某露天礦山塊度控制試驗研究

洪葉榮，范玉乾，喻智

(1.廣東省廣晟資產經營有限公司，廣東 廣州 510000；2.長沙有色冶金設計研究院有限公司 西寧分公司，青海 西寧 810000；3.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

受國際金融業波動的影響，基礎產業價格發生較大的變化，尤其是部分礦產品價格下滑嚴重，嚴重影響了礦山的開采和運營。礦山企業期望通過工程手段降低生產成本、提高經濟效益。

某露天礦山礦體及其近礦圍巖主要為堅硬半堅硬塊狀巖類，巖體主要為完整堅硬工程地質巖組。礦山當前孔排距為（7 m×6 m）～（6.5 m×5.5 m），抵抗線5～5.5 m，單耗約為0.35～0.45 kg/m3。現場多次深孔臺階爆破調查和統計表明，使用礦山目前選用的孔排距6.8 m×5.2 m 時，平均大塊率約為13.1%，炸藥單耗約為0.38 kg/m3。為降低生產成本，礦山提出了單耗基本維持現狀、大塊率低于6%的需求，期望通過爆破技術手段降低大塊率，提高鏟裝速率，減少二次破碎量，提高單位礦石產品的利潤。

壓碴爆破技術是指在爆區前留適當厚度和高度的碴堆，控制前沖、增強巖石的相互擠壓和碰撞，從而使巖塊得到進一步破碎、改善爆破效果的爆破技術[1?3]。爆破過程中，自由面上的松散介質將吸收新破碎礦巖的動能，提供了更長的爆炸應力波和爆生氣體的作用時間，減少了爆炸能量做功中無用功的占比。在爆生氣體膨脹階段，新分離的巖塊以一定的速度撞擊碴體或前排爆破體，將拋擲能量和空氣沖擊波的能量轉變為破碎礦石的有用功。與巖石向前運動的動能完全消耗于巖石拋擲的清碴爆破相比，爆炸能量利用率更高[4?6]。壓碴爆破技術工藝簡單、成本較低，1970 年代初期，我國部分露天礦山就開始采用“壓碴爆破技術”。經過長時間的現場實踐，該技術在海州露天煤礦[7]、大冶鐵礦[8]、伊盟后布連露天煤礦[9]、包鋼卡布奇石灰石礦[10]等露天礦山展現了其獨特的優越性，從爆堆形態、地震效應和大塊率等方面評價，壓碴爆破效果明顯優于清碴爆破。

鑒于此，筆者擬采用理論計算和現場試驗的方法研究壓碴爆破參數，將壓碴爆破技術運用于礦山爆破施工過程，在維持現有單耗的條件下有效降低礦巖大塊率，確保礦山經濟效益。

1 壓碴厚度理論計算

碴體厚度是壓碴爆破設計的重要參數，合理的碴體厚度參數能夠有效保證壓碴爆破效果。留碴厚度通常根據入射應力波給予爆破巖體的總動量等于折射應力波給予碴堆的總動量來進行計算，其計算公式為[4,11]：

式中，B為留碴厚度，m；K為碴堆的松散系數，；C1為巖體內彈性波波速，m/s；C2為碴堆內彈性波波速，m/s；ρ1為巖石密度，t/m3；ρ2為碴堆密度，t/m3；W為底盤抵抗線，m。

通過調研礦山巖石物理力學性質相關資料，W可取為5 m，C1可取為4200 m/s，C2可取為3300 m/s，K可取為1.1～1.26，由式（1）計算得到B為5.2～5.6。根據工程經驗，礦山生產中4～8 m 的留碴厚度既能解決爆破與裝運互相影響的狀況，又能適當控制炸藥單耗和改善爆破效果，具有較好的技術經濟效果。

2 壓碴爆破現場試驗

現場調研發現，第一排孔和臺階坡面之間的區域由于前次爆破后沖形成的裂隙，爆破過程中爆炸應力波和爆炸氣體作用于裂隙弱面，礦巖尚未充分破碎即被爆炸氣體推出形成大塊。同時，超挖、欠挖、穿孔誤差導致的前排抵抗線不均勻是造成前排礦巖大塊率升高的重要原因。當孔排距改為5 m×4 m 時，平均大塊率約為5.2%，炸藥單耗高達0.7 kg/m3；當孔排距改為6 m×5 m 時，平均大塊率約為6.4%，炸藥單耗約0.46 kg/m3。調研結果表明，5 m×4 m 的孔網參數可以滿足礦山大塊率低于6%的要求，因此現場試驗中臺階爆破第一排孔網參數選為5 m×4 m，2，3，4 排孔網參數選用6 m×5 m。

為探究壓碴厚度對塊度分布的影響，現場開展了5 m 壓碴厚度試驗3 次，7 m 壓碴厚度試驗3 次，8 m 壓碴厚度試驗2 次。大塊率采用清碴-爆破-留碴的統計方式，大塊在鏟裝過程中挑選出來，經過二次破碎后，大塊裝車數量與總的爆破方量的裝車數量的比值作為大塊率的統計結果。

現場具體試驗參數及試驗結果見表1，壓碴爆破后爆堆如圖1 所示。

表1 試驗爆破參數及效果

圖1 壓碴爆破爆堆

對各次試驗的巖塊大塊率統計如下：

在對統計數據進行分析時發現，7 m 壓碴厚度試驗條件下存在一次試驗的結果為大塊率為8.2%，本次試驗開展時預留爆堆南側尚未完成鏟裝，大塊率統計過程中存在重復統計致使本次數據偏高。對3 種壓碴厚度條件的大塊率進行分析后，得到了加入偏高數據的平均大塊率曲線1 和未加入該數據的平均大塊率曲線2。由圖2 可知，2 個平均大塊率曲線均呈現同一變化趨勢，伴隨壓碴厚度增加，大塊率首先降低然后增加，且8 m 壓碴厚度條件下大塊率相對5 m 壓碴厚度更高。試驗結果表明3 種壓碴厚度試驗炸藥單耗均與現有單耗0.35～0.45 kg/m3基本持平，平均炸藥單耗曲線與平均大塊率曲線呈現良好的負相關關系。綜上可知，7 m 壓碴厚度條件下礦巖可以獲得更好的破碎效果，完全能夠滿足礦山提出的大塊率小于6%，炸藥單耗基本持平的需求。

圖2 現場試驗大塊率統計結果

3 結論

為滿足礦山降低大塊率的同時保持炸藥單耗水平的需求，提出了采用壓碴爆破技術降低大塊率的研究方案，采用理論計算和現場試驗的研究手段對壓碴厚度開展了研究，得到如下結論：

（1）基于入射波機遇爆破巖體總動量與折射應力波給與碴堆總動量相等的原理，計算得到留碴厚度為5.2～5.6 m，理論計算結果和現場試驗結果相近，表明該公式具備一定的合理性。

（2）對于抵抗線分布不均勻的情況，可以采用縮小前排孔孔網參數有效減少前排大塊，降低整體大塊率。

（3）對比5 m、7 m、8 m 3 種壓碴厚度現場試驗結果，3 種壓碴厚度條件下的大塊率呈現先降低后升高的趨勢，相應壓碴厚度條件下的炸藥單耗與大塊率變化規律呈現良好的負相關關系，7 m 壓碴厚度在單耗相對穩定的條件下能夠獲取更低的大塊率。