露天礦山深-淺耦合臺階爆破方法研究及應(yīng)用

楊朝云，劉 秋，周 鷺，陳 斌，涂欣強(qiáng)，李立華，曾 強(qiáng)

（江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司，江西 德興 334200）

1 引言

銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司銀山九區(qū)銅金礦露天采礦場（簡稱“采礦場”）位于礦區(qū)中部，生產(chǎn)能力為5000 t/d［1］。礦區(qū)巖性較為單一，以千枚巖為主，局部區(qū)域存在斑巖，但礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育極為嚴(yán)重，條數(shù)眾多［2-4］。同時，現(xiàn)場爆破時，各炮孔炸藥爆破后所形成的應(yīng)力波在巖體內(nèi)部相遇出現(xiàn)疊加效應(yīng)，會在一定區(qū)域內(nèi)形成無拉應(yīng)力區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致在此區(qū)域極易產(chǎn)生巖體大塊。為降低爆破大塊率，本文提出了深-淺耦合臺階爆破方法。

2 爆破大塊產(chǎn)生的原因及部位

2.1 爆破大塊產(chǎn)生原因

現(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn)，兩平行藥包垂直中心線區(qū)域（梅花型中深孔中心區(qū)域）是爆破大塊主要產(chǎn)生區(qū)域。通過對地質(zhì)和爆破技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合研究，并深度融合爆破破巖理論及藥包爆破作用，發(fā)現(xiàn)采礦場產(chǎn)生爆破大塊的主要原因是相鄰藥包應(yīng)力波疊加作用和巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙的影響。然而，巖體節(jié)理裂隙是采礦場原生固有的，巖體節(jié)理裂隙現(xiàn)場圖如圖1 所示。因此，本文僅對相鄰藥包應(yīng)力波疊加作用的影響進(jìn)行分析研究。

圖1 巖體節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域

為了簡化問題，下文僅針對兩個相鄰平行藥包同時起爆進(jìn)行分析（實(shí)際生產(chǎn)過程中，同排藥包均為同時起爆），且不考慮自由面的影響。

兩藥包周邊巖體受藥包爆破應(yīng)力波影響可劃分為兩類（見圖2）。第一類：在兩藥包連線上的巖體；第二類：不在兩藥包連線上的巖體。下面將分別進(jìn)行應(yīng)力研究分析：

圖2 平行藥包應(yīng)力波疊加作用示意圖

（1）在兩藥包連線的M巖體單元體，A、B藥包爆炸后，兩者所產(chǎn)生的徑向應(yīng)力及切向拉應(yīng)力方向相同。因此，再次連線上的巖體所受到的應(yīng)力均得到加強(qiáng)，有利于巖體破碎；

（2）不在兩藥包連線上P 巖體單元體，由于兩藥包所產(chǎn)生的應(yīng)力方向不同，可能存在相互抵消的作用，形成應(yīng)力降低區(qū)，且在兩藥包垂直中心線區(qū)域最為明顯，現(xiàn)場爆破后也極易在此區(qū)域產(chǎn)生爆破大塊。

2.2 爆破大塊產(chǎn)生部位研究

根據(jù)巖石物理力學(xué)性質(zhì)可知，巖石抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度。當(dāng)巖體處于應(yīng)力降低區(qū)時，拉應(yīng)力是破壞巖石的主要應(yīng)力。因此，兩藥包垂直中心線區(qū)域爆破大塊產(chǎn)生的部位研究可轉(zhuǎn)化為該區(qū)域無拉應(yīng)力區(qū)范圍研究。

由于采礦場中深孔臺階爆破炮孔孔深及裝藥量相同，為簡化計算，將相鄰炮孔內(nèi)部藥柱簡化為相鄰平行藥包。對兩藥包所產(chǎn)生的應(yīng)力波斜交，且交點(diǎn)在兩藥包垂直中心線上的無拉應(yīng)力區(qū)范圍進(jìn)行求解［8-10］，如圖3 所示。

圖3 兩應(yīng)力波斜交示意圖

假設(shè)在藥包A、B 垂直中心線上任意一個單元體受藥包A、B 爆炸應(yīng)力波所形成的徑向應(yīng)力及切向拉應(yīng)力作用，由于A、B 藥包裝藥量及孔深一致，將應(yīng)力簡化為：。并以此進(jìn)行應(yīng)力分析得：

徑向方向合力：

式中：Rr為徑向方向合力；σ r為單元體所受徑向應(yīng)力；σθ為單元體所受切向應(yīng)力，σθ=γσr，其中γ為側(cè)應(yīng)力系數(shù)，為巖石泊松比，通過物理力學(xué)試驗(yàn)測試的采礦場各類巖石泊松比均小于0.5，因此γ＜1；β為藥包連線與單元體和藥包連線的夾角；τ為應(yīng)力分解角度，。

假設(shè)函數(shù)：

對函數(shù)求導(dǎo)以及二次求導(dǎo)可得：

同時，計算可得y(β)函數(shù)零點(diǎn)為β=tan-11/γ，由此可得應(yīng)力分區(qū)為：

綜合分析r 方向和θ方向合力情況可知，兩相鄰?fù)刃再|(zhì)同時起爆的藥包爆破后，在兩藥包連心線的垂直平分線上，由于應(yīng)力波相遇疊加產(chǎn)生了巖石中的無拉應(yīng)力，其區(qū)間為：

因此爆破后，巖體在此區(qū)間范圍內(nèi)極易產(chǎn)生大塊。由于采礦場巖石以千枚巖和英安斑巖為主，因此對兩類巖石進(jìn)行無拉應(yīng)力區(qū)范圍計算（室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)得出千枚巖泊松比0.31，英安斑巖0.37），計算得出：

千枚巖無拉應(yīng)力區(qū)范圍：24.2°≤β≤65.8°

英安斑巖無拉應(yīng)力區(qū)范圍：30.4°≤β≤59.6°

3 深-淺耦合臺階爆破方法

3.1 爆破方法的提出

由2.2 節(jié)分析可知，兩類巖性爆破區(qū)域無拉應(yīng)力區(qū)范圍，同時爆破大塊的產(chǎn)生主要集中在兩炮孔垂直平分線的上部填塞區(qū)域。因此，為降低爆破大塊率，提出在臺階上部兩炮孔間垂直平分線無拉應(yīng)力區(qū)增設(shè)短孔的爆破方法：深-淺耦合臺階爆破方法。增設(shè)短孔區(qū)域示意圖如圖4 所示。

圖4 增設(shè)短孔區(qū)域示意圖

3.2 短孔參數(shù)計算

3.2.1 短孔深度

根據(jù)現(xiàn)場中深孔爆破裝藥情況可知，臺階爆破炮孔正常裝藥后的填塞長度為4.5 m。在保證短孔內(nèi)藥包爆破效率和填塞長度處于安全范圍的前提下，短孔深度取4 m。

3.2.2 短孔布設(shè)參數(shù)

采礦場臺階采用梅花型布孔方式，結(jié)合無拉應(yīng)力區(qū)分布形式，短孔可布設(shè)在兩個中深孔的垂直平分線上的無拉應(yīng)力區(qū)，同時前排的炮孔恰好處于無拉應(yīng)力區(qū)范圍。結(jié)合現(xiàn)場穿孔實(shí)際可操作性，最終確定將短孔布設(shè)在無拉應(yīng)力區(qū)的中深孔等距處。千枚巖區(qū)域和英安斑區(qū)域無拉應(yīng)力區(qū)增設(shè)短孔設(shè)計圖分別如圖5a 和圖5b 所示，現(xiàn)場實(shí)況圖（孔排距按5 m×3.5 m）如圖6 所示。

圖5 各類巖性無拉應(yīng)力區(qū)增設(shè)短孔設(shè)計圖

圖6 增設(shè)短孔現(xiàn)場實(shí)況圖

3.3 爆破效果

根據(jù)2016-2021年爆破大塊產(chǎn)出率變化圖（見圖7）及現(xiàn)場爆破效果對比圖（見圖8）可知，自2018 年底提出深-淺耦合臺階爆破方法并采用后，爆破大塊產(chǎn)出率明顯降低，且爆破效果得到了大幅度改善。

圖7 2016-2021 年爆破大塊產(chǎn)出率變化圖

圖8 深-淺耦合臺階爆破方法實(shí)施前后爆破效果圖

4 經(jīng)濟(jì)及社會效益

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

2019—2021 年采礦場對巖性復(fù)雜上部易產(chǎn)生大塊的區(qū)域采用深-淺耦合臺階爆破方法，穿孔及爆破成本和破碎及鏟裝成本都發(fā)生了變化。

4.1.1 穿孔及爆破增加成本

據(jù)統(tǒng)計，2019—2021 年增設(shè)短孔炮數(shù)共計254面，增設(shè)短孔數(shù)量共計3048 個，穿孔及爆破成本合計增加86.1 萬元（見表1）。其中，根據(jù)增設(shè)短孔所需，增加穿孔米數(shù)計算穿孔增加成本，2019—2021 年增加穿孔成本共計19.0 萬元；爆破成本增加的主要原因是雷管及炸藥消耗有所增加，2019—2021 年增加爆破成本共計67.1 萬元，成本計算方法見表1 所示。

表1 2019—2021 年增設(shè)短孔數(shù)據(jù)及所需增加成本明細(xì)表

4.1.2 破碎及鏟裝節(jié)約成本

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況，綜合分析得出采用深-淺耦合臺階爆破方法后，每一面炮需使用的破碎錘和挖機(jī)鏟裝作業(yè)時間分別平均縮短了2 h，8 h。其中，破碎錘計時單價為370 元/h；挖機(jī)根據(jù)斗容可分為2 m3和4 m3兩種類型，其計時單價分別為370 元/h 和500 元/h。由于實(shí)際生產(chǎn)過程中兩者作業(yè)時間相近，所以將挖機(jī)計時單價取兩者均值435元/h。上述的計時單價均含柴油消耗。由表2 可知，2019—2021 年采用深-淺耦合臺階爆破方法后，破碎及鏟裝成本共節(jié)約107.2 萬元。

表2 破碎及鏟裝節(jié)約成本表

4.1.3 綜合經(jīng)濟(jì)效益

通過計算分析可知，2019-2021 年采用深-淺耦合臺階爆破方法后，剔除穿孔及爆破成本后節(jié)約成本共計21.1 萬元，如圖9 所示。

圖9 2019—2021 年采取深-淺耦合臺階爆破方法后節(jié)約成本條狀圖

4.2 社會效益分析

通過對爆破后的炮堆礦巖塊度進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)，采用深-淺耦合臺階爆破方法可有效降低爆破后的礦巖大塊率，并能產(chǎn)生以下社會效益：

（1）爆破大塊率大幅度降低后，不僅縮減了鏟裝及破碎錘作業(yè)時間，還提升了設(shè)備作業(yè)效率，減少了設(shè)備損耗；

（2）鏟裝運(yùn)輸效率大幅度提升，停車等待裝車時間減少，有效降低了大車油耗；

（3）爆破大塊數(shù)量減少，鏟裝設(shè)備施工人員作業(yè)難度下降，提高了人員的作業(yè)積極性。

5 結(jié)論

銀山礦露天采礦場爆破大塊率高一直是困擾現(xiàn)場生產(chǎn)的一大難題，基于此，技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)的實(shí)際情況，在現(xiàn)有爆破技術(shù)基礎(chǔ)上，深度融合爆破區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造及巖石物理力學(xué)性質(zhì)等爆破質(zhì)量影響因素，提出增設(shè)短孔的臺階爆破方法：深-淺耦合臺階爆破方法，并取得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益：

（1）采取深-淺耦合臺階爆破方法后，爆破后的礦巖大塊率明顯降低，不僅提升了工序間的作業(yè)效率，而且有效降低了設(shè)備的柴油單耗；

（2）采用深-淺耦合臺階爆破方法后，爆破后所形成的礦巖塊度均勻度更高，操作人員作業(yè)難度下降，作業(yè)積極性得到大幅度提升；

（3）在2019-2021 年期間采用深-淺耦合臺階爆破方法后，不僅降低了爆破礦巖大塊率，還節(jié)約各類成本共計21.1 萬元。