蠶莊金礦破碎圍巖礦體爆破條件分級與控制爆破技術

張陽陽 王炳煒 林健 孫玉強 溫驍東 陳世順

摘要：針對蠶莊金礦東莊子帶破碎圍巖礦體掘進及進路回采過程中爆破擾動破壞周邊礦巖導致頂板、兩幫不穩固，炮孔利用率低，采礦損失貧化大，安全風險增加等問題，采用理論計算及現場試驗相結合的方法，對東莊子帶破碎圍巖礦體進行爆破條件分級，通過確定不同工程地質條件下合理爆破參數實現光面爆破，達到控制頂板及兩幫光面成型要求，實現安全高效回采，經濟效益和社會效益顯著，可供同類礦山參考借鑒。

關鍵詞：破碎圍巖礦體;爆破條件分級;控制爆破;光面爆破;爆破參數

中圖分類號：TD235文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）02-0036-05doi：10.11792/hj20210207

采礦工程黃?金GOLD2021年第2期/第42卷

2021年第2期/第42卷黃?金GOLD采礦工程

引?言

金屬礦山多采用鉆爆法施工，在掘進及回采過程中由于礦體和圍巖內部節理裂隙、斷裂等不連續面的存在，在受到爆破擾動后整體穩定性遭到破壞而呈現冒頂片幫現象;其破壞程度主要取決于礦巖自身穩固性及控制爆破質量2個方面;同時，工程實踐表明礦巖可爆性與礦巖物理力學性質及完整性密切相關。因此，根據不同礦巖穩固性及可爆性對破碎圍巖礦體進行爆破條件分級，并根據分級情況制定合理控制爆破參數，達到控制頂板及兩幫成型，減少圍巖破壞，從而進一步減少排險支護工作量，降低采礦損失貧化的目的。這對礦山安全高效回采具有重大現實意義。

目前，國內外大多采用巖石抗拉強度、巖石密度、沖擊動載強度、巖體完整性系數作為礦巖可爆性分級的評價指標[1]。可爆性量化指標為炸藥單耗，而在實際生產中，可爆性分級僅作為礦巖爆破難易程度的評價依據[2]，對于裝藥結構、起爆方式、周邊孔間距等巷道光面成型關鍵參數很難給出指導性建議。在破碎圍巖礦體中，周邊孔的位置數量及周邊孔裝藥結構、裝藥量直接決定了光面爆破后壁面能否達到規則成型，是否對周邊礦巖造成破壞，進而決定巷道周邊圍巖受爆破擾動后，能否穩定承壓，是否出現冒頂片幫現象。因此，本次研究針對破碎圍巖礦體，在考慮可爆性分級的基礎上，通過大量現場試驗分析、理論計算，根據不同區域礦巖物理力學性質、節理裂隙發育程度，將礦巖可爆性與穩固性統籌分析，建立爆破條件分級，從而確定合理爆破參數，提高炮孔利用率，避免掘進回采作業時對周邊礦巖造成破壞，實現光面爆破。

1?工程背景

招金礦業股份有限公司蠶莊金礦（下稱“蠶莊金礦”）東莊子帶為焦家主干斷裂支脈，主裂面連續穩定，斷層泥厚0.10～0.50?m，糜棱巖、碎裂巖、蝕變花崗巖沿主裂面兩側呈帶狀分布。斷裂破碎帶蝕變強烈，主要為黃鐵絹英巖化花崗碎裂巖、鉀化碎裂狀花崗巖。礦體產于東莊子帶主斷裂下盤，總體呈脈狀，局部呈透鏡狀，產狀與主斷裂基本一致，走向總體NE42°～47°，傾向NW，傾角30°，礦塊長210?m，平均水平厚度15.87?m，平均品位1.82?g/t。在成礦期或成礦后經歷了多期劇烈地質構造運動或反復地質作用，在礦體和圍巖內部形成大量節理、斷裂等不連續面，使礦體和圍巖的整體穩定性遭到破壞，在開采過程中表現出礦巖松軟破碎、可暴露面積小、易發生冒頂片幫等特征。

根據蠶莊金礦東莊子帶開采技術條件及礦巖穩固性情況，選用上向水平分層進路充填采礦法回采。進路回采及掘進作業均采用淺孔鑿巖爆破，中段礦塊劃分3個分段，由聯絡道與斜坡道連接;自分段巷施工各采場聯絡道進入采場，每分層先施工下盤沿脈，自下盤沿脈施工進路回采，進路回采由采場走向邊界依次后退式回采至另一走向邊界，每進路回采結束后接頂充填，進路口施工板墻封堵，采用細尾砂絮凝膠結充填。采用YT-28型氣腿式鑿巖機，2#巖石乳化炸藥，炸藥規格32?mm×300?g，藥卷長度300?mm，炮孔直徑D=38?mm，鉆桿長2.5?m，起爆器起爆，毫秒微差導爆管起爆。

進路及采準工程掘進爆破存在如下問題：

1）炮孔布置及裝藥參數布置不合理，輔助孔與頂孔間距過大，超過最小抵抗線，導致頂板爆破效果差（見圖1、圖2），炮孔利用率低，循環進尺小，降低回采效率。

2）光面爆孔采用導爆管起爆，加之裝藥結構不合理，炸藥殉爆距離問題導致裝藥過多，對頂板及兩幫破壞大，冒頂片幫現象嚴重（見圖3），且增大了采礦損失貧化。

3）由于不同區域礦巖穩固性差異，未能根據不同穩固性合理調整爆破參數，導致超欠挖（見圖4），且使得綜合爆破成本增加。

4）由于該采礦方法需先行進路接頂充填，破碎區域進路施工頂板裝藥多或炮孔位置布置不合理，頂板破壞嚴重導致塌方，則充填難以有效接頂;后行進路施工至未接頂位置后則會加大采場暴露面積，安全性難以保證。

2?爆破條件分級

結合大量工程實踐及現場應用分析，根據巖石抗拉強度、巖石抗壓強度、礦巖完整性系數、巖石密度4個指標對蠶莊金礦東莊子帶進行爆破條件分級。其中，巖石抗拉強度、巖石密度主要為可爆性分級因子，巖石抗壓強度（堅固性系數）主要為穩固性分級因子，礦巖完整性系數則與可爆性及穩固性均息息相關。東莊子帶破碎圍巖礦體不同區域可爆性、穩固性因子參數見表1。

由表1可知：根據東莊子帶破碎圍巖礦體不同區域的可爆性和穩固性，可將礦體內進路回采工程按照爆破條件分為Ⅱ級、Ⅲ級，分別對應不同勘探區;將脈外采準工程按照爆破條件分為Ⅰ級。

3?控制爆破技術及參數優化

根據爆破條件分級結果，對蠶莊金礦東莊子帶不同爆破條件的礦巖內施工掘進及回采進路工程進行爆破設計及現場試驗，設計斷面為2?600?mm×2?500?mm。

炮孔參數的確定：炮孔直徑為40?mm，每一循環進尺2.0?m，炮孔利用率為90?%，設計平均長度l=2?220?mm，炮孔深度h=2?200?mm，掏槽孔加深200?mm;采用YT-28型氣腿式鑿巖機，鉆桿長度2?600?mm，鉆孔直徑40?mm;2#巖石乳化炸藥，藥卷長度300?mm，藥卷直徑32?mm;掏槽及輔助孔、底孔采用毫秒延期電雷管起爆，邊孔及頂孔采用導爆索連接電雷管起爆。

3.1?掏槽孔

掏槽孔的作用是首先在工作面上將某一部分巖石破碎并拋出，在一個自由面的基礎上爆破出第二個自由面，為其他炮孔的爆破創造有利條件，掏槽效果的好壞對循環進尺起著決定性作用。按照掏槽方向，掏槽孔布置方式一般分為：斜眼掏槽、直眼掏槽、混合掏槽。由于東莊子帶礦巖破碎區域允許暴露面積限制，斜眼掏槽及混合掏槽施工難度大，且蠶莊金礦直眼掏槽技術經驗成熟，故采用直眼掏槽。

1）炮孔深度h1=h+hc，hc為超鉆深度，取10～30?cm，本次取20?cm，由于h=2.2?m，故h1=2.4?m。

2）炮孔間距（a）的確定：根據計算結果，a=100～400?mm，取a=150?mm。

3）單孔裝藥量（Q1）的確定，計算公式為：

Q1=αh1m/ly（1）

式中：α為炮孔平均裝填系數，α=0.88;m為藥卷質量（g）;ly為藥卷長度（m）。

經計算：Q1=2.1?kg。因此，單孔裝藥7卷。

掏槽孔采用中間孔裝藥，其余為空孔。掏槽孔技術參數及布置見表2。

3.2?輔助孔

輔助孔又稱崩落孔，作用是大量崩落巖石和繼續擴大掏槽，緊鄰周邊孔的輔助孔為周邊孔創造理想的光爆層，外側輔助孔與周邊孔間距要小于周邊孔最小抵抗線。

1）炮孔深度h2=2.2?m。

2）炮孔間距（af）的確定：根據計算結果，af=0.4～0.8?m，內側輔助孔間距af1=0.4?m，外側輔助孔間距af2=0.5?m。

3）單孔裝藥量（Q2）的計算：Q2=αh2m/ly（α=0.68）。

經計算：Q2=1.5?kg。因此，單孔裝藥5卷。輔助孔技術參數及布置見表3。

3.3?周邊孔

周邊孔是爆落巷道周邊巖石，最后形成巷道設計斷面輪廓的炮孔。對于東莊子帶破碎圍巖礦體必須實現周邊孔光面成型，光面爆破的重點在于周邊孔之間的互相貫通，并且彼此成型為較為規則的半圓孔，達到巷道壁面平整規整、對周邊圍巖擾動較小的目的，以獲得良好的爆破效果。而決定光面爆破效果好壞的重要因素是周邊孔間距。為更好實現頂孔及邊孔光面爆破，采用導爆管連接導爆索起爆，光面孔采用空氣間隔不連續裝藥。

1）炮孔深度：邊孔及頂孔炮孔深度h3=2?200?mm，底孔炮孔深度h4=2?400?mm。

2）炮孔間距的確定。按照光面爆破周邊孔斷裂貫通機理：爆破后爆轟應力波在巖體中造成光面層的微裂縫，爆生氣體對已形成裂縫施加斷裂應力導致裂縫擴展、互相貫通，最終實現設計斷面輪廓的光面控制[3]。進路回采及掘進工程開挖巖體沿光面層裂開的強度條件主要由爆生氣體引起的準靜壓力控制，從而導致微裂隙的擴展貫通。因此，炮孔間距（ae）為：

ae=K1f13r（2）

式中：f為巖石的堅固性系數;r為炮孔半徑，r=20?mm;K1為調整系數，按照爆破工程經驗選取K1=10～16，巖石堅硬時取較大值，巖石破碎時取較小值。

經計算：ae=342～640?mm。

按照爆破最小抵抗線原理，最小抵抗線決定了光面爆破時周邊巖石能否充分崩落。如果最小抵抗線過小，巷道圍巖容易發生超挖;如果最小抵抗線過大，則圍巖不能充分爆破，會出現巖埂等現象，發生欠挖。依據爆破工程經驗公式，光面爆破周邊孔間距與其最小抵抗線存在一定比例關系，即：

ae=KW（3）

式中：K為炮孔密集系數，一般為0.8～1.0;W為最小抵抗線，W=（10～20）D，W=400～800?mm。

經計算：ae=320～800?mm。因此，周邊孔間距為320～800?mm。

3）單孔裝藥量（Q3）的計算。頂孔及邊孔光爆孔裝藥量計算公式為：

Q3=725rae12f13v（4）

式中：v為炸藥爆速，v=3?600?m/s[4]。

經計算：Q3=0.26～0.31?kg。因此，光爆層周邊孔裝藥量為0.3?kg。

底孔裝藥量Q4=αh2m/ly，α=0.68。

經計算：Q4=1.5?kg。因此，單孔裝藥5卷。周邊孔技術參數及布置見表4。

按照以上計算，蠶莊金礦東莊子帶破碎圍巖礦體爆破條件分級光面爆破參數見表5。掏槽孔、輔助孔和底孔裝藥結構見圖5～7，頂孔及邊孔導爆索起爆裝藥見圖8。

3.4?現場應用及效果

通過對東莊子帶破碎圍巖礦體不同區域進路回采及掘進工程進行爆破條件試驗分級，對不同級別進行爆破參數及炮孔布置設計并試驗應用。爆破條件分級前后掘進及回采相關經濟效率指標對比見表6，爆破條件分級后爆破效果見圖9。由表6可知：爆破條件分級后炮孔利用率均能達到90?%，頂板及兩幫輪廓均按設計成型，孔痕率達到80?%以上，圍巖擾動破壞較小，從本質上杜絕冒頂片幫事故發生，大大減少了排險支護工作量。

4?結?語

對于破碎圍巖礦體掘進及回采，由于爆破作業周邊礦巖的擾動加之礦巖本身堅固性、穩固性等不同導致不同區域礦巖可爆性存在差異。針對其差異性合理進行光面爆破參數設計及炮孔布置是實現破碎圍巖礦體光面爆破，進而實現安全高效回采的關鍵。本次研究對蠶莊金礦東莊子帶破碎圍巖礦體進行爆破條件分級，理論計算及大量現場試驗證明：爆破條件分級后，通過優化不同分級爆破參數，提高了采礦作業的本質安全程度，大幅提高了采礦生產能力和生產效率，取得了良好的經濟效益和社會效益，對類似礦山具有一定的借鑒意義。

[參?考?文?獻]

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