首页 > 论文范文 > 医药卫生论文 > 增布卫星孔降低大块率的露天深孔爆破方案研究

增布卫星孔降低大块率的露天深孔爆破方案研究

2023-12-20 255 上传者：管理员

摘要：为解决新疆金宝矿业露天深孔台阶爆破大块率高的问题，通过分析大块产生的部位及原因，提出在原爆破方案孔网参数不变的条件下，增布卫星孔的爆破优化方案，卫星孔直径为115 mm,孔深为4.5 m,孔网参数由4.5 m×3.5 m改为4.5 m×1.75 m。通过增布卫星孔，增加台阶顶部炮孔堵塞段装药量，使得更多的爆炸能量作用在台阶顶部区域。因卫星孔的存在，斜线起爆过程中排距减小，台阶顶部岩石爆破的抵抗线降低50%。结果表明，增布卫星孔的爆破优化方案的爆堆大块率平均值为13.8%,大块产出降低约40%,爆破质量明显改善。尽管炸药单耗有所增加，但考虑二次破碎、铲装运输等的综合成本，优化后的方案较原方案仍然更为经济。

关键词：
单位炸药消耗量
卫星孔
大块率
爆破孔网参数
露天深孔台阶爆破
加入收藏

露天台阶爆破是在地面上以台阶形式开挖的石方爆破作业，依据孔径和孔深的不同可分为深孔台阶爆破和浅孔台阶爆破[1,2]。近年来，随着矿山工程机械的大型化、爆破器材的精细化、方案设计的智能化，露天深孔台阶爆破取得了十分瞩目的成就，因其生产效率高、经济效益好，已经成为大型露天矿山、水利水电工程等岩石采剥的必然手段，为我国社会经济发展创造了巨大的效益。随着对资源开发和环境保护的日益重视，露天矿山深孔台阶爆破技术必将朝着绿色化、智能化方向发展[3,4]。深孔台阶爆破有着永恒的追求，即安全控制，降低大块率和节省爆破成本三方面[5]。大块率作为衡量深孔台阶爆破质量的主要指标，关系爆破效果的优劣，大块产出过多会因二次破碎、铲装和碎石工序损耗而大幅增加采剥成本，需要在生产爆破过程中重点关注。

由于矿山工程地质条件和矿岩物理力学性质变化等原因，在露天深孔台阶爆破中大块率偏高往往是最为普遍的问题。深孔爆破参数直接影响爆破大块率、根底及爆破成本[6]。关于优化深孔台阶爆破参数，提高爆破效果、降低大块产出的研究有大量的报道。何茂林等[7]提出基于麻雀搜索算法(SSA),优化BP神经网络的爆破参数优选试验研究方法，相比经验公式所得参数，炸药单耗降低27.2%,大块率控制在5%以内。翟清翠[8]针对露天煤矿深孔台阶爆破大块率高的问题，通过爆破参数与装药结构优化并辅以精细化施工来解决大块问题。汪高龙等[9]通过现场试验探索爆破参数优化，解决了复杂环境下石料开采大块率高的难题。针对高海拔露天矿山深孔台阶爆破问题，保天才等[10]给出大孔径高台阶爆破方案。甘怀军[11]针对将军戈壁露天煤矿台阶爆破大块率高的难题，提出通过调整孔网参数和钻孔角度、增加辅助孔、采用数码电子雷管逐孔起爆以及提高设计和现场施工质量等措施来降低大块产出。姬超[12]基于结构面较为发育的现场实际情况，通过优化爆破参数及起爆网路、更换炸药、减小孔口堵塞长度、深浅孔结合等措施来控制爆破大块率，优化后大块率降低了50%。戴林等[13]基于黑山露天煤矿真实力学参数，采用LS-DYNA模拟不同孔距、坡顶距对爆破效果的影响，研究表明，在孔距为6 m、坡顶距为3.5 m时效果最佳，基本未见大块，提高采矿施工效率3%以上。叶海旺等[14]引入岩石动载强度和质点峰值振速判据，通过不同孔间延时台阶爆破数值模拟，得出降低爆破粉矿率与大块率的最优孔间延时约为20 ms。洪叶荣等[15]采用压渣爆破控制爆破大块率，优选出7 m压渣厚度时大块产出最少，且炸药单耗基本保持不变的结论。

当前研究大多通过理论分析、数值模拟、半经验法、少数次现场工程试验等方法或手段进行露天深孔台阶爆破参数优化研究，但结果往往难以在其他矿山通用。针对大块率高的难题，普遍采用优化孔网参数、改变装药结构和调整微差时间等方法，但由于目标岩体迥异，需要不断地进行现场试验来优化改进，废时费力且效果难以保证。黄梦龙等[16]基于JKSimBlast爆破分析软件模拟证明，炮孔上部堵塞长度过长会导致大块率高、台阶顶部岩石破碎均匀度差且大块趋于出现在爆堆前端等问题。本文针对露天深孔台阶爆破大块率较高的问题，提出增布卫星孔的爆破优化方案，可明显降低岩石大块的产出，在一定程度上提高露天深孔台阶爆破的生产效率和降低生产成本。

1、金宝铁矿深孔台阶爆破现状

蒙库铁矿床位于阿勒泰市南东75 km, 富蕴县城北西约70 km处。新疆金宝矿业拥有蒙库铁矿床中矿段171～214线间10～22号铁矿体的采矿权，矿山采用露天开采，矿石开采规模为400万t/a。矿体围岩主要为角闪斜长片麻岩、含磁条角闪斜长片麻岩、磁铁石榴钙铁辉石岩、磁铁变粒岩、铁锰质大理岩；围岩蚀变甚弱，仅在部分地段围岩中出现钙铁榴石、钙铁辉石、透闪石、透辉石等矽卡岩化蚀变，并可见浸染状、条带状磁铁矿和团块状角闪石及黑云母。

矿石密度3.96 g/cm3,矿岩单轴抗压强度均大于120 MPa(黑云母片岩除外),完整性好，致密，难爆。采用露天深孔台阶爆破进行矿岩采剥，台阶高度12.0 m, 坡面角68°;倾斜钻孔，孔径138 mm, 角度68°～75°。铁矿石爆破采用梅花形布孔，孔排距4.5 m×3.5 m; 混装乳化炸药连续装药，辅以成品乳化炸药，炸药单耗约为1.1 kg/cm3,采用数码电子雷管逐孔起爆。经现场调查，爆后存在大块率高、部分台阶留有根底等问题，给铲装运输作业造成极大不便。

基于现场采集的爆堆图像，采用WipFrag软件对岩块进行统计分析，爆破的矿石块度分布见表1。一般情况下，露天矿山生产爆破大块率在3%～10%,而该矿山矿石爆破大块率高达23.11%(以单边尺寸≥700 mm计),为一般矿山的2.3～7.7倍，严重影响铲装运输效率，且二次破碎增加采剥成本，爆破质量难以满足后续生产要求，亟需优化爆破方案，减少大块产出。

表1 深孔台阶爆破矿石大块产出统计

2、大块产生原因分析

金宝铁矿露天深孔台阶爆破的大块主要出现在孔口堵塞段、台阶面和地质构造复杂带区域。产生大块的原因主要有如下三点[5]。

(1) 深孔台阶爆破装药长度与孔径比约为70∶1,远超过6∶1,属于典型的条形装药，其端部轴线方向的爆炸应力波衰减最为迅速。即使考虑爆炸应力波经台阶顶部自由面反射产生拉伸作用，作用在炮孔上部堵塞段的爆炸能也仅为炮孔中部区域作用能量的1/2左右，故而顶部堵塞段不可避免地产生大块。

(2) 受前次爆破影响，前排临空面凹凸不平，则第一排炮孔最小抵抗线大小不均，如图1所示，W3>W1>W>W2,导致爆炸能沿较小抵抗线处迅速消散，有用做功减少，大块产出多；且经临空面产生的发射拉伸也容易产出大块[5]。

(3) 矿区局部发育软弱岩组、断层、软弱夹层等结构弱面和大节理裂隙，导致爆炸应力波衰减迅速且爆生气体沿节理裂隙快速逸散，爆生裂隙不甚发育，岩石多呈自然块度垮落，产出较多大块。

图1 临空面特点与第1排孔炮孔抵抗线变化情况

3、增布卫星孔优化方案

为保证孔口堵塞段能够有较多能量分布，保障台阶顶部岩体破碎更加充分，通过在主爆孔间增布卫星孔来增加台阶顶部装药量，提高矿岩爆破质量，降低孔口大块产出。

在直径为138 mm的主爆孔之间增加直径为115 mm、深为4.5 m的卫星孔，卫星孔与大孔同时起爆，通过卫星孔装药以充分爆破台阶顶部岩体，降低炮孔堵塞段岩石大块率。

主爆孔(Φ138 mm)的孔网参数为4.5 m×3.5 m。卫星孔(Φ115 mm)的孔网参数与主爆孔一样，亦为4.5 m×3.5 m。主爆孔采用矩形布置，卫星孔布置在主爆孔之间，如图2所示。主爆孔与卫星孔同时起爆，整个爆区的孔排距变为4.5 m×1.75 m。

根据参考文献[17],通过计算确定孔间微差时间为13 ms, 排间微差时间为17～19 ms, 增布卫星孔的爆破优化方案的爆破参数与微差间隔时间见表2。

图2 爆破优化方案的炮孔布置

表2 爆破优化方案的爆破参数

4、爆破效果分析

为检验增布卫星孔爆破优化方案的实际爆破效果，于2021年9月13日至9月20日开展了4次爆破试验，试验地点均在露天采场936 m平台北部。

表3 增布卫星孔的深孔台阶爆破优化方案现场试验

经现场观察与矿岩铲装统计，4次现场试验的爆破效果较原方案均有所提升，爆堆分散，岩块抛掷距离较远，矿岩松性较好，铲装后未见有明显根底，爆破质量相对较好，铲装运输效率有较为明显的提升。现场试验的爆堆实际情况如图3所示。

由图3可知，爆破大块在爆堆表面仍可见产出。采用WipFrag软件对采集的爆堆图像进行爆堆矿岩块度统计，得到4次现场试验的爆破块度定量结果，矿石爆破大块率统计情况见表4。

由表4可知，4次现场试验的爆破大块率平均值为13.84%(单边尺寸超过700 mm视为大块，下同),相比原爆破方案的23.11%,大块率降低了9.27个百分点，降幅达到40%,大块产出明显减少。第3次爆破试验的大块率最低，约为12.61%,相比原爆破方案，大块率降低了10.5个百分点，降幅达到45%,大块产出减少近一半，改善效果明显。

表4 优化方案的4次现场试验爆破块度统计

图3 试验爆破的现场矿石爆堆情况

第1次爆破试验的大块率在4次现场试验中最高，为15.27%。究其原因，主要为：未按设计的起爆网路组网，导致孔间和排间微差间隔错乱，影响爆破质量；施工单位担心爆破飞石，卫星孔装药量偏少，堵塞长度超出0.5 m; 爆破排数较多，有17排，自由面较少。

第2次爆破试验的大块率为13.94%,比参数相同的第1次爆破试验有所降低，原因是本次试验爆区有3个自由面，而第1次爆破试验只有两个自由面，且本次爆破炸药单耗比第一次爆破试验更大。相比第3次、第4次爆破试验，大块率高的主要原因还是施工单位担心堵塞长度偏小会造成爆破飞石，导致卫星孔装药量小于设计值。

第3次爆破试验的大块率为12.61%,爆破效果最好。这一次爆破试验中，施工单位严格按照设计施工，卫星孔堵塞长度控制为2.0 m, 且按设计药量装药，爆破后未见明显的飞石。

第4次爆破试验的大块率为13.55%,比第3次爆破试验的大块率稍高。考虑到岩体材料的不均一及工程地质条件的变化，难免有所差别。

由于增布卫星孔，爆破优化方案炸药单耗相比原爆破方案有所增加，炸药单耗增加量约为0.1 kg/m3,但综合考虑因矿岩大块率过高而产生的二次爆破、铲装运输、机械磨损等成本，增布卫星孔的爆破优化方案仍更为经济。

5、结论

针对露天深孔台阶爆破大块产出偏高的难题，通过现场调研与原因分析，提出增布卫星孔的爆破方案，增加了台阶顶部炮孔堵塞段装药量，使得更多的爆炸能量作用在台阶顶部区域，岩石在爆炸应力波和爆生气体的作用下得到较为充分的破碎，结果表明：

(1) 在主爆孔孔网参数为4.5m×3.5 m不变的条件下，采用增布卫星孔的爆破方案，孔网参数变为4.5 m×1.75 m, 台阶顶部岩石爆破抵抗线降低50%,岩石破碎更为充分，大块产出量明显减少，块度尺寸小，爆堆大块率在13%左右，大块产出降幅约为40%,爆破质量明显改善；

(2) 因增布卫星孔，深孔台阶爆破炸药单耗较原方案增加约0.1kg/m3,尽管炸药单耗有所增加，但综合考虑二次破碎、铲装运输、机械磨损等成本，优化后的方案仍然具有经济优势。

参考文献: