無底部結構下向中深孔逐孔微差起爆技術研究及應用

李延龍，申燕元

(1.中色非洲礦業有限責任公司； 2.益陽市地質環境監測站)

引 言

中色非洲礦業有限責任公司謙比希銅礦(下稱“謙比希銅礦”)位于贊比亞銅帶省基特韋市謙比希鎮，是中國在境外投資開發的第一座有色金屬礦山。謙比希銅礦主要由主礦區、西礦區和東南礦區3個礦區組成。東南礦區礦體傾角緩、厚度薄、埋深大，上覆巨厚的含水層，且地表有當地主要公路及其他重要的地面設施需要保護，開采難度大[1]。東南礦區設計產能為330萬t/a，為保證產能，謙比希銅礦為東南礦區引進了先進的采礦設備和系統以提高礦山生產效率，降低生產成本，提升安全水平。其中，出礦設計采用無人駕駛自動化出礦系統，保證出礦作業在安全前提下高效完成。由于東南礦區礦體特殊的賦存形態，經研究決定采用以下幾種采礦方法：①分層進路采礦法，礦體厚度6～12 m時，采用此采礦方法。②中深孔充填采礦法，根據礦體厚度的不同，將此方法分為2種：厚度12～20 m，上分層采用進路采礦法，下分層采用下向中深孔采礦法；厚度大于20 m，采用上向中深孔采礦法，在采場底部設計的鑿巖巷內施工上向中深孔，采場頂部設計支護巷，頂板使用錨索和錨網進行支護。③全面采礦法，即房柱采礦法，厚度小于6 m，采用礦房礦柱布置[2]。

上分層進路采礦法、下分層下向中深孔采礦法回采工藝是將同一采場分為兩步驟進行回采，上分層采用雙臂鑿巖臺車進行掘進作業，頂板采用錨網和錨索支護，下分層采用中深孔鑿巖臺車施工下向中深孔。根據設計的采場劃分，上分層一般為9.0 m×5.0 m(寬×高)的斷面，采場頂板為礦體頂板；下分層采場高為礦體厚減去上分層高，寬度與上分層一致，采場底板為礦體底板。上分層采場采用掘進法，采場底板平整度易控制；而下分層采用下向中深孔施工，采場底板平整度難以把控，不平整的底板極大影響了自動化鏟運機出礦效率，且對設備損耗較大，增加出礦成本。為解決上述問題，通過前期不斷探索研究，借鑒露天礦的臺階爆破，決定采用下向中深孔逐孔微差起爆技術,現場應用取得較好的效果。

1 工程概況

東南礦區是謙比希銅礦3大主礦區之一，東西長6 km，南北寬5 km，面積30 km2，礦床類型為大型沉積型銅礦床。礦床具有礦石品位高、礦體分布范圍廣、礦化帶分布規律性強等特點，資源儲量較大。該礦山為新建礦山，是中色非洲礦業有限責任公司大型銅礦原料基地，采用豎井開拓方式，建設規模為330萬t/a。礦體為層控型礦體，與圍巖一并經受褶皺作用，總體走向NW，基本與褶皺構造軸向一致，傾向NE，傾角5°～20°，屬于緩傾斜中厚礦體，平均厚度為9.63 m，礦體沿走向、傾向延伸較穩定。上盤圍巖是以泥質石英巖為主的淺變質巖層，埋深497.15～986.45 m，厚度為13.98～102.50 m，巖石結構致密、完整；下盤圍巖為礫巖和石英巖，埋深576.77～1 022.45 m，厚度為4.27～43.83 m，礫巖由各種圓形至次棱角狀的礫石構成，膠結致密，下盤巖石均堅硬、完整。

東南礦區礦巖質量穩定性分級為：礦化板巖均屬于Ⅲ或Ⅳ級巖體，上盤石英巖和下盤石英巖均屬于Ⅱ級 巖體，基底花崗巖和下盤礫巖均屬于Ⅱ級巖體；同一類型的巖體質量存在一定的差異，是由于同類巖體的賦存條件不同所致[3]。

2 下向中深孔回采工藝

2.1 采場參數

設計采場沿走向布置，采場長80.0 m，寬9.0 m，高為礦體厚度減去上分層回采凈高，采完后的采場上分層為下分層中深孔施工和裝藥的通道，中深孔切割槽區布置在采場端部，采聯為出礦通道，采場無底部結構,具體布置見圖1。

圖1 下向中深孔采場布置示意圖

2.2 采準切割工程

采準切割工程主要包括鑿巖硐室、切割槽、出礦通道。通過在采場兩端布置的穿脈或斜坡道施工采場聯絡道作為出礦通道，采聯長8.0 m，斷面規格(寬×高)為4.5 m×5.0 m，設計采聯坡度控制在12 %以內(包括12 %)，切割槽布置在采場端部，與采聯相通，斷面規格(寬×高)為5.0 m×4.5 m，長為9.0 m。

2.3 鑿巖工藝

采用SANDVIK DL431中深孔鑿巖臺車施工炮孔，在采完后的上分層采場鉆鑿下向平行中深孔，鉆孔直徑為76 mm，炮孔深度為剩余礦體厚度，炮孔排距為1.625 m，孔距為1.825 m，每排布置5個炮孔，根據設備鉆鑿邊幫孔空間要求，邊孔距邊幫0.85 m。所有炮孔在施工時使用孔口管保護孔壁。

2.4 回采順序

在上分層鉆鑿槽孔，首先使用毫秒微差雷管起爆槽井，槽區中間孔爆破補償空間為下部槽區和上分層采場，槽區邊孔的爆破補償空間為中間、下部槽區及上分層，邊孔礦石拋擲方向為中間，槽區爆破后，正常排向槽區進行側崩。自動化鏟運機通過穿脈或斜坡道進入下分層采聯出礦，礦石倒至布置在分段運輸平巷或采準斜坡道旁的采區溜井，然后再通過礦卡或電機車將礦石運至主礦石溜井。

3 自動化出礦需具備條件

根據《中色非洲礦業有限公司謙比希銅礦東南礦區采選工程初步設計說明書》，東南礦區所有生產環節全部圍繞自動化出礦系統進行設計，因此，東南礦區能否順利實現達產，自動化出礦能否成功應用是關鍵，而其中下向中深孔采場中自動化鏟運機出礦要順利進行需具備以下條件：

1)設備配備自動化系統，已于SANDVIK采購。

2)生產區域需具有穩定獨立網絡，目前生產區域大部分已有網絡覆蓋。

3)下向中深孔采場爆破后無根底、大塊少、底板較平整。

其中,條件3)是目前東南礦區亟需研究解決的，這也是本文中提到的爆破技術。

4 下向中深孔逐孔微差起爆技術

4.1 炮孔參數

在下向中深孔爆破過程中借助毫秒微差導爆管雷管，通過合理的微差時間組合，使炮孔由起爆點按順序依次起爆，每個炮孔的起爆都是相對獨立的，前一個炮孔為后一個炮孔創造了一個自由面，相鄰炮孔間的礦巖在移動過程中會發生相互碰撞擠壓，使巖石進一步破碎，從而能夠保證較好的爆破塊度。

1)炮孔直徑及深度。采用SANDVIK DL431中深孔鑿巖臺車鉆孔，鉆孔直徑為76 mm，設計孔口管段孔徑為89 mm，長度為40 cm，孔口管長度60 cm。掏槽區中間布置4個大空孔，直徑為127 mm，孔口部分使用巖渣堵塞。

2)炮孔其他參數。

(1)最小抵抗線。因正常排自由面為垂直面，且炮孔為下向平行中深孔，因此最小抵抗線等于排間距，根據如下經驗公式計算[4-5]：

W=25D

(1)

式中：W為最小抵抗線(m)；D為炮孔直徑(mm)。

經計算：W=1.9 m。

(2)炮孔排間距。根據孔間距a=1.1W，則孔間距為2.1 m；排間距與最小抵抗線一致，為1.9 m。

(3)炮孔深度(hp)及超深(h)。炮孔深度hp=10 m。根據h=0.2W，炮孔超深取0.4 m；為了保證底板平整度，設計時將超深加深至0.8 m。

(4)邊孔及最后一排起爆孔徑向不耦合系數。采用的PVC管直徑為60 mm，因此徑向不耦合系數為1.27。

(5)爆破補償空間。由于槽區和上分層已完全形成，爆破補償空間充足，符合爆破補償空間>30 %的要求。槽區和正常排炮孔設計分別見圖2和圖3。

圖2 槽區炮孔設計示意圖

圖3 正常排炮孔設計示意圖

4.2 裝藥爆破

1)裝藥。裝藥全機械化，采用GETMAN公司的裝藥臺車，炸藥使用AEL公司的混裝乳化炸藥，與敏化劑在現場進行混合。槽區中部與下部采聯穿透的孔裝藥前，孔底先使用制作的孔底填塞器填塞，槽區炮孔采用耦合連續裝藥，槽區孔填塞長度2.0 m。正常排中間炮孔采用連續耦合裝藥；邊孔和最后一排起爆孔采用連續不耦合裝藥，起到保護邊幫、防止后沖破壞其他炮孔的作用，使用直徑小于炮孔直徑的PVC材質管實現不耦合裝藥，PVC管管底封口，不耦合裝藥孔在裝藥時將裝藥管塞入PVC管底，然后放至孔底。正常排填塞長度為2.5 m，所有起爆孔采用孔底起爆。裝藥結構見圖4。

圖4 裝藥結構示意圖

2)爆破器材。孔內使用長延期導爆管雷管，延期時間為500 ms，孔口使用17 ms、25 ms孔間延期和42 ms、65 ms排間延期雷管，主起爆雷管使用數碼雷管，其中某次爆破主要的爆破器材見表1。

表1 主要爆破器材

3)爆破網絡。爆破連線從一端開始按照設計網絡逐次串聯，起爆網絡為起爆電纜-數碼雷管-孔口延期雷管-孔內延期雷管。爆破網絡見圖5。

圖5 爆破網絡示意圖

5 現場應用及效果

東南礦區第一個下向中深孔爆破采場在南采區，采用的爆破方法是逐孔微差起爆技術，由于篇幅限制，本文選取其中一個采場的某一次爆破效果進行說明。

5.1 采場情況

1)裝藥孔設計。東南礦區南采區756-2MU-6號采場中深孔第一次爆破，爆破區域為1P～5P，φ76 mm下向平行中深孔共計25個，總孔深200.1 m，排間距1.8 m，孔間距1.825 m。

2)采場地質。該采場巖石為常見的典型礦化板巖，黑色、灰黑色至淺灰色，隱晶質結構，板狀、層狀、似層狀構造，與上下盤圍巖呈整合接觸，礦體分布較穩定、連續，局部發育少量節理及裂隙，傾向NE70°，傾角15°～25°。上盤圍巖為一套以黃鐵礦化、黃銅礦化板巖及泥質石英巖為主的淺變質巖，與礦體整合接觸，巖石結構致密、堅硬、完整，平均抗壓強度100 MPa，RQD值97 %，巖體質量中等。

下盤圍巖主要為礫巖、石英巖及長石石英巖，其中局部礫巖缺失，礦體直接覆于下盤石英巖之上，巖石結構致密、堅硬、完整，平均抗壓強度90 MPa，RQD值98 %，巖體質量中等。

3)采場支護情況。目前，上分層頂板已全部采用錨網支護，6L采聯頂板采用錨網進行支護。

5.2 爆破方案

1)裝藥結構。使用現場混裝炸藥。采用連續耦合裝藥方式，裝藥孔25個。底部裝1發雷管和起爆彈，孔口填塞長度2.5 m，透孔孔底填塞長度0.5 m。裝藥結構見圖6。

圖6 現場爆破試驗裝藥結構示意圖

2)起爆方式。采用逐孔微差起爆技術，AEL高精度導爆管雷管，孔內500 ms同段雷管，孔外、孔間采用17 ms和25 ms雷管延遲，排間采用42 ms和65 ms雷管延時。爆破網絡連接見圖7。

圖7 爆破網絡連接示意圖

3)起爆順序：以采空區為自由面和補償空間，補償系數大于30 %，滿足本次爆破自由空間需求，首爆孔為1-2號孔。

4)爆破參數及主要技術經濟指標。經統計,爆破參數和主要技術經濟指標分別見表2和表3。

表2 爆破參數

表3 主要技術經濟指標

5.3 爆破效果

東南礦區自動化鏟運機設計出礦效率1 200 t/臺班，該采場采用自動化鏟運機出礦，共2個班出完，具體出礦情況統計見表4。

表4 自動化出礦情況統計

由表4可知，東南礦區自動化出礦效率與設計目標值還有差距，其主要原因有以下幾點：

1)設計出礦效率是基于交接班出礦作業不停止的情況下得出的，而東南礦區剛開始使用自動化系統，很多條件不完善，暫時達不到設計出礦效率。

2)由于剛開始運行自動化系統，系統與設備和生產組織都在磨合期。

3)現場存在交叉作業，沒有完全實現區域性自動化出礦。

雖然實際使用總出礦效率未達到設計目標值，但是每小時作業量100 t，即平均為10鏟，已經較接近設計目標每小時出礦效率，能順利完成自動化出礦，除了網絡、設備的保證，最主要且最關鍵的是爆破效率，如大塊率、底板平整程度。從現場爆破后的效果看，大塊較少，平均為1 %～2 %，出礦完成后對底板進行了跟蹤，底板、爆破面及兩幫均較平整，具體情況見圖8。

5.4 技術優勢

根據現場應用效果，采用逐孔微差起爆技術進行作業，具有以下幾方面的優勢：

1)預控頂下向鑿巖逐孔起爆工藝能夠預先有效支護礦房頂板，保證了礦房內作業人員安全，減少了事故發生概率，同時大幅提高了礦房產能，提高了采礦效率。

2)爆破連線只采用4～5個不同段別的孔口延期雷管按逐孔起爆網絡連接方式串聯，裝藥連線作業簡單易操作，不易出錯。

3)采用逐孔微差起爆技術，單響藥量一般為1～2個裝藥孔的藥量，可減小爆破振動帶來的地壓活動，對采場邊幫和頂板擾動減弱，同時減少因此帶來的地壓活動，尤其是地表有居民的地下礦山。

4)逐孔微差起爆技術由于礦巖間碰撞次數增加，進而可改善爆破塊度，降低大塊率，減少二次爆破次數，降低炸藥消耗，從而降低爆破成本。

5)預控頂中深孔逐孔微差起爆工藝減少在采空區作業時間，爆破后采場爆破面、兩幫及底板較平整，有利于自動化設備充分發揮其出礦效率，提高生產效率和礦山綜合效益。

6 結 論

1)逐孔微差起爆后效果明顯，與普通排間微差爆破相比，實施逐孔微差起爆時，先爆炮孔為后爆炮孔創造更多的自由面，爆破應力波反射充分，從而充分利用炸藥能量的疊加作用，炸藥用量最經濟、合理，產生的爆破振動也最小。

2)預控頂下向鑿巖逐孔微差起爆工藝減少了爆破振動對采場邊幫的影響，提高出礦過程的安全性，且改善爆破塊度，降低大塊率，降低炸藥消耗的同時提高鏟運機出礦效率，最主要是解決了采場爆破后底板不平整的難題，保證鏟運機連續作業，降低設備損耗，保證了鏟運機在出礦過程中的安全性、連續性和高效性，滿足東南礦區自動化出礦的生產需求，因此，可應用于礦山正常生產。

3)通過現場應用可發現，逐孔微差起爆后采場爆破面、兩幫較平整，底板基本無根底，底板也較平整，有助于自動化設備充分發揮其出礦效率，為實現礦山達產目標打下基礎。