分段間隔裝藥技術在司家營研山鐵礦的應用

田益琳 田靖

(河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司,河北唐山 063701)

分段間隔裝藥技術在司家營研山鐵礦的應用

田益琳 田靖

(河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司,河北唐山 063701)

司家營研山鐵礦做為國內罕有的大型露天礦山,采剝總量較高,爆破量較大,爆破成本占到礦石開采成本的30%以上,影響企業經濟效益;本文主要論述司家營研山鐵礦通過使用空氣間隔裝藥技術,達到了改善爆破效果,降低爆破成本的效果。

空氣間隔 裝藥 成本 效益

1 引言

穿孔爆破作業是露天開采的第一道工序,對后續的各個環節,如鏟裝、運輸、破碎都有重大影響,在礦山生產過程中占有極其重要的地位。由于穿孔爆破成本占礦石開采成本的30%以上,所以改善爆破效果,降低爆破成本提高經濟效益是目前采礦生產的重要目標之一。

2 礦山開采概況

司家營研山鐵礦位于河北省灤縣城南3km,地理坐標為東經118°45′40″,北緯39°38′20″～39°39′42″。北距京山鐵路灤縣車站8km,西距遷(遷安)曹(曹妃甸)鐵路菱角山站4km;距唐鋼55km。平-青-大公路從礦區西側通過。灤河經礦區東側向南流入渤海。

司家營研山鐵礦建設規模為采選1500萬噸礦石/年,達產后年采剝總量可達8000萬噸/年,礦山現有穿孔設備均為KY-310A牙輪鉆機,鉆孔直徑d=310mm,一般巖石爆破孔網參數為：孔距a=8-9m,b=8m,臺階高度為12-15m,鉆孔超深2m,為了盡可能的降低爆破大塊率,填塞高度為8—8.5m,使用混裝炸藥車裝藥。單孔裝藥量平均為550kg,炸藥單耗一般為0.21kg/t,炸藥單耗偏高造成爆破成本嚴重超支,嚴重影響司家營研山鐵礦的經濟效益。

3 爆破作用形成機理

根據介質的破壞特征,單個球形藥包破壞的內部作用可在爆源周圍形成壓碎圈、裂隙圈和震動圈。

3.1 壓碎圈

藥包爆炸時,直接與藥包接觸的巖石瞬間可受到超高壓(一般可達幾十萬MPa)沖擊波的作用,介質結構遭到嚴重破壞,對于大多數脆性巖石,則被壓碎,形成壓碎圈。

3.2 裂隙圈

在沖擊波作用的同時,壓力下降了的爆轟氣體也作用在藥包四周的巖石上,形成一個準靜應力場。在沖擊波造成徑向裂隙的時候,爆轟氣體開始膨脹并擠入這些裂隙中,導致徑向裂隙延伸。這樣,隨著徑向裂隙、環向裂隙和剪切裂隙的形成、擴展、貫通,縱橫交錯、內密外疏、內寬外細的裂隙網,將被爆介質分割成大小不等的碎塊,從而形成裂隙圈。

3.3 震動圈

炸藥爆炸產生的能量在壓碎圈和裂隙圈內消耗了很多。在裂隙以外的介質中不再對介質產生破壞作用,而只能使質點發生彈性振動,直到彈性振動波的能量完全被介質吸收為止。該作用圈的范圍比前兩個大得多,稱為震動圈。在爆破工程中,為了提高爆破能量的利用率,減小爆破危害,應盡可能控制或減少壓碎圈和震動圈的形成,加強裂隙圈的破壞。

4 空氣間隔裝藥爆破技術簡述

根據巖石爆破破壞的應力波反射拉伸破壞假說可知,巖石的破壞形式是拉應力大于巖石的抗拉強度而產生的,巖石是被拉斷的。巖石破碎機理研究表明,巖石的極限破碎強度是隨著爆轟壓力的加載速度的增加而增加即加載的速度越快,巖石的破碎越難,因為爆破的初始脈沖壓力越大,消耗在壓碎區的能量就越大,而作用在破碎區的能量就越小,如果適當地減少爆破的初始脈沖壓力,則可減小消耗在壓碎區的能量;另一方面,根據沖量原理,當爆破脈沖壓力一定時,作用時間越長,爆破脈沖沖量越大,對巖石破碎越有利。

空氣間隔裝藥結構,就是在孔中進行分段間隔裝藥,各段之間形成空氣間隔,由于空氣可以改善爆破能量傳遞過程的匹配關系降低爆轟產物對孔壁的初始壓力,調節爆破的脈沖系數,即降低爆破的脈沖初始峰值延長爆破脈沖持續時間,提高能量的利用率;另一方面,當裝藥爆炸后,首先在空氣柱內激起相向傳播的空氣沖擊波,并在空氣柱中心發生碰撞,使壓力增高,同時產生反射沖擊波于相反方向傳播,其后又發生反射和碰撞,炮孔內空氣沖擊波往返傳播,發生多次碰撞,增加了沖擊壓力及其激起的應力波作用時間,從而,提高了應力波在爆破中的破碎作用,提高了炸藥能量的有效利用率,降低了炸藥消耗量。

圖1 連續柱狀裝藥結構圖

圖2 分段間隔裝藥結構圖

圖3 底部裝藥結構

5 分段間隔裝藥在司家營研山鐵礦的應用

5.1 概況

司家營研山鐵礦自從2012年底采用分段間隔裝藥進行爆破施工作業,使用空氣間隔器進行中間間隔不耦合裝藥,通過空氣間隔,單孔裝藥量雖然減少了,但是藥柱高度沒有變化甚至藥柱高度增加(裝藥結構對比圖如圖1、圖2和圖3所示)。

5.2 間隔器作用

在露天礦開采深孔爆破中使用氣體間隔器,可降低孔內爆炸壓力,減少甚至避免因耦合裝藥而形成的礦巖沖擊粉碎,擴大破裂范圍,提高炸藥爆破能量的有效利用率,降低炸藥單耗。為礦山開采爆破節約炸藥,降低采礦成本。此外,由于裝藥位置的提高,使孔內爆破壓力沿炮孔軸向的分布更加均勻,能有效地克服根底和降低爆破大塊率,為鏟裝、運輸等后續工序的高效生產創造有利條件。

5.3 爆破效果分析

(1)通過圖二使用空氣間隔器進行中間間隔裝藥與圖一連續柱狀裝藥進行對比,裝藥量雖然做了適當的降低,但是藥柱高度得到了提高,炸藥能量在藥柱中得到了均衡的分布,孔口附近的大塊率得到了明顯的降低,減少了二次爆破作業量,降低了二次爆破成本消耗量,便于鏟裝作業。

(2)通過使用圖三的底部間隔裝藥與圖一連續柱狀裝藥結構進行對比,底部使用空氣間隔器,增加爆破沖擊波在炮孔底部的作用次數,炮孔底部應力場得到增強的同時,也延長了炸藥爆炸沖擊波在炮孔底部的作用時間,能有效的克服根底的產生,方便鏟裝設備作業,提高鏟裝效率,延長設備使用壽命。

5.4 經濟效益分析

司家營研山鐵礦自從2013年底大規模使用空氣間隔裝藥技術,針對不同的礦巖性質,采取不同的間隔方式,大塊率較高的地方就采用中間間隔裝藥方式,易產生根底的位置采用底部間隔裝藥方式。通過采取以上措施,采場內根底大塊率得到明顯的降低,二次爆破成本也有所降低,鏟裝效率明顯提高。

根據采場內礦巖堅硬系數的不同采取不同的中間間隔高度,對于中硬以上礦巖,即普氏硬度系數f在12以上的一般中間間隔高度為1-1.5m;對于較軟的風化巖和表層氧化礦,即普氏硬度系數f在12以下的一般中間間隔高度為1.5-2.5m,間隔高度一般不應超過藥柱高度的30%。對于底部間隔裝藥,一般間隔高度即為空氣間隔器的長度0.7m。

通過間隔裝藥,平均每個炮孔至少可以降低1m藥柱的裝藥量,平均每孔可節約炸藥量40kg,爆破炸藥單耗降低為0.20kg/t。

司家營研山鐵礦2013年計劃的采剝總量為5310萬噸,其中爆破的礦巖總量為4500萬噸,爆破炸藥單耗由0.21kg/t降低到0.20kg/t,節約炸藥總量約450噸,節約成本約為180萬元。綜上所述,采用分段間隔裝藥,既可以改善爆破質量,提高鏟裝效率;又可以降低爆破炸藥單耗,降低炸藥成本,從而為司家營研山鐵礦發展做出重大貢獻。

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[4]謝治宇.采用分段間隔裝藥技術提高爆破質量 降低采礦成本[J].礦業工程,2003年02期.

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田益琳(1985-),男,河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司,助理工程師。