基于地下礦中深孔爆破參數(shù)相關(guān)性研究的爆破優(yōu)化設(shè)計*

汪洋，范才兵，李角群，盧皎旭，傅信凱，程相琛

(1.中鋼集團山東富全礦業(yè)有限公司，山東 濟寧市 272500；2.中鋼礦業(yè)開發(fā)有限公司，北京 100080；3.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安 710015)

0 引言

中深孔爆破是無底柱分段崩落法回采中最重要的一個環(huán)節(jié)，爆破效果是否理想直接影響生產(chǎn)作業(yè)效率和企業(yè)經(jīng)濟效益，而一個合格的爆破設(shè)計則是礦石爆破質(zhì)量的技術(shù)保證。與此同時，影響中深孔爆破的因素有很多，諸如炮孔直徑、炸藥單耗、排孔裝藥量、最小抵抗線和裝藥長度等。針對地下礦中深孔爆破設(shè)計，前人做了大量的研究。其一是基于特定礦巖條件下的特定爆破參數(shù)優(yōu)化，主要表現(xiàn)為在其他條件不變的前提下改變一種或多種影響因素，如馬俊杰等[1]基于爆破漏斗理論對采場爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得出采場的合理爆破參數(shù)、孔間距和排距；陳學(xué)松等[2]通過改變孔網(wǎng)參數(shù)控制爆破塊度，在選擇合理的孔網(wǎng)參數(shù)條件下進(jìn)行間隔裝藥爆破試驗，從而達(dá)到控制爆破塊度及成本的目的。其二是針對爆破及其布孔優(yōu)化設(shè)計，主要是基于AutoCAD 平臺的二次開發(fā)利用，完成地下礦中深孔爆破的自動化設(shè)計，如郭進(jìn)平等[3]采用三維實體模型切割方法，完成了上下分層相關(guān)巷道的斷面切割，從而確定爆破邊界范圍，利用最短路徑原理自動完成在孔底距約束范圍內(nèi)的中深孔布孔優(yōu)化設(shè)計。劉益超等[4]基于雙排起爆的條件下，利用最短路徑算法將中深孔炮孔的長度約束在合理區(qū)間，使得中深孔爆破設(shè)計炮孔總長度最小、成本最低，同時借助AutoCAD 的二次開發(fā)平臺，實現(xiàn)中深孔爆破設(shè)計的自動化，大大提高爆破效果。綜上，盡管前人對中深孔爆破設(shè)計的優(yōu)化有很多，但從中深孔爆破參數(shù)本身出發(fā)，探究爆破參數(shù)自身關(guān)系以及如何影響中深孔爆破設(shè)計的研究并不多見。因此，厘清爆破參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，從而探究他們之間如何相互影響，又是如何影響中深孔爆破效果，對于地下礦中深孔爆破設(shè)計顯得非常必要。

1 中深孔爆破設(shè)計中的爆破參數(shù)

1.1 炮孔直徑

炮孔直徑d與礦山采用的鑿巖設(shè)備、炸藥威力及礦巖性質(zhì)等有關(guān)。在礦山初步設(shè)計中一般會根據(jù)礦山規(guī)模、礦巖性質(zhì)及采礦方法等給出鉆孔設(shè)備的型號與數(shù)量[5-7]。炮孔直徑d直接影響單位長度炮孔裝藥量，同時也與每米炮孔崩落量成正比，與最小抵抗線有著密切的關(guān)系。

1.2 炸藥單耗與排孔裝藥總量

（1）炸藥單耗q。在施工過程中，炸藥單耗q可以根據(jù)爆破漏斗試驗確定[5]，但是當(dāng)實際爆破環(huán)境無法進(jìn)行漏斗試驗時，如在開采緩傾斜極薄破碎礦體過程中，就無法在采場工作面實施漏斗試驗，因此，也可以根據(jù)實際工程爆破經(jīng)驗，參考類似礦山實際指標(biāo)確定炸藥單耗q，還可根據(jù)巖石堅固性系數(shù)f確定炸藥單耗（見表1）。

表1 類似礦山炸藥單耗

（2）排孔裝藥總量Q。根據(jù)炸藥單耗以及爆破礦巖量，可以計算出排孔裝藥總量Q。

式中，q為炸藥單耗，kg/m3；W為最小抵抗線，m；S為扇形孔所負(fù)擔(dān)爆破面積，m2。

1.3 最小抵抗線和孔間距與密集系數(shù)

（1）最小抵抗線W。

最小抵抗線W是指炮孔排面與平行自由面之間的垂直距離，也就是爆破排距。由炸藥的破碎強度、炮眼直徑、巖石特性以及補償空間等因素所共同決定。最小抵抗線的選取一般有以下幾種方法。

公式計算法。該方法在確定爆破參數(shù)上具有快速、方便、準(zhǔn)確的特點，因此，在礦山爆破設(shè)計中應(yīng)用最為廣泛。

式中，d為孔徑，m；ρ為裝藥密度，g/cm3；η為裝藥系數(shù)，0.7～0.8；m為深孔密集系數(shù)，平行孔取0.8～1.2，扇形孔取平均數(shù)。

比值法。根據(jù)以往工程施工經(jīng)驗，最小抵抗線W與炮孔直徑d的比值系數(shù)一般與巖石堅固性系數(shù)有關(guān)，其對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 最小抵抗線和炮孔直徑比值關(guān)系

類比法。通過其他類似礦山施工數(shù)據(jù)來確定相關(guān)爆破參數(shù)，最小抵抗線W與炮孔直徑d的對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 最小抵抗線與炮孔直徑關(guān)系

（2）孔間距a。孔間距由孔口距和孔底距兩種形式表示。對于地下礦山扇形中深孔來說，孔口距是調(diào)節(jié)孔口裝藥密集度的指標(biāo)，在炮孔布置設(shè)計中沒有實際意義，不是設(shè)計控制指標(biāo)，主要使用孔底距的大小表示孔間距[5-7]?？椎拙嗾{(diào)節(jié)排內(nèi)網(wǎng)孔密度，由最大孔底距與最小孔底距共同約束，相鄰炮孔的孔底距不宜過大或過小，應(yīng)確保其在某個合理的區(qū)間范圍[3-4]。

（3）炮孔密集系數(shù)m。炮孔密集系數(shù)是由孔口密集系數(shù)和孔底密集系數(shù)表示，其值等于孔間距a除以最小抵抗線W，需要注意的是，當(dāng)布孔方式為扇形時，炮孔的孔底密集系數(shù)取值可適當(dāng)增大到1.5～2.0。公式如（3）所示：

1.4 裝藥長度和填塞長度與炮孔長度

（1）裝藥長度Lz。扇形孔裝藥長度取值一般計算公式如式（4）所示：

式中，q1為線裝藥密度，kg/m。

（2）填塞長度Ls。扇形炮孔的填塞長度Ls一般小于最小抵抗線W，取值在最小抵抗線的2/5～4/5 范圍內(nèi)，也可以取裝藥長度的15%～20%，為了防止孔口密集系數(shù)不滿足設(shè)計要求，相鄰的炮孔會使用不相同的填塞長度。

（3）炮孔長度Lp。炮孔長度要大于或等于裝藥長度與填塞長度的總和，且在一般設(shè)計過程中，炮孔長度要滿足二者的長度要求。另外，考慮設(shè)計、施工等因素影響，有必要按比例系數(shù)適當(dāng)放大炮孔長度，比例系數(shù)一般取1.05～1.06。

1.5 起始炮孔角度與終止炮孔角度

起始炮孔角度α與終止炮孔角度β主要取決于是否有利于放礦作業(yè)。角度越大，爆破面積變小，崩礦量減少；反之角度如果太小就會導(dǎo)致礦石無法自溜運動，從而影響放礦效果。采用無底柱分段崩落法的地下礦山，中深孔扇形爆破兩側(cè)的邊孔角一般取55°。

2 中深孔爆破設(shè)計的爆破參數(shù)分析

通過上述分析可知，爆破參數(shù)中有些參數(shù)是相對固定不變的，而有些參數(shù)是呈線性變化的，還有些參數(shù)是呈階梯式變化的，且彼此之間存在著必然的聯(lián)系。下面就地下礦中深孔爆破參數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行綜合分析，以便為中深孔爆破設(shè)計提供有力支撐。

2.1 相對不變參數(shù)

分析可知，炮孔直徑d、炸藥單耗q、起始炮孔角度α與終止炮孔角度β，這幾個因素是相對固定的。原因是炮孔直徑d與鉆孔設(shè)備有關(guān)，炸藥單耗q與礦巖性質(zhì)有關(guān)，起始炮孔角度α與終止炮孔角度β與采場參數(shù)及放礦有關(guān)，這些影響因素是相對不變的。四者之間沒有直接關(guān)系。

2.2 線性變化參數(shù)與階梯式變化參數(shù)

（1）呈線性變化參數(shù)。最小抵抗線W、孔間距a、炮孔密集系數(shù)m、排孔裝藥總量Q，這4 個因素都是在一個區(qū)間內(nèi)呈線性變化的。首先，從最小抵抗線類比法取值可以看出，當(dāng)炮孔直徑一定時，最小抵抗線在某個區(qū)間呈線性變化。在實際工程爆破中，最小抵抗線就是炮孔排距，在一定區(qū)間內(nèi)變化，絕不會有較大的突變。其次，從式（3）可以看出，a與W也呈線性關(guān)系，因此，孔底距也應(yīng)是線性變化。最后，從式（1）可以看出，炸藥單耗q和扇形孔所負(fù)擔(dān)爆破面積S是相對不變的，排孔裝藥總量Q僅隨最小抵抗線W呈線性變化。綜上所述，這四個參數(shù)彼此之間存在著直接關(guān)系。

（2）呈階梯式變化參數(shù)。炮孔總長度呈臺階式變化，其原因是布置設(shè)計炮孔時，隨著最大孔底距的縮小，炮孔數(shù)量會突增一個，隨著最大孔底距的放大，炮孔數(shù)量會突減一個。裝藥長度Lz、填塞長度Ls與炮孔長度Lp存在相關(guān)性，也會出現(xiàn)階梯式變化。

3 工程實例

金山店鐵礦目前采用無底柱分段崩落法開采，年產(chǎn)300 萬t，其位于湖北省大冶市，距市中心約16 km，距黃石市區(qū)30 km，面積約2.54 km2。礦體主要由塊狀及侵染狀、粉狀、角礫狀4 種礦石組成。

針對金山店鐵礦的礦巖特性、設(shè)備及工程現(xiàn)狀等進(jìn)行了相關(guān)研究，前期提出了大間距結(jié)構(gòu)參數(shù)的無底柱分段崩落回采方案，并經(jīng)過多年實踐。回采方案的主要參數(shù)取值有分段高度×進(jìn)路間距為14（15）m×16 m 兩種方案；雙排炮孔起爆，采用小抵抗線、大孔底距，前后排炮孔交錯布置，且后排炮孔邊孔角度大于前排炮孔；最佳抵抗線取值為1.7 m，與結(jié)構(gòu)參數(shù)相適應(yīng)的最佳崩礦步距為3.4 m（不得小于3 m）；不同礦石類別的炸藥單耗及礦石比重見表4。

表4 不同礦石類別炸藥單耗取值

金山店鐵礦已生產(chǎn)多年，進(jìn)行了大量理論與現(xiàn)場實驗研究，也取得了相對合理的大間距結(jié)構(gòu)及相關(guān)爆破參數(shù)，但由于礦體4 種礦石組成特性的差異性，中深孔爆破布孔設(shè)計的精度和效率偏低，爆破效果時常不能達(dá)到預(yù)期要求。因此，對目前中深孔爆破進(jìn)行優(yōu)化非常必要。

中深孔爆破目標(biāo)是有效崩落爆破范圍內(nèi)的礦巖。由于崩落礦巖的爆破面積與炸藥單耗固定，裝藥總量也成為固定值。中深孔爆破設(shè)計首先是計算出裝藥總量，以及合理炮孔長度的上限與下限。然后調(diào)整孔底距，優(yōu)化炮孔布孔設(shè)計，獲得炮孔長度。最后比較炮孔長度是否在合理范圍內(nèi)，是則退出，否則重新調(diào)整孔底距，優(yōu)化炮孔布孔設(shè)計，獲得炮孔長度。優(yōu)化后的金山店中深孔爆破設(shè)計如圖1 所示。

圖1 金山店無底柱分段崩落法中深孔爆破設(shè)計

4 結(jié)論

（1）通過對最小抵抗線W、孔間距a、炮孔密集系數(shù)m、排孔裝藥總量Q等進(jìn)行研究，表明炸藥單耗q和扇形孔所負(fù)擔(dān)爆破面積S是相對不變的，排孔裝藥總量Q僅隨最小抵抗線W呈線性變化，結(jié)果表明這4 個因素都是在一個區(qū)間內(nèi)呈線性變化。

（2）研究發(fā)現(xiàn)在炮孔布置設(shè)計時，隨著最大孔底距的縮小，炮孔數(shù)量會突增一個，隨著最大孔底距的放大，炮孔數(shù)量會突減一個。裝藥長度Lz、填塞長度Ls與炮孔長度Lp存在相關(guān)性，結(jié)果表明炮孔總長度Lp是呈臺階式變化的。

（3）探究地下礦中深孔爆破參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，有助于進(jìn)一步提高爆破設(shè)計效率和爆破質(zhì)量。