拉斯邦巴斯銅礦爆破優(yōu)化設(shè)計與現(xiàn)場試驗(yàn)研究

陳學(xué)松，林衛(wèi)星，曹 亮，肖木恩

(1.五礦有色金屬股份有限公司，北京 100044；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙 410083；3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，長沙 410083)

爆破是露天開采中的基礎(chǔ)工作，穿爆成本約占露天開采總成本的20%，爆破成本直接影響著露天開采的成本，同時爆破效果也直接影響著后續(xù)作業(yè)的安全、效率與成本[1-3]。合理的爆破參數(shù)與工藝對于控制爆破成本、改善爆破效果以及提高露天開采經(jīng)濟(jì)效益有著重要意義，國內(nèi)外學(xué)者及礦山工程技術(shù)人員就此開展了大量的工作。鄒宗山等[4]通過對爆破孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整明顯減少了根底和大塊率，取得良好的爆破效果；孟海東等[5]通過選取合適的起爆方式、布孔方式、不斷優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)、改善裝藥結(jié)構(gòu)，對水平臺階的爆破進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高了爆破質(zhì)量，從而提高了生產(chǎn)效率。倪景峰等[6]通過調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、連線方式等技術(shù)手段，改善了采空區(qū)塌陷爆破效果等。

中國五礦集團(tuán)旗下的拉斯邦巴斯銅礦是世界最大的露天銅礦之一，目前礦區(qū)的采礦量達(dá)到5 000萬t/a，由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，礦山目前的爆破孔網(wǎng)參數(shù)及工藝不甚合理，礦山生產(chǎn)爆破效果并不理想。針對拉斯邦巴斯銅礦爆破作業(yè)中存在的問題，作者對其爆破參數(shù)及工藝開展了相關(guān)優(yōu)化研究，并在現(xiàn)場開展了工業(yè)試驗(yàn)，取得了良好效果。

1 工程背景

目前礦山采用乳化炸藥爆破，爆破后塊度小，與礦山使用的穿孔、搬運(yùn)等設(shè)備不匹配，造成爆破成本過高。基于露天臺階邊坡設(shè)計，臺階設(shè)計高度為15 m，西面臺階坡面角：設(shè)計70°～80°，主要為70°，實(shí)際55°～65°。北面臺階坡面角：設(shè)計70°～80°，主要為70°，實(shí)際46°～62°，大多數(shù)為50°～60°。北東面臺階坡面角：設(shè)計65°，實(shí)際45°～65°，大多數(shù)為50°～60°。東面臺階坡面角：設(shè)計70°，實(shí)際43°～62°，大多數(shù)為50°～60°。南東面臺階坡面角：設(shè)計70°，實(shí)際53°～64°。實(shí)際臺階邊坡角度小于設(shè)計值。

1.1 地質(zhì)條件

邦巴斯礦為典型的矽卡巖銅礦床，礦床位于侵入巖體和鈣質(zhì)沉積巖體之間，礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度值在60～150 MPa，覆蓋范圍非常廣，軟巖、中硬巖和硬巖均有，礦巖的節(jié)理裂隙十分發(fā)育。

1.2 原臺階爆破參數(shù)

1)孔網(wǎng)參數(shù)

孔網(wǎng)參數(shù)見表1。

表1 原臺階爆破孔網(wǎng)參數(shù)表

2)裝藥結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)爆破為連續(xù)裝藥，其中礦石爆破裝藥長度11.5 m，堵塞4 m，廢石爆破裝藥長度7～9 m，堵塞長度7～9 m。預(yù)裂爆破線裝藥密度1 300 g/m，孔口約3 m不裝藥，不堵塞。緩沖爆破在孔底裝藥約2.8～4.5 m，孔口堵塞3.5 m，其余為空氣柱。炸藥為重銨油炸藥和鋁酸乳化炸藥，臺車裝藥。

3)爆破微差時間

采用微差延時逐孔逐排爆破技術(shù)，孔間微差25～35 ms，無嚴(yán)格的排間微差時間，實(shí)際排間微差時間在 180～200 ms，或更大。預(yù)裂爆破較主爆區(qū)提前150～200 ms 以上。

1.3 存在的問題

1)采用乳化炸藥爆破，爆破后礦石塊度2.54 cm以下占30%～35%，爆后礦石塊度過細(xì)，與已有大型鑿巖、鏟裝、運(yùn)輸、破碎裝備不匹配，導(dǎo)致爆破成本升高。

2)礦山目前炸藥單耗礦石為0.48～0.75 kg/t，廢石0.20～0.33 kg/t，相比國內(nèi)礦山的0.20～0.30 kg/t值而言，仍然偏高。

3)近邊坡的預(yù)裂爆破以及緩沖爆破達(dá)不到預(yù)期效果，實(shí)際坡面角小于設(shè)計要求，臺階坡面形成效果差。

2 爆破參數(shù)與工藝優(yōu)化設(shè)計

2.1 炸藥選型

礦山巖體整體可爆性為中等至易爆，由于爆破效果受炸藥爆速的影響，在軟巖至極軟巖體中，爆速低的炸藥更有利。因此對于無水孔可以考慮使用銨油炸藥，據(jù)了解，2019年10月的硝酸銨到礦價格$440/t，乳化劑價格$520/t。因此減少乳化劑用量，爆破成本降低。然而銨油炸藥比重小，裝藥重心高，需對設(shè)計稍作調(diào)整，但爆破工藝無需改變，不會增加爆破工作量，同時在試驗(yàn)中也取得了較好的效果，與乳化炸藥并無太大區(qū)別。

2.2 孔網(wǎng)參數(shù)

孔網(wǎng)參數(shù)是爆破工作中影響爆破效果與爆破成本的重要因素[7]，尤仁鋒[8]指出在正常的穿孔條件下，并不是爆破巖塊越小越好；胡振山[9]實(shí)踐結(jié)果表明在擴(kuò)大孔網(wǎng)參數(shù)后爆破效率有較大提高，爆破質(zhì)量有明顯改進(jìn)，炸藥單耗相應(yīng)降低。根據(jù)開采現(xiàn)場廢石爆破塊度較小的情況，采取擴(kuò)大孔網(wǎng)參數(shù)來降低廢石爆破成本。

將孔距與排距均在現(xiàn)有基礎(chǔ)上擴(kuò)大5%，進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，對試驗(yàn)爆破后的塊度進(jìn)行分析：P80(小于此塊度的巖塊占比為80%時對應(yīng)的塊度)為215、127 mm以下塊度占68.7%；且鏟裝容易，無根底，滿斗系數(shù)高，表明擴(kuò)大參數(shù)是可行的，再進(jìn)一步將參數(shù)增大。將排距孔距擴(kuò)大10%后發(fā)現(xiàn)：爆破效果好，爆堆容易鏟裝，無根底，大塊巖石變化不大，且粉巖大幅降低，塊度與原爆破參數(shù)相比更加均勻。其塊度分布情況為：P80為216 mm，小于25.4 mm的巖塊只有9.96%，P50(小于此塊度的巖塊占比為50%時對應(yīng)的塊度)為101 mm。雖孔網(wǎng)參數(shù)還可以進(jìn)一步增加，但由于爆破作業(yè)的復(fù)雜性，最后決定孔網(wǎng)參數(shù)在原有的基礎(chǔ)上增加10%，之后在施工中根據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。通過擴(kuò)大孔網(wǎng)參數(shù)，使得單位炮孔消耗量降低了15.19%～18.73%(表2、圖1～2)。

表2 孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化前后對比表Table 2 Comparison table of hole mesh parameters before and after optimization

圖1 孔網(wǎng)參數(shù)擴(kuò)大5%后爆破效果Fig.1 Blasting effect after 5% enlargement of hole net parameters

圖2 孔網(wǎng)參數(shù)擴(kuò)大10%后爆破效果Fig.2 Blasting effect after 10% enlargement of hole net parameters

2.3 裝藥結(jié)構(gòu)

空氣間隔裝藥通過軸向空氣介質(zhì)不耦合裝藥緩沖炸藥爆炸對孔壁的作用，降低初始壓力及爆破應(yīng)力峰值，達(dá)到降低爆破振動的目的[10]。同時因空氣層的存在，致使爆破作用過程中激發(fā)產(chǎn)生二次和后續(xù)系列加載波的作用，從而使先前壓力波造成的裂隙巖體進(jìn)一步破壞[11]。空氣間隔裝藥可有效地減小爆破振動和改善爆破效果[12]，提高炸藥能量的有效利用率[13]。提高破碎率，降低大塊率。減少爆破炸藥單耗，提高鏟運(yùn)機(jī)出礦效率[14]。

目前礦山生產(chǎn)爆破采用的是連續(xù)裝藥，而大直徑炮孔裝藥量分布不均勻，炮孔下部裝藥密，孔口裝藥量少，使得孔口位置裝藥量破碎效果欠佳(現(xiàn)用裝藥結(jié)構(gòu)如圖3中的a所示)，而如上述，間隔裝藥使炸藥在炮孔空間上分布更均勻，爆破效果更好，爆破振動破壞更小。

a—連續(xù)裝藥；b—上部空氣柱裝藥；c—中央空氣柱間隔裝藥；d—下部空氣柱間隔裝藥；e—巖碴間隔裝藥圖3 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of charge structure

圖3b～e四個方案均為間隔裝藥爆破方案，采用間隔裝藥方案可減少裝藥量，節(jié)約成本，降低孔口堵塞量，降低爆破振動影響。依據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及國內(nèi)外相關(guān)案例，擬采取方案b，使每孔裝藥量減少2.0～2.5 m，炮孔裝藥量可降低18%左右，裝藥圖如圖4所示，其中緩沖孔孔徑為250 mm，生產(chǎn)炮孔孔徑為311 mm。

a—緩沖孔間隔裝藥；b—生產(chǎn)炮孔間隔裝藥圖4 裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Charge structure

2.4 微差時間與超深

合理選擇微差時間與超深，不但有利于提高爆破效果，而且避免了根底的產(chǎn)生。針對礦山現(xiàn)狀，對于硬巖、夾制小、自由面條件好的微差時間取小值，反之取大值，由于礦區(qū)巖體質(zhì)量整體較差、容易破碎等原因，在設(shè)計中微差時間取較大值。對于現(xiàn)有的爆破方案，孔間微差時間在30 ms左右比較合理，排間微差時間控制在100 ms以內(nèi)，盡量不超過120～150 ms；為保護(hù)邊坡，生產(chǎn)孔與緩沖孔之間應(yīng)加大延時，微差時間增加到原來的1.5～2.0倍；預(yù)裂孔超前于相鄰緩沖孔150 ms以上起爆。另外根據(jù)巖石的堅硬程度，適當(dāng)增加超深，將超深確定為1.0～1.6 m。

2.5 邊坡控制爆破

預(yù)裂爆破與緩沖爆破均是能很好控制邊界輪廓的控制爆破技術(shù)[15-16]，針對目前礦山臺階坡面角達(dá)不到設(shè)計要求以及臺階面形成效果不佳的問題，設(shè)計了兩套爆破技術(shù)方案來達(dá)到降低爆破成本、改善坡面形成效果的目的。分別是：方案一，緩沖爆破形成邊坡方案；方案二，預(yù)裂爆破+緩沖爆破形成邊坡方案。

由于目前的礦山設(shè)計區(qū)域?yàn)榕R時邊坡，服務(wù)年限僅有2～3 a，因此根據(jù)已有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及國內(nèi)外類似礦山實(shí)例，對于穩(wěn)固性較好的邊坡區(qū)域采用方案一，即緩沖爆破形成方案，并根據(jù)不同的巖性采用不同的孔網(wǎng)參數(shù)。

對于邊坡安全性相對較差的有些區(qū)域，采用爆破振動破壞小的緩沖爆破+預(yù)裂爆破[17]形成邊坡。預(yù)裂孔設(shè)計為：軟巖采用90°，孔距1.8 m，中硬至硬巖采用80°，孔距1.6 m，硬巖至堅硬巖采用臺階坡面傾角的預(yù)裂孔，孔距1.4 m。本設(shè)計可提高預(yù)裂孔施工效率和成孔率，降低預(yù)裂孔施工成本。

經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的控制爆破效果較好，試驗(yàn)得到的臺階坡面角中心值比原爆破更接近設(shè)計值，標(biāo)準(zhǔn)差也比原爆破大幅減小，說明試驗(yàn)形成的臺階坡面角更接近設(shè)計，臺階坡面角的離散性更小，臺階面更平整，且緩沖爆破降低了爆破成本。與此同時還應(yīng)注意，具體的控制爆破參數(shù)還應(yīng)以階段的具體巖體性質(zhì)、地質(zhì)條件來進(jìn)行試驗(yàn)確定。爆破效果如圖5、圖6所示，爆破后形成的坡面角統(tǒng)計分析結(jié)果見表3。邊坡控制爆破參數(shù)見表4。

圖5 緩沖爆破—原預(yù)裂爆破+緩沖爆破效果對比圖Fig.5 Comparison of buffer with original pre-split and buffer

圖6 優(yōu)化后預(yù)裂爆破+緩沖爆破效果圖Fig.6 Effects of pre-split and buffer blasting after optimization

表3 不同爆破方法形成臺階的坡面角正態(tài)分布分析結(jié)果

表4 邊坡控制爆破參數(shù)

3 結(jié)論與建議

1)研究和實(shí)踐結(jié)果表明，在無水孔尤其是軟巖地段，銨油炸藥與乳化炸藥爆破效果相當(dāng)，但其成本更低，有利于降低爆破成本，因此可采用銨油炸藥替代乳化炸藥。

2)經(jīng)炮孔孔網(wǎng)參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化，單位炮孔消耗量降低了15.19%～18.73%，單位炸藥消耗量降低了35.82%～43.87%，單位雷管消耗量降低了16.27%～20.23%。同時，采用優(yōu)化后的緩沖爆破和預(yù)裂緩沖爆破技術(shù)，露天臺階坡面角更接近設(shè)計值，臺階面更平整，對邊坡穩(wěn)定性起到了積極作用。

3)經(jīng)測算，采用優(yōu)化后的爆破工藝及參數(shù)，2020年拉斯邦巴斯銅礦可節(jié)省廢石爆破直接成本753.52萬美元，節(jié)省邊坡形成爆破直接成本282.58萬美元，合計節(jié)省成本1 036.1萬美元。

4)將PVC聚能管用于預(yù)裂爆破和光面爆破是一項(xiàng)新技術(shù)，可以提高預(yù)裂效果，降低炸藥消耗，減小爆破振動對坡面的影響，因此建議下一步在礦山試驗(yàn)和推廣PVC聚能管聚能爆破，同時廢石剝離盡量采用清碴爆破。