黑溝礦區(qū)露天開采礦巖可爆性分級(jí)研究

王文軍 李潤(rùn)然 紀(jì)旭波，3 徐 帥

（1.甘肅酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.山東恒邦冶煉股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264109）

巖體可爆性是指巖體抵抗爆破破壞的性能，反映了爆破破碎巖體的難易程度。巖體可爆性分級(jí)是客觀評(píng)價(jià)爆破效果、制訂管理制度、確定勞動(dòng)定額和控制材料消耗的先決條件。了解和掌握巖體的可爆性、開展巖體可爆性分級(jí)對(duì)爆破方案設(shè)計(jì)、炸藥類別選型、炸藥單耗估算、孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化、裝藥結(jié)構(gòu)和微差時(shí)間確定具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度出發(fā)，采用不同方法對(duì)巖體可爆性分級(jí)進(jìn)行了大量研究，提出了各種巖體可爆性分級(jí)的指標(biāo)與方法。如美國(guó)C.W.Livingston、F.C.Bond分別以應(yīng)變能因數(shù)和破碎功指數(shù)等單一指標(biāo)描述巖石可爆性［1］，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)手段的匱乏，導(dǎo)致這樣的單一指標(biāo)分級(jí)結(jié)果極易出現(xiàn)偏差。部分學(xué)者應(yīng)用多指標(biāo)綜合分析理論，提出了多種不同巖石可爆性分級(jí)方法：如巖石可爆性的模糊分級(jí)法［2-3］、灰色系統(tǒng)決策法［4-5］、加權(quán)聚類分析方法［6-7］、多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［8］、計(jì)算機(jī)智能專家系統(tǒng)［9］和屬性識(shí)別模型［10］等，這些方法大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不便，難以推廣。東北大學(xué)紐強(qiáng)等［11］以能量平衡為準(zhǔn)則，根據(jù)巖石可爆性基本觀點(diǎn)和一些合理判據(jù)，基于我國(guó)各大礦山，針對(duì)不同種巖性進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并取得了大量數(shù)據(jù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與理論，將巖石可爆性與其影響因素之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了合理表征，并使用定量指標(biāo)，編制出了一整套巖石可爆性分級(jí)表，成為應(yīng)用最為廣泛的巖體分級(jí)方法。

鏡鐵山礦業(yè)有限公司黑溝礦區(qū)長(zhǎng)年基于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)開展爆破設(shè)計(jì)，隨著開采進(jìn)行不斷揭露新的工作臺(tái)階，不同區(qū)域礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)、賦存條件和完整性均有所不同，固定爆破參數(shù)用于不同的礦巖區(qū)域，導(dǎo)致爆破效果不甚理想。本項(xiàng)目通過(guò)研究礦巖可爆性分級(jí)的基本方法，確定了黑溝礦區(qū)礦巖可爆性分級(jí)的流程步驟，通過(guò)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，獲得用于礦巖分級(jí)的指標(biāo)，基于礦巖可爆破性指數(shù)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行典型礦巖可爆破性分級(jí)。分級(jí)結(jié)果對(duì)黑溝礦區(qū)礦巖可爆破性評(píng)價(jià)與參數(shù)優(yōu)化提供了有力的科學(xué)支撐。

1 巖體可爆性評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)巖體可爆性的指標(biāo)歸納起來(lái)有3個(gè)方面：巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巖體地質(zhì)構(gòu)造特征和爆破效果。巖石強(qiáng)度能夠描述巖石力學(xué)性質(zhì)；巖體波阻抗可以反映巖石物理性質(zhì)和巖體地質(zhì)構(gòu)造特征；爆破漏斗體積和塊度分布則是爆破效果的合理表征。

（1）巖石強(qiáng)度。巖石強(qiáng)度包括巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石抗拉強(qiáng)度和巖石抗剪強(qiáng)度，是表征巖石力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。這3個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)分別對(duì)應(yīng)炸藥爆破破碎巖石的3種形式：炸藥爆轟產(chǎn)生壓力使附近巖石受擠壓破碎；爆轟應(yīng)力波傳播到裂隙表面反射形成拉伸波，使巖石受拉破壞；由于炸藥能量分布不均，巖石會(huì)產(chǎn)生剪切破壞情況。

（2）巖體波阻抗。巖體波阻抗是指在巖體中引起擾動(dòng)、并使質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生單位振動(dòng)速度所必須的應(yīng)力。波阻抗的大小由巖體中巖石密度與其彈性縱波波速的乘積進(jìn)行計(jì)算。波阻抗是巖石物理性質(zhì)與巖體地質(zhì)構(gòu)造特征的綜合表征。波阻抗越大，產(chǎn)生單位振動(dòng)速度所需應(yīng)力就大，需要的炸藥能量越高；反之，波阻抗小，產(chǎn)生單位振動(dòng)速度所需的應(yīng)力就小，需要的炸藥能量越低。

（3）塊度分布。礦石塊度是指采用爆破等手段將礦石從巖體剝離出來(lái)的碎塊的幾何尺寸的大小，常用碎塊兩端最大距離表示。礦石塊度過(guò)大說(shuō)明爆破能量過(guò)低，未能很好地破碎巖體，容易導(dǎo)致溜井或漏斗堵塞，需要二次爆破，進(jìn)行進(jìn)一步破碎處理，處理過(guò)程中伴隨著沖擊波、噪聲、飛石和有毒有害氣體等危害。塊度過(guò)小說(shuō)明裝藥量過(guò)多，造成礦石過(guò)粉，損失貧化率升高。

（4）爆破漏斗體積。炸藥爆炸時(shí)除在其周圍巖石產(chǎn)生震動(dòng)、裂隙和破壞外，還將視抵抗線的不同，在巖體自由表面引起巖石的破裂、鼓包和拋擲，進(jìn)而形成一漏斗狀炸坑，稱為爆破漏斗［12］。爆破漏斗大小與巖石性質(zhì)、炸藥類別、裝藥量和起爆方式均有密切關(guān)系，可以說(shuō)爆破漏斗體積是評(píng)價(jià)爆破效果好壞的綜合性指標(biāo)。

2 礦巖可爆性分級(jí)方法

在露天礦中深孔爆破試驗(yàn)中，應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)條件相同。結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際，通過(guò)對(duì)黑溝礦區(qū)生產(chǎn)設(shè)備以及管理制度的調(diào)查，設(shè)置以下標(biāo)準(zhǔn)條件，如表1所示。

在標(biāo)準(zhǔn)條件下以現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)的巖石爆破漏斗體積、爆破塊度分布和巖體波阻抗作為巖石可爆性分級(jí)的判據(jù)，制訂黑溝礦區(qū)巖體可爆性分級(jí)步驟如下。

（1）對(duì)礦區(qū)主要巖性開展室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，包括巖石單軸抗壓試驗(yàn)、巴西劈裂實(shí)驗(yàn)和直剪試驗(yàn)；分別得到每種強(qiáng)度4種巖性的平均值，包括平均單軸抗壓強(qiáng)度和平均抗剪強(qiáng)度。

（2）分別針對(duì)各巖性的單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度設(shè)置修正系數(shù)。首先計(jì)算各巖性的3種巖石強(qiáng)度與其對(duì)應(yīng)平均值的比值，然后取這3個(gè)比值的平均值作為最終的修正系數(shù)；每種巖性修正系數(shù)的計(jì)算式為

（3）對(duì)各巖性賦存巖體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)波速測(cè)試。

（4）在上述標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行單孔爆破實(shí)驗(yàn)。將被爆下的巖體近似看作一柱體，使用無(wú)人機(jī)在同一位置對(duì)爆破前后的坡頂面進(jìn)行拍攝，經(jīng)過(guò)比例尺（由炮孔實(shí)際長(zhǎng)度與照片中炮孔長(zhǎng)度對(duì)比得到）換算得到被爆下巖體的頂表面積，與實(shí)測(cè)的臺(tái)階高度相乘，得到爆破漏斗體積。

（5）利用無(wú)人機(jī)拍攝爆堆圖片，將圖片通過(guò)塊度分析軟件計(jì)算平均大塊率、平均小塊率和塊度平均合格率。

（6）根據(jù)爆破漏斗體積、平均大塊率、平均小塊率、塊度平均合格率和巖體波阻抗計(jì)算爆破作用指數(shù)：

式中，N為巖石可爆性指數(shù)；V為巖石爆破漏斗體積，m3；K1為爆破漏斗大塊率（＞700mm），%；K2為爆破漏斗小塊率（≤100mm），%；K3為爆破漏斗塊度平均合格率（200～700 mm），%；ρ為巖石密度，g/cm3；Cρ為巖體彈性縱波波速，m/s。

（7）將每種巖性的爆破作用指數(shù)N與第（2）步中相應(yīng)系數(shù)相乘，獲得修正N值，查閱表2進(jìn)行可爆性分級(jí)。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 室內(nèi)巖石力學(xué)測(cè)試

對(duì)黑溝礦區(qū)典型礦巖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，包含千枚巖（鐵質(zhì)千枚巖、灰綠色千枚巖）、鏡鐵礦和白云巖，對(duì)上述4種巖性開展室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得其單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。以單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)過(guò)程為例介紹實(shí)驗(yàn)流程，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

首先進(jìn)行巖石基本參數(shù)測(cè)定，以不同巖性巖石標(biāo)準(zhǔn)件為試樣，測(cè)試其高度、直徑及質(zhì)量，計(jì)算其密度，每種巖性試樣不少于3組，取其平均值以減小誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

然后使用瑞士Proceq公司的Pundit PL-200巖石超聲波檢測(cè)儀測(cè)試巖樣的波速，在巖石超聲波探測(cè)儀傳感器上均勻涂抹超聲波耦合劑，分別將2個(gè)傳感器放置在圓形試件兩端的相同位置，運(yùn)行巖石超聲波探測(cè)儀，記錄時(shí)間示數(shù)，然后通過(guò)巖石高度和時(shí)間示數(shù)計(jì)算出波速。根據(jù)波速測(cè)量結(jié)果對(duì)巖石試樣進(jìn)行篩選，盡量減少試樣初始離散性的影響。然后在Stiffman試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，加載速度0.8 mm/min，記錄巖石破壞時(shí)的峰值強(qiáng)度，每種巖性實(shí)驗(yàn)3次取平均值為最終結(jié)果。修正系數(shù)計(jì)算方法見式（1），各巖石強(qiáng)度測(cè)試及修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)波速測(cè)試

巖體波速測(cè)試設(shè)備使用RSM-RCT聲波測(cè)井儀，設(shè)備由采集儀和聲波探頭組成，聲波探頭能夠發(fā)射和接收超聲波，采集儀負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、供電等，設(shè)備外觀如圖2（a）、圖2（b）所示。

巖體波速測(cè)試，首先對(duì)孔內(nèi)注水，然后下放探頭測(cè)量不同孔深處的波速。由于該鉆孔注水中，孔內(nèi)裂隙發(fā)育，導(dǎo)致孔內(nèi)水不斷滲出，水位不斷下降。所以采用邊注水、邊測(cè)試的方式進(jìn)行工作，工作過(guò)程如圖2（c）所示。探頭每次下放距離為0.2 m，下放最大深度17.6 m，共測(cè)得89個(gè)點(diǎn)。測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

分析波速—深度折線圖3可知，在0～4.8 m之間的礦體波速較低，波速分布在1.2～2.3 km/s之間，主要原因是上一臺(tái)階爆破對(duì)礦體造成損傷，形成裂隙區(qū)。因此，取深度5.0～17.6 m的波速求平均值，作為該區(qū)域礦體波速，求得的波速值為3.6 km/s。基于同樣方法，開展了不同礦巖類型區(qū)域波速測(cè)定試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

3.3 塊度分析

黑溝采場(chǎng)爆破塊度分析采用大疆御ⅡPro無(wú)人機(jī)對(duì)爆破現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際爆堆進(jìn)行拍攝，相較于傳統(tǒng)拍攝，無(wú)人機(jī)航拍可以任意調(diào)整拍攝角度和高度，有效避免了傳統(tǒng)拍攝角度帶來(lái)的遠(yuǎn)端圖像小、近端圖像大的問(wèn)題。拍攝過(guò)程中選用顏色鮮艷球體作為塊度分析的參照物，每次拍攝時(shí)球體間間距均大于1.5 m，以保證后期塊度分析的準(zhǔn)確性。

采用無(wú)人機(jī)相對(duì)爆堆等距平移的拍攝方法。無(wú)人機(jī)距離爆堆高度恒定在8 m左右，按照從左至右的順序拍攝，每次拍攝位置與上次拍攝區(qū)域交叉10%。采用Split-Desktop爆破分析軟件對(duì)爆破塊度進(jìn)行分析，并采用人工輔助方式校正偏差，得到最終爆破塊度分析結(jié)果。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及塊度分析如圖4所示。另外，還能得到不同直徑塊度通過(guò)率，如表6所示。

3.4 爆破漏斗體積測(cè)算

以鏡鐵礦單孔爆破漏斗實(shí)驗(yàn)為例，將爆破下來(lái)的巖體看作一端面為不規(guī)則形狀的柱體，按第2節(jié)步驟4中的方法測(cè)算端面面積為62.73 m2，如圖5所示。實(shí)測(cè)臺(tái)階高度為15.5 m，則爆破漏斗體積V=972.32 m3。

按照上述方法對(duì)黑溝礦區(qū)的典型巖石均進(jìn)行了單孔爆破漏斗體積測(cè)算，結(jié)果如表7所示。

4 黑溝礦區(qū)巖體可爆性分級(jí)

將鏡鐵礦巖體波阻抗、爆破塊度和爆破漏斗體積指標(biāo)代入式（2）得到：

鏡鐵礦可爆性指數(shù)為48.67，查表2可知該區(qū)域?qū)儆诒频燃?jí)Ⅱ類巖體，亞類為Ⅱ2類易爆破巖體，綜合表4中的加權(quán)系數(shù)，鏡鐵礦的修正系數(shù)為0.9，得到修正后的可爆性指數(shù)為43.803，該區(qū)域依然屬于爆破等級(jí)Ⅱ類巖體，但亞類變?yōu)棰?類易爆破巖體，說(shuō)明該區(qū)域巖體可爆性相對(duì)增強(qiáng)。按以上步驟，對(duì)黑溝礦區(qū)Ⅱ期采場(chǎng)所有典型巖性均進(jìn)行了可爆性分級(jí)，結(jié)果如表8所示。

礦巖可爆性分級(jí)是以爆區(qū)為單元，將可爆性相近或一致的區(qū)域劃分為同一片爆破分區(qū)。結(jié)合黑溝礦區(qū)Ⅱ期工程進(jìn)度和可爆性分區(qū)結(jié)果，目前鐵質(zhì)千枚巖主要分布在3 755 m水平，鐵質(zhì)千枚巖和鏡鐵礦分別賦存在3 760 m和3 730 m水平，白云巖則主要存在于3 745 m水平。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)黑溝礦區(qū)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，鐵質(zhì)千枚巖各項(xiàng)強(qiáng)度最高，白云巖次之，之后依次為鏡鐵礦與灰綠色千枚巖。對(duì)露天爆破來(lái)說(shuō)，巖石強(qiáng)度越大爆破難度越高。故鐵質(zhì)千枚巖的修正系數(shù)最大，灰綠色千枚巖修正系數(shù)最小，白云巖與鏡鐵礦居中，且白云巖修正系數(shù)略大于鏡鐵礦。

（2）通過(guò)分析波速結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鐵質(zhì)千枚巖波速最高，說(shuō)明其巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，節(jié)理裂隙較少，巖體最為完整；灰綠色千枚巖波速最低，說(shuō)明其巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，節(jié)理裂隙較多，巖體最為破碎。白云巖和鏡鐵礦巖體波速相對(duì)適中，其中，鏡鐵礦巖體較為完整，而白云巖巖體則較破碎。

（3）可爆性分級(jí)結(jié)果表明黑溝礦區(qū)巖體可爆性排序由易到難依次為灰綠色千枚巖、鏡鐵礦、白云巖和鐵質(zhì)千枚巖。其中鏡鐵礦巖易爆破，說(shuō)明其能保持較好的爆破效果；白云巖和鐵質(zhì)千枚巖爆破性均為中等，說(shuō)明其爆破所需能量較高，容易產(chǎn)生大塊；灰綠千枚巖爆破易破碎，說(shuō)明其極易發(fā)生粉化現(xiàn)象，而且垂直于自由面的節(jié)理處易產(chǎn)生大塊，造成塊度兩極分化，粉末與大塊并存。