銅山口銅礦南部臺階爆破塊度預測與管控

余圣華

(大冶有色金屬有限責任公司銅山口銅礦,湖北 大冶市 435122)

目前,銅山口銅礦啟動南部擴幫作為礦山露天開采接續的重點工程,在開采設計境界內銅金屬資源的同時,開發利用非金屬資源,將剝離的廢石銷往周邊碎石廠或建設工地,提升礦山經濟效益。因客戶購買石料的用途、破碎設備規格等條件不盡相同,而對塊石規格的要求不斷變化。如何根據爆破現場實際情況對爆破塊度進行預測,控制大塊率、塊度級配,降低粉碎率,是提高客戶滿意度的關鍵,同時能最大限度控制爆破成本,提高鏟裝效率。因此,非常有必要對爆破塊度進行預測和管控。

1 爆破塊度預測方法

1.1 爆破塊度預測模型

1960年代至今,世界各國的爆破學者在巖石爆破塊度預測及控制方面做了大量研究工作[1-3],并提出了多種嚴謹的理論模型和實用的經驗模型,典型的有能量理論模型、應力波理論模型、塊度分布函數模型、損傷力學模型4類。由于影響爆破塊度的因素眾多,如爆破巖體特性、地質結構、炸藥性能、孔網參數、微差間隔時間、自由面數量、起爆順序等,概括起來主要有4個方面:礦巖爆破條件、爆破方法、爆破參數、炸藥特性。這些因素使各類基于計算機圖像處理技術、數理統計理論或現代數學算法的塊度預測模型,無法避免理論性的苛刻假設條件限制或局部經驗的片面,且部分模型涉及的未知參數多,測量精度難以控制,計算過程過于復雜,在一定程度上影響其在工程實踐中的應用和推廣。

庫茲拉姆(Kuz-Ram)塊度分布函數模型由南非人坎寧安(Cuningham CVB)于1957年提出,通過庫茲涅佐夫(Kuznetsov)方程和羅森拉姆(Rosin-Rammler)曲線方程,引入反映巖石特征及巖體節理裂隙發育情況對爆破塊度的綜合影響系數,并可結合工程實踐經驗或實驗數據對相關系數進行擬合修正,用于臺階爆破平均塊度尺寸的預測,計算較為簡便,更易應用。

1.2 Kuz-Ram 模型

1.2.1 Kuznetsov方程

Kuznetsov方程主要用于研究理論爆破平均塊度[4-8],其具體數學表達式為:

1.2.2 Rosin-Rammler方程

塊度分布函數Rosin-Rammler方程主要用于描述礦巖爆破塊度特征,其數學表達式為

式中,R為篩上物料比率(大塊率),即大于篩網直徑的塊度質量分數;X為巖塊粒徑,cm;X0為特征塊度,即篩下累積率為63.21%時的塊度尺寸,cm;n為塊度分布均勻性指標,n數值越大,表示爆破塊度越均勻,越小則表示粉礦或大塊率較高。

當R=50% 時,,因此,(－ln0.5)1/n。

1.2.3 塊度分布均勻性指標

式中,W為最小抵抗線,m;d為炮孔直徑,mm;ΔW為孔位的標準誤差,m;m為炮孔密集系數[1],即孔距與排距(或最小抵抗線)之比;L為底板標高以上裝藥高度,m;H為臺階高度,m。

1.3 模型參數修正

為提高預測細粒徑石料比例的準確性,需根據爆破具體條件,對Kuz-Ram 模型中的巖石系數A、爆破平均塊度和塊度分布均勻性指標n進行修正,并根據試驗取得的數據進行復核。

1.3.1 巖石系數A

為了反映爆破巖體特性(包括巖石強度、密度、節理、裂隙等)對爆破平均塊度的影響,Kuz-Ram 模型中規定了幾種巖石系數A的取值,但未能全面客觀地反映不同巖性、不同節理裂隙開度及分布對巖石破碎塊度的影響。

修正巖石系數[9-10]的計算公式如下:

式中,RMD為巖石性能系數,粉狀巖或者易碎巖取10,塊狀結構取50,層狀節理巖取JF值;RDI為密度系數;RD為密度,g/m3;HF為硬度系數;E為楊氏模量,GPa;UCS為單軸抗壓強度,MPa。

式中,JCF為節理面狀況對應的取值,當節理面狀況為緊密時,JCF=1,當節理面狀況為松弛時,JCF=1.5,當節理面狀況為泥層時,JCF=2;JPS為節理面間距對應的取值,當節理面間距小于0.1 m 時,JPS=10,當節理面間距為0.1～0.3 m時,JPS=20,當節理面間距在0.3 m～P之間時,JPS=80,P=(孔距×排距)0.5,m,當節理面間距≥P時,JPS=50;JPA為節理面角對應的取值,當節理面角為水平時,JPA=10,當節理面角為同向時,JPA=20,當節理面角為垂直時,JPA=30,當節理面角為逆向時,JPA=40)。

礦山開采時,人工砂石料允許的最大粒徑不超過1.2 m,塊石料粒徑在1.2 m 以上,所以需要考慮不同開采目的允許最大粒徑Xm存在差異,爆破平均塊度不盡相同,需引入參數Xm對原平均塊度計算公式進行修正。

式中,Xm為允許最大粒徑,m。

1.3.3 塊度分布均勻性指標n

礦山應根據單孔負擔面積和爆破塊度級配要求選擇適當的炮孔密集系數m[11]。對于破碎石料開采,大孔距小排距可提高塊度均勻性指標,塊度更均勻,粉碎或大塊率低。Cuningham C V B 提出n值修正公式。

2 應用實例

2.1 爆破塊度測算

銅山口銅礦露采爆破區以大理巖、灰巖、矽卡巖與花崗閃長斑巖4種巖石為主,巖石節理裂隙發育、硬度較硬、完整性一般,力學參數及巖石性能系數A修正計算如表1所示。巖性系數修正后,節理裂隙發育的中硬巖矽卡巖巖性系數與修正前取值差別不大,其他三種則變化較大。

表1 巖石力學參數及巖性系數A 修正計算

銅山口銅礦露采設計臺階高度為12 m,炮孔超深1.5 m,采用現場混裝乳化炸藥和數碼雷管,連續裝藥結構,逐孔起爆[12]方式。穿孔設備有牙輪鉆和潛孔鉆兩種,孔徑分別為250 mm、150 mm;延米裝藥量分別為65 kg/m、25 kg/m;一般單孔裝藥量Q分別為400 kg、220 kg;單孔爆破巖石體積V0分別為523 m3、276 m3;最低填塞高度分別為5 m、4 m。在炮孔密集系數m=1.0～2.0、炸藥單耗q=0.4～0.96 kg/m3、大塊率R≈5%的限制條件下,利用Kuz-Ram 模型預測爆破塊度,結果見表2。

經對比可知,同一爆破區,炸藥單耗、炮孔密集系數相近時,因孔網參數、裝藥高度不同,模型修正前后均反映出牙輪鉆作業區預測塊度值、大塊率遠大于潛孔鉆穿孔爆破區預測值,與爆破實際相符;模型參數修正后,相同爆破條件下,預測塊度值增大,塊度分布均勻性指標減小,大塊率增加;同時,增大巖石性能系數區別度后,易爆區塊度較小,大塊率低。

在A=11.2、d=150 mm、Q=220 kg時,分別調整炮孔密集系數m、最小抵抗線W時,預測炸藥單耗降低,大塊率上升,如圖1、圖2所示。

圖1 m、q、R 關系

圖2 W、q、R 關系

結合多年礦山爆破實踐經驗,爆破塊度預測模型參數修正后,預測值與爆破實際效果相符,可利用該模型指導爆破參數優化[3]和爆破塊度管控工作。

2.2 爆破塊度管控措施

(1)綜合考慮石料開采成本,應根據巖性選擇合適的穿孔設備。節理裂隙發育的矽卡巖區域首選潛孔鉆穿孔,其他區采用牙輪鉆穿孔,采取分穿分爆措施控制大塊率。

(2)保持單孔裝藥量不變時,因混裝乳化炸藥全耦合裝藥,炮孔線裝藥密度基本穩定,采取分段裝藥,確保最低填塞高度要求。改變炸藥爆破能量分布,提高裝藥高度,使塊度分布更均勻。

(3)炮孔裝藥量最大時,因爆破體破碎理論所需炸藥單耗一定,單孔爆破量越大,在提高炮孔利用率、減少穿孔作業量的同時,可采取寬孔距、小排距的布孔方式。

(4)當開采量大時,因爆破比穿孔、機械二次破碎效率高,必要時可適當提高炸藥單耗,降低大塊率,增大爆堆松散度,提高鏟裝效率。

(5)加強穿孔精度控制。由預測模型可知,當孔位偏差減小時,塊度分布均勻指標增大,炸藥單耗、大塊率降低。

3 結論

(1)對爆破塊度預測Kuz-Ram 模型相關參數進行修正,增加巖石性能系數A區分度,爆破塊度預測模型與爆破實踐經驗相符。

(2)爆破塊度預測結果顯示,針對不同巖性的爆破體,應采取分穿分爆措施,采用分段間隔裝藥,有利于塊度和炸藥單耗控制。

(3)在節理裂隙發育矽卡巖難爆區,炮孔密集系數m為1.0～1.9,潛孔鉆穿孔排距(最小抵抗線)為3.1～3.7 m;其他易爆區采用牙輪鉆穿孔,排距(最小抵抗線)為6.3～7.3 m,爆破塊度均勻效果好。