拋擲爆破在剝離工程中的應用與優化

何慧明 王洪軍 郭 瑞

(北京科技大學土木與環境工程學院)

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拋擲爆破在剝離工程中的應用與優化

何慧明 王洪軍 郭 瑞

(北京科技大學土木與環境工程學院)

為減小剝離成本，依據工程實際條件進行拋擲爆破設計，確定了合理的臺階參數、孔網參數，并對爆破網絡進行了優化，在僅使用普通導爆管雷管的基礎上實現了逐孔起爆，取得了明顯的經濟與安全效益，可為類似工程提供參考。

拋擲爆破 爆破網絡 臺階參數 孔網參數

在現代礦產開采和各類巖石剝離工程中，采掘、鏟裝和運輸3個環節緊密相連，在整個工程體系中有著重要的地位，決定了整個體系的運行成本。為減小剝離成本，自上世紀60年代起，拋擲爆破技術越來越多地應用于露天巖土剝離工程[1-2]。拋擲爆破通過適當增加鉆爆費用，能將30%～65%爆破方量直接拋入采空區，從而較大幅度地降低鏟裝和運輸費用，使綜合剝離成本降低30%以上，還能加快剝離工程速度，具有明顯的高效性和經濟效益。本文詳盡分析了拋擲爆破的各種影響因素，以優化拋擲爆破效果[3-6]。

1 工程概況

在首云礦業公司巖柱露天剝離工程中，巖柱北端為已閉坑的原露天采坑，坑底標高-18 m，坑內有皮帶與地面破碎站相連。為了降低爆破巖體的鏟裝和汽車運輸成本，在臨近露天坑的南邊坡(標高150 m)適當寬度范圍內，采用拋擲爆破技術，適度提高炮孔裝藥量，以露天礦坑為自由面，將部分巖石爆破直接拋向露天坑，其余巖石經反鏟倒裝甩入露天坑，經坑內皮帶運至地面破碎站。拋擲爆破如圖1所示。

圖1 臺階拋擲爆破示意

首云鐵礦地下采場目前處于生產階段，距離爆破區域距離約260 m，需嚴格控制爆破振動，避免對地下井巷造成影響。綜合各因素，該礦單次爆破用藥量限制在10 t以下，以單孔單響為宜。

2 爆破參數設計

爆破設計應充分體現工程的目的和要求，考慮機械設備配備情況、技術力量和類似工程經驗，結合該爆破工程的特點和周邊環境情況，滿足工程質量、成本、進度、安全的要求。

2.1 臺階參數

根據McDonald等[7]在Rietspruit露天礦進行的多組試驗研究，得出拋擲率P與H/B呈線性關系，即

(1)

臺階寬度一定時，提高臺階高度或者臺階高度確定時，減小臺階寬度，可提高拋擲率。臺階高度受現場條件與礦山鉆孔設備與鏟運機械等條件的限制，因此一般應首先確定臺階高度。臺階高度確定后，采用小的臺階寬度即窄采場可有效提高拋擲率，但采用寬采場具有鏟運效率高、炸藥單耗小、二次處理量小等優點。所以拋擲爆破經濟效益的綜合評價不僅僅是追求更高的拋擲率，應在兼顧提高拋擲率和寬采場優點的基礎上確定合理的H/B值。礦山常用的H/B值為0.7～1.0。

另外，臺階高度H及采掘帶寬度B的確定還應綜合考慮礦山生產設備條件、采場地形條件以及其他限制條件。該工程限制單次爆破用藥量不超過10 t，由

qV<10 000 ，

(2)

(3)

式中，q為炸藥單耗，取0.7 kg/m3；V為單次爆破臺階體積，m3；L為臺階長度，m。

綜合式(2)、式(3)及合適的H/B值，確定臺階高度H=15 m，臺階寬度B=15～20 m，臺階長度L=48～64 m。

2.2 炮孔角度

拋擲爆破中宜采用傾斜炮孔，傾斜炮孔相比垂直炮孔，臺階下半部分抵抗線更小，且臺階大部分巖石能以仰角拋射，可增強爆破的破碎效果，提高拋擲率，如圖2所示。

圖2 垂直與傾斜炮孔爆破拋擲示意圖

此外，傾斜炮孔還具有以下優點：①有利于爆炸能量在巖石中傳播，提高能量利用率；②爆破后的臺階邊坡相對更穩定,提高了生產安全性；③單個炮孔長度增加，可裝更多炸藥，因而在相同炸藥單耗下，可適當增加孔距、排距以減小鉆孔成本。

傾斜炮孔多為70°～80°，若角度再減小將加大鉆孔難度，降低鉆孔效率，且不利于裝藥，容易造成炮孔堵塞。根據露天坑邊坡條件，確定炮孔角度α=70°，與邊坡角平行。

2.3 孔 徑

大孔徑炮孔在提高生產能力、減少鉆爆成本方面顯示出其優越性。但在炸藥單耗一定時，采用大孔徑勢必增加孔距、排距，而使拋擲難度加大，所以拋擲爆破中孔徑一般小于270 mm。考慮到該工程一次爆破量較小及首云礦山現有的鉆孔設備條件，孔徑確定為150 mm。

2.4 炸藥單耗

合理的炸藥單耗q應根據巖石硬度和爆破塊度的要求，參照B.H.庫圖涅佐夫巖石爆破性分級表和巖石爆破破碎性分級表選取，在某些情況下，用工程類比法來確定也是可行的。在臺階拋擲爆破中，炸藥不僅要對巖石進行破碎，還要盡可能將其拋擲出去，因此需要的炸藥單耗要高于一般爆破。

巖柱拋擲爆破區域巖石主要由斜長片麻巖、堿長片麻巖組成，并與普遍花崗混合巖化，致密完整。在以往常規臺階爆破時，炸藥單耗為0.45～0.50 kg/m3，拋擲爆破應適當增加單耗，取0.70 kg/m3左右是較為合理的。

2.5 填塞長度

為了減少炮孔堵塞段的大塊率，同時保證爆破時不沖孔，提高炸藥爆炸的能量利用率，炮孔的堵塞長度為

(4)

式中，Ls為填塞長度，m；D為炮孔直徑，取0.15 m。

計算得Ls=4.5 m。

2.6 最小抵抗線

最小抵抗線W的大小對破碎度與拋射速度產生影響，不宜過大。

(5)

式中，W為最小抵抗線，m；qL為線裝藥密度，kg/m，經現場實測統計，qL=13.5 kg/m。

計算得W=3.99 m，排距b應小于3.99 m。

2.7 密集系數

在總藥量一定的情況下，合理的排距、孔距可以改善拋擲爆破效果。近年來在臺階爆破廣泛采用小抵抗線、大孔距的炮孔布置方式，密集系數常在2.0以上，能有效改善巖石破碎度，減小根底率，一定程度上也能增強拋擲效果。在高臺階(H>30)拋擲爆破中，當1.451.6時，拋擲率開始下降[5]。結合工程實際條件，擬取m=1.5～2.0，炮孔超深為1 m。

Q=qabH ,

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，Q為單個炮孔裝藥量，kg；a為孔距，m；b為排距，m；L為炮孔長度，m；m為密集系數。

由式(6)～式(9)計算，初步確定a=6.0 m，b=3.5 m。

2.8 微差時間

利用逐孔起爆技術讓同排炮孔間以及排間均實現微差爆破，可使爆破振動顯著減小，降低大塊率，還能取得較好的拋擲效果。合理的延期時間應與炮孔的孔距、排距有關，且一般排間延期時間較同排孔間延期時間要大。但延期時間也不宜過長，否則先爆炮孔的爆炸會對后排炮孔產生破壞，使其發生不連續爆轟等有害效應。綜合國內外經驗,孔間延時間隔tk=9～25 ms、排間延時間隔tp=75～200 ms為宜。

3 爆破網絡連接

高強度、高精度導爆管雷管因其誤差小、可靠性高等優點而在逐孔起爆網絡中的應用日益廣泛。考慮到成本控制與礦山現有爆破器材，擬用普通導爆管雷管通過合理設計實現逐孔起爆的效果。

根據臺階參數與孔網參數，臺階布置5排炮孔，每排布置約10個炮孔，三角形布孔。采用孔內高段位導爆管雷管下孔，孔外低段位導爆管雷管捆綁復式傳爆網絡。第一排到第五排孔內依次使用MS11，MS12，MS13，MS14，MS15段雷管，地表連接雷管使用MS2段雷管，利用網絡“排間段差、孔間接力”的延時差組合，使相鄰的炮孔均有一定的起爆時間間隔，達到實際逐孔起爆的效果。考慮到孔內起爆雷管導爆管在地表的剩余長度，將5排炮孔分為2組。網絡連接示意見圖3。

圖3 網絡連接示意

第一個雷管起爆時，孔外連接雷管已經全部傳爆結束，無需考慮爆破引起的巖石錯動對網絡的破壞。為進一步提高網絡可靠性，應注意以下兩點：①孔內使用雙雷管，孔外采用雙網絡雙雷管連接;②連接雷管用碎石覆蓋，以免雷管碎片打斷導爆管。

4 結論與建議

(1)結論。①爆破振動小，對井下正常生產沒有造成影響，邊坡穩定安全;②爆破拋擲率為30%～40%，綜合剝離成本較傳統爆破方式可降低25%～30%;③采用逐孔起爆可降低根底率、大塊率，從而減少了二次破碎量，有明顯經濟效益;④在一定的單次爆破量內，通過合理網絡設計，使用普通導爆管雷管，可達到與高強度、高精度導爆管雷管相當的起爆效果與可靠性。

(2)建議。①拋擲爆破中的第一排孔的拋擲效果對后排的拋擲有重要影響，可合理增加其裝藥量或減小其抵抗線;②最后一排和側面一列孔可適當減小裝藥量或采用空氣間隔器分段裝藥，以減小后沖和側沖。

[1] 潘井瀾.拋擲爆破在露天臺階式采礦中應用的探討[J].化工礦山技術，1992(6)：1-4.

[2] 張幼蒂，傅洪賢，王啟瑞，等.拋擲爆破與剝離臺階開采參數分析——露天礦倒堆剝離開采方法系列論文之四[J].中國礦業大學學報，2003(1)：30-33.

[3] 李克民，張幼蒂，傅洪賢.露天煤礦拋擲爆破參數分析[J].采礦與安全工程學報，2006(4)：423-426.

[4] 郭昭華.露天煤礦拋擲爆破技術研究與應用[J].煤炭工程，2008(1)：31-35.

[5] 李祥龍.孔距、排距對高臺階拋擲爆破拋擲率的影響[J].北京理工大學學報，2011(11)：1265-1269.

[6] 馬 力，李克民，丁小華，等.拋擲爆破巖體拋擲距離影響因素研究[J].工程爆破，2013(s1)：50-53.

[7] Grippo A P.How to get more cast per blast[J].Coal Age，1984，89(12)：63-69.

2016-06-20)

何慧明(1992—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區學院路30號。