利用延時(shí)爆破降低礦石貧化的應(yīng)用研究

梁 冰

(中鐵十九局集團(tuán) 礦業(yè)投資有限公司，北京 100176)

礦石損失與貧化控制是伴隨著露天開采始終的一個(gè)長(zhǎng)期性研究難題，也是評(píng)價(jià)露天開采技術(shù)的重要因素之一[1]。它體現(xiàn)礦山資源的高效利用效果，還與礦山生產(chǎn)總體經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)。利用延時(shí)爆破技術(shù)改善破碎效果是爆破技術(shù)進(jìn)步的主要方向。目前在露天臺(tái)階爆破中，受到地質(zhì)勘查和成礦條件的復(fù)雜性的影響，礦石和巖石的分界線很難清楚的劃分，露天礦產(chǎn)資源開采始終伴隨著損失貧化，對(duì)礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生直接影響。因此，研究礦巖爆破分離技術(shù)，利用延時(shí)爆破技術(shù)控制并降低礦產(chǎn)損失率具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

合理的延時(shí)爆破能改善爆破效果、降低成本。因此，眾多學(xué)者基于礦石破碎的延時(shí)爆破進(jìn)行大量研究[2-5]。如劉翔宇等對(duì)理論推導(dǎo)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[2]，探究最佳延期控制時(shí)間；楊仁樹等模擬了沖擊荷載作用下復(fù)合巖體破壞過程及損傷演化規(guī)律[3]；Johansson等研究了延時(shí)爆破沖擊波相互作用造成對(duì)礦石更好破碎效果的影響[4]；趙凱等實(shí)現(xiàn)了包含毫秒延時(shí)爆破荷載輸入和有限元-無限元耦合邊界的地層-爆源體系三維精細(xì)化有限元模型[5]。然而，利用延時(shí)爆破技術(shù)改善破碎效果是減少礦石損失和貧化有效手段。現(xiàn)在露天臺(tái)階爆破中，受到地質(zhì)勘查和成礦條件的復(fù)雜性的影響，礦和巖的分界不容易清晰的劃分，露天礦的開采從頭到尾伴隨著損失貧化，對(duì)礦山企業(yè)的回收利潤(rùn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[6-10]。

以往礦石爆破塊度優(yōu)化研究中，對(duì)指導(dǎo)其露天爆破參數(shù)的選擇有一定參考價(jià)值。然而，專門針對(duì)延時(shí)爆破降低礦石貧化的應(yīng)用研究還鮮有報(bào)道。因此，以烏努格吐山銅鉬礦巖分界現(xiàn)場(chǎng)施工項(xiàng)目為依托，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、爆破參數(shù)優(yōu)化、根底率及粗碎功耗統(tǒng)計(jì)對(duì)比，開展了不同延時(shí)爆破條件下礦石貧化試驗(yàn)研究，其研究結(jié)果對(duì)優(yōu)化爆破參數(shù)、降低破碎成本及提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)礦區(qū)爆破工程概況

烏努格吐山銅鉬礦區(qū)爆破形式為深孔爆破，臺(tái)階高度15 m，采用潛孔鉆機(jī)，平均鉆孔深度17 m，孔網(wǎng)參數(shù)6 m×4.5 m，特殊區(qū)域?yàn)? m×4 m。采用梅花形布孔，起爆方式為逐孔起爆。該礦區(qū)礦巖分爆主要根據(jù)礦體預(yù)估礦體線位置設(shè)計(jì)穿孔位置，進(jìn)行礦巖分別爆破。隨著深度增加，礦體互侵性嚴(yán)重，礦體線位置不準(zhǔn)確，導(dǎo)致礦巖混爆。混爆只能根據(jù)實(shí)際圈定礦巖品種進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放線，用以區(qū)分礦巖，便于鏟裝，造成礦巖的損失與貧化，使損失貧化率加大。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

基于經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性考慮，采用鋼管作為標(biāo)記物來對(duì)臺(tái)階內(nèi)部的礦巖爆破位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)[9]，鋼管直徑60 mm、壁厚1 mm及長(zhǎng)度80 cm。

在試驗(yàn)爆區(qū)不同位置加鑿監(jiān)測(cè)孔，每次爆破試驗(yàn)加鑿2～4個(gè)監(jiān)測(cè)孔，每個(gè)監(jiān)測(cè)孔里放置3個(gè)標(biāo)記物以監(jiān)測(cè)臺(tái)階爆破內(nèi)部礦巖爆破位移，標(biāo)記物的埋設(shè)深度分別為3.5 m(上部)、7.5 m(中部)和12.5 m(底部)，炮孔孔口堵塞處埋設(shè)竹竿用以監(jiān)測(cè)臺(tái)階爆破表面的礦巖爆破位移，如圖1所示。

圖 1 礦巖移動(dòng)標(biāo)記物法監(jiān)測(cè)方案(單位：m)Fig.1 Monitoring scheme of mine and rock moving marker method(unit:m)

分別在0828爆區(qū)(孔間17 ms、排間42 ms、后排65 ms、分離拉溝100 ms延期間隔)、0904爆區(qū)(孔間17 ms、排間42 ms、后排65 ms、分離拉溝100 ms延期間隔)、0921爆區(qū)(孔間9 ms、排間25 ms、后排65 ms延期間隔)及0925爆區(qū)(孔間9 ms、排間42 ms、后排65 ms延期間隔)進(jìn)行4次礦巖分離爆破試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 爆破位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

表1給出了烏努格吐山露天礦臺(tái)階爆破平均爆破位移圖。從表1中發(fā)現(xiàn)，第4排表面礦巖體平均爆破位移極小，幾乎在原地不動(dòng)，在爆破現(xiàn)場(chǎng)，第4排表面礦巖體有向炮孔后方移動(dòng)的，這是由于沉降溝的原因，第4排表面礦巖體滾落，塌落在沉降溝處。

表1可得，在露天臺(tái)階爆破實(shí)踐中，延長(zhǎng)最后排炮孔的延期時(shí)間，第4排孔中上位置礦巖水平爆破移動(dòng)一改逐排減小趨勢(shì)，反而超過第3排相應(yīng)位置達(dá)到8.2 m，說明第4排向前運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)增大，為后排孔留下充足移動(dòng)空間，有利于沉降溝的形成和減少爆破后沖破壞作用。

表 1 烏努格吐山露天礦臺(tái)階爆破礦巖爆破位移平均值(單位：m)

2.2 爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

0828、0904爆區(qū)均采用孔間17 ms、排間42 ms、后排65 ms、分離拉溝100 ms延期間隔進(jìn)行爆破。現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示，礦巖界線拉溝效果有所起伏，溝深2～3 m。

現(xiàn)場(chǎng)爆破效果表明，孔間17 ms、排間42 ms、后排65 ms、分離拉溝100 ms延期間隔相較于烏努格吐山礦應(yīng)用于正常生產(chǎn)的孔間17 ms、排間65 ms、后排100 ms延期間隔不能明顯改善爆堆聚攏效果。爆后爆堆形狀發(fā)現(xiàn)爆堆并非是常規(guī)的拋物線型，而是爆堆頂部平坦，爆堆坡面中上部有明顯凸起，這種現(xiàn)象是由孔內(nèi)兩發(fā)中繼起爆具位置導(dǎo)致的。地表管同時(shí)起爆兩發(fā)孔內(nèi)管后，兩發(fā)起爆彈被同時(shí)引爆，孔內(nèi)乳化炸藥開始在上下兩個(gè)產(chǎn)生穩(wěn)定爆轟，藥柱內(nèi)形成兩個(gè)相互獨(dú)立的爆轟波，當(dāng)兩個(gè)爆轟波陣面?zhèn)髦了幹胁繒r(shí)產(chǎn)生疊加，此時(shí)產(chǎn)生的能量最大，傳至巖體中導(dǎo)致此處巖塊快速向自由面隆起。

通過觀察現(xiàn)場(chǎng)爆堆形態(tài)，認(rèn)為孔間17 ms、排間42 ms、后排65 ms延期間隔對(duì)改善爆堆形態(tài)，增加爆堆隆起高度，減少前攤效果不明顯，故利用孔間9 ms、排間25 ms、后排65 ms延期間隔(0921爆區(qū))和孔間9 ms、排間42 ms、后排65 ms延期間隔(0925爆區(qū))，考察短延期間隔對(duì)爆堆形態(tài)的影響效果。

在0921爆區(qū)采用孔間9 ms、排間25 ms、后排65 ms、分離拉溝100 ms間隔延期，0925爆區(qū)采用孔間9 ms、排間42 ms、后排100 ms、分離拉溝100 ms間隔延期，中繼起爆具均采用18 m孔內(nèi)管，垂直位置相距1.5～2 m。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)礦巖分界處拉溝效果和整體爆堆形態(tài)明顯改善，爆堆前攤減小(0921爆區(qū)有常規(guī)生產(chǎn)爆區(qū)對(duì)比)，爆堆隆起明顯，最后排裝藥量減少5%，臺(tái)階面后沖裂隙帶基本消失(如圖3)。針對(duì)礦區(qū)火山成脈，采用孔間9 ms、排間25 ms、后排65 ms、分離拉溝100 ms間隔延期地表管，400 ms孔內(nèi)管的礦巖分離爆破效果最佳。

圖 3 爆后礦巖分離情況Fig. 3 Separation of ore and rock after explosion

2.3 根底率對(duì)比分析

分別對(duì)6次實(shí)驗(yàn)爆區(qū)和6次非實(shí)驗(yàn)爆區(qū)的根底標(biāo)高數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，見表2。根底標(biāo)準(zhǔn)為超過±0.5 m和±1 m。

表 2 根底率數(shù)據(jù)對(duì)比

從表2中實(shí)驗(yàn)爆區(qū)和非實(shí)驗(yàn)爆區(qū)根底率數(shù)據(jù)對(duì)比中可以得出：(1)實(shí)驗(yàn)爆區(qū)>+0.5 m數(shù)據(jù)占比、<-0.5 m數(shù)據(jù)占比、±0.5 m根底率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均小于非實(shí)驗(yàn)爆區(qū)；(2)實(shí)驗(yàn)爆區(qū)的>+1 m數(shù)據(jù)占比、±1 m根底率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差小于非實(shí)驗(yàn)爆區(qū)，實(shí)驗(yàn)爆區(qū)<-1 m數(shù)據(jù)占比的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差大于非實(shí)驗(yàn)爆區(qū)。在±0.5 m根底率的控制上，相對(duì)非試驗(yàn)爆區(qū)實(shí)驗(yàn)爆區(qū)減少10.7%，在±1 m根底率的控制上，實(shí)驗(yàn)爆區(qū)減少2.2%。并且在標(biāo)準(zhǔn)差中可以看出實(shí)驗(yàn)爆區(qū)的±0.5 m和±1 m根底率數(shù)值較非試驗(yàn)爆區(qū)波動(dòng)較小，更接近均值，穩(wěn)定性較好。

2.4 粗碎功耗對(duì)比分析

一期粗碎站非實(shí)驗(yàn)爆區(qū)單位時(shí)間處理量為2047.71 t/h，二期粗碎站非實(shí)驗(yàn)爆區(qū)單位時(shí)間處理量為2247.89 t/h。一期粗碎站實(shí)驗(yàn)爆區(qū)單位時(shí)間處理量為2213.76 t/h，二期粗碎站實(shí)驗(yàn)爆區(qū)單位時(shí)間處理量為2642.01 t/h。一期粗碎站提高約8.11%，二期粗碎站提高約17.53%，實(shí)驗(yàn)爆區(qū)的粗碎效率比非實(shí)驗(yàn)爆區(qū)的粗碎效率有明顯提高，提高的原因是因?yàn)檠悠跁r(shí)間方案使礦巖分界明顯，爆破參數(shù)優(yōu)化，破碎能耗大量降低。

3 結(jié)論

為了減低礦石貧化率，通過理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，確定了合理的礦巖分離爆破方案，開展了爆破位置監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)和礦巖分離延時(shí)爆破試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)根據(jù)爆破區(qū)塊自由面條件及礦巖分布狀態(tài)，爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)方案為孔間9 ms、排間25 ms、后排65 ms、礦巖分離界線處100 ms延期間隔，使礦巖兩側(cè)爆堆頂部距離礦巖分界線底部的垂直距離在2～3 m，基本達(dá)到了礦巖分離的目的。

(2)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的爆堆分布形態(tài)為非常規(guī)拋物線型，爆破施工中起爆彈放置于距孔底1～3 m，相對(duì)位置間隔1.5～2 m，達(dá)到了改善爆堆聚攏效果，實(shí)現(xiàn)了爆堆的良好分布形態(tài)。

(3)延時(shí)爆破礦巖分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦與巖分離、提高初碎效率、降低根底率和損失貧化率等。相比于非實(shí)驗(yàn)爆區(qū)：一期初碎站效率提高約8.11%，二期初碎站效率提高約17.53%；±0.5 m范圍的根底率減少約10.7%，±1 m范圍的根底率減少約2.2%；降低貧化率約0.875%。