,2019,48(10):9-12.

[6]付宏宁,刘海洋,侯志永,等.基于爆破漏斗试验的深孔爆破参数选择[J].铀矿冶,2023,42(4):8-12.

[7]宋晨良,李祥龙,赵文,等.羊拉铜矿爆破漏斗实验[J].工程爆破,2017,23(2):77-81.