深部急傾斜薄礦體中深孔爆破夾制力量化分析

摘要：在深部急傾斜薄礦體中深孔爆破過程中，由于圍巖的夾制力作用，在生產實踐過程中往往存在“爆不開”或“爆太開”的情況，從而導致采礦損失貧化大等問題。針對某礦山的開采技術條件，基于PFC 2D數值模擬軟件對深部急傾斜中深孔爆破過程進行數值模擬，量化分析深部急傾斜薄礦體中深孔爆破過程中有無圍巖夾制力對爆破效果的影響，確定炮孔直徑為65 mm，排距（抵抗線）為1.6 m。現場應用表明：爆破后效果良好，大塊率較低，礦石貧化率為15 %，采礦損失率為5 %，炸藥單耗為0.6 kg/t，數值模擬結果與現場爆破效果相近，相應的爆破參數可指導現場生產。

關鍵詞：深部開采；中深孔落礦；中深孔爆破；急傾斜薄礦體；數值模擬；高夾制力

中圖分類號：TD235""""""""""文章編號：1001-1277（2024）08-0052-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240807

引"言

急傾斜薄礦體是金、銀等貴金屬礦床常見的賦存形態［1-4］。在開采這類礦體過程中，常采用淺孔留礦采礦法［5］、脈內上向水平分層充填采礦法［6］、干式充填采礦法［7］等“勞動密集型”的傳統淺孔采礦工藝，采場作業環境差、工人直接在采場頂板下施工，采礦損失貧化大、生產能力低等問題突出。而在國外類似礦床的開采過程中，以中深孔連續干式充填采礦法、分段空場嗣后充填采礦法等中深孔機械化開采工藝為主［8］，工人在有支護的巷道中作業，生產能力大、安全程度高，能夠切實達到深部急傾斜薄礦體規模化安全高效開采目標。目前，一些礦山在自動化、機械化、信息化、智能化改造過程中，也逐漸開始摒棄傳統淺孔開采工藝，積極探索以中深孔開采工藝為主的機械化開采方案［8］。但是，與厚大礦體中深孔爆破過程不同，深部急傾斜薄礦體在爆破過程中，由于圍巖的夾制力作用［9］，鑿巖爆破參數缺乏相關理論依據指導，在生產實踐過程中往往存在采礦損失貧化大等問題［10-12］。本文基于數值模擬技術，量化分析深部急傾斜薄礦體中深孔爆破過程中有無圍巖夾制力對爆破效果影響，以期為深部礦體安全高效開采提供技術支撐。

1"工程背景

1.1"地質概況

某礦山礦床成因為蝕變型巖金礦床，巖性為絹云石英片巖，礦石類型主要為黃鐵礦化石英脈和黃鐵礦化蝕變類型，礦體平均厚度2.12 m，傾角近直立，品位3.12 g/t，屬急傾斜薄礦體。巖體質量中等，礦巖結構面發育。

1.2"采礦工藝

該礦山原采用無底柱淺孔留礦采礦法和脈內上向水平分層充填采礦法進行開采，由于原工藝存在生產能力小、貧損指標大、安全程度差等問題，經技術改造后，部分采場改為上行式中深孔分段充填連續采礦法，如圖1所示，采場沿走向布置，分礦房、礦柱兩步驟回采，不留頂、間柱連續回采，由下至上分段回采，每個分段內后退式回采，采用平行中深孔落礦工藝，炮孔直徑65 mm，通過裝藥器吹入散裝乳化炸藥，數碼雷管起爆，遙控鏟運機出礦，每分段采空區出礦結束后立即充填并轉入上一分段回采。

2"中深孔爆破數值模擬

2.1"炸藥破巖過程

根據其他礦山實際開采經驗，中深孔爆破生產能力大，作業安全程度高，便于機械化施工，有利于降低工人勞動強度。然而，在深部急傾斜薄礦體中深孔爆破應用過程中，由于礦脈厚度小，往往受到較大的圍巖夾制力影響，加之周圍巖體節理裂隙發育，一旦爆破參數應用不當，經常會出現“爆不下來”或“爆得太開”等問題［13］，從而造成采礦損失貧化加大的后果，如圖2所示［14］。為探究和表征深部急傾斜薄礦體中深孔爆破時的夾制力，采用PFC 2D數值模擬軟件對深部急傾斜中深孔爆破過程進行分析。

結合大量工程實際和理論研究結果，巖體在爆破過程中可簡化為2個階段［15］：第1個階段為炸藥爆炸后產生應力加載速率極高的應力波動壓作用階段;第2個階段為炸藥爆炸過程中化學反應附帶產生的爆生氣體準靜壓作用階段。巖體爆破裂紋的數量和特征與其應力加載率緊密相關。第1個階段發生過程中，炸藥爆炸后產生沖擊波的作用時間僅為零點幾毫秒，應力加載率大，促使巖體產生較多的徑向裂紋，但裂紋延展長度短。第2個階段發生過程中，爆生氣體的作用時間則達到了幾十甚至上百毫秒，應力加載率降低，產生的裂紋少，但在爆生氣體作用下不斷推動第1個階段中產生的裂紋向遠端延展，從而擴大了裂隙長度。根據這一顯著特征將巖體爆破過程簡化為2個發生段，如圖3所示。

2024年第8期/第45卷""礦業工程礦業工程""黃"金

2.2"數值模擬模型建立

本次模擬過程中，建立模型如下：礦體厚度設置為2 m，無限區域圍巖寬度取礦體的2倍，設置為4 m，礦體長度取6 m，自由面暴露長度取1 m，整個模型長度約10 m，寬度7 m，如圖4所示。

2.3"基于宏觀參數的細觀巖體力學參數標定

PFC 2D是一種基于粒子運算的離散元數值模型，模型中用于定義顆粒之間的細觀力學行為與宏觀力學行為具有一定差別，因此在由室內試驗得到巖體的宏觀參數后，還應不斷調整和標定顆粒間的細觀參數，從而得到與巖體宏觀力學參數對象匹配的細觀參數。

通過標定，采用平行黏結模型，并得到巖體宏觀力學參數與細觀力學參數，結果如表1和表2所示。

在PFC 2D程序中采用半徑擴大法生成的計算模型如圖5所示。模型粒徑為0.005～0.007 5 m，粒徑比為1.5，平均粒徑為0.006 25 m，共生成顆粒約50 359個。

3"圍巖夾制力及其量化分析

構建數值模擬模型探求夾制力對回采爆破的影響（如圖6所示）。通過設置自由面出露長度來進行夾制力的設置，無夾制力時，自由面出露長度為0 m，即自由面完全暴露；有夾制力時，自由面內陷1 m，以還原深部急傾斜薄礦體爆破過程中的圍巖夾制力。炮孔采用雙孔爆破形式，根據經驗公式，一般最小抵抗線為炮孔直徑的25～30倍，因此，取最小抵抗線為1.6 m，炮孔距離礦體邊界0.2 m。

3.1"無夾制力時中深孔爆破結果

無夾制力情況下，雙孔起爆時，底部沿炮孔連線率先撕裂形成漏斗底，且各炮孔形成的爆破漏斗接近標準爆破漏斗形成的45°角邊界線，邊界線順利通過圍巖節理裂隙，并在疊加作用下形成碗狀漏斗形態（如圖7所示）。

3.2"有夾制力時中深孔爆破結果

有夾制力情況下，雙孔起爆時，底部沿炮孔連線率先撕裂形成漏斗底，但各炮孔形成的爆破漏斗由于夾制力作用，形成漏斗邊界線小于標準爆破漏斗的45°，邊界線在圍巖節理裂隙時受到阻滯，不能順利貫通（如圖8所示）。兩炮孔雖在疊加作用下形成碗狀漏斗形態，但在圍巖夾制力影響下，漏斗體積明顯小于無夾制力情況，并在局部形成懸壁礦，造成一定礦石損失，且存在一定安全風險。

3.3"圍巖夾制力量化分析

為進一步量化深部急傾斜薄礦體夾制力的影響，評估夾制力對爆破效果的影響，通過爆破超挖、欠挖程度及裂紋密度等可量化的指標對中深孔爆破效果進行定量分析［14］。

爆破超挖與欠挖定義為：空腔（未爆破的區域）超過礦體邊界區域即為超挖，空腔小于礦體邊界區域即為欠挖，計算公式為：

A=Sover/S0（超挖）"Sunder/S0（欠挖） （1）

式中：Sover為超挖面積（m2）；Sunder為欠挖面積（m2）；S0為設計爆破面積（m2）。

有無夾制力超欠挖對比如圖9所示，由此可計算得到無夾制力時：Sover=3.95 m2，S0=9.29 m2，Sunder=0 m2，礦石貧化率為42.5 %，采礦損失率為0；有夾制力時，Sover=0.63 m2，S0=4.31 m2，Sunder=0.11 m2，礦石貧化率為14.6 %，采礦損失率為2.6 %。

其中有無夾制力對爆破效果的影響可根據爆破面積來進行衡量，無夾制力時，爆破面積為9.29 m2；有夾制力時，爆破面積僅為4.31 m2，面積減少輻度較大，由此可見薄礦體爆破時的夾制力之大。

定義裂紋密度為回采區域單位面積內的裂紋數量，該指標可直觀反映爆破后礦巖塊度的粒徑特征與爆破能量的集中程度。無夾制力時，裂紋密度為703條/m2；有夾制力時，裂紋密度為1 422條/m2。

由此可見，有夾制力時，由于圍巖（近似為無限平面）的彈性波吸能作用，爆破能量傾向于向自由面（阻力最小的方向）進行反射，從而撕裂巖石，因此導致爆破空腔減小，裂紋相對集中，爆破能量更為集中。

4"現場應用效果

結合數值模擬爆破結果，由于圍巖的夾制力導致爆破能量更為集中，因此為確保爆破效果，應將炮孔布置在近礦體邊界處，最終根據現場情況將炮孔布置在礦體邊界100 mm處，并采用相應的爆破參數進行現場試驗，試驗效果如圖10所示。由圖10可知：爆破后效果良好，炸藥能量分布合理，大塊率較低，無需進行二次破碎，便于鏟運機倒運礦石。經統計，礦石貧化率為15 %，采礦損失率為5 %，炸藥單耗為0.6 kg/t，現場應用效果與數值模擬效果相符合，證明數值模擬結果可信。

5"結"論

本文通過對深部急傾斜薄礦體中深孔爆破過程進行數值模擬，真實還原了中深孔爆破過程中圍巖夾制力對爆破效果的影響，并取得了如下結論：

1）針對該礦山的開采技術條件，通過經驗方法初步確定的中深孔爆破孔網參數是可行的，因此炮孔直徑可確定為65 mm，排距（抵抗線）為1.6 m。

2）為量化深部急傾斜薄礦體中深孔爆破過程中圍巖的夾制力作用，根據超挖、欠挖面積和裂紋密度，提出了相應的量化指標。

3）有夾制力時，由于爆破空腔減小，裂紋相對集中，爆破能量更為集中，導致炮孔周圍碎屑化嚴重，因此在深部急傾斜薄礦體中深孔爆破現場應用時，應將炮孔布置在近礦體邊界處方能取得較好爆破效果。

4）根據現場爆破效果，采用上述爆破孔網參數能夠取得較好效果，相關研究成果可為其他礦山提供借鑒和設計經驗。

［參 考 文 獻］

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Quantitative analysis of compression force in medium long-hole blasting

in deep steeply inclined thin ore bodies

Zhang Xiaorui1，2，Jia Zhiwei3，An Long4

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.;

2.Key Laboratory of Ground Control Management Plan in Deep Metal Mines，National Mine Safety Administration;

3.China National Gold Group Co.，Ltd.;

4.Key Laboratory of Ministry of Education for Safe Mining of Deep Metal Mines，Northeastern University）

Abstract：During the medium long-hole blasting process in deep steeply inclined thin ore bodies，the surrounding rock，s compression force often causes issues such as \"inadequate blasting\" or \"excessive blasting\" during production practice.This leads to significant mining losses and ore dilution.Based on the mining technical conditions of a specific mine and using PFC 2D numerical simulation software to numerically simulate the medium long-hole blasting process in deep steeply inclined thin ore bodies，a quantitative analysis was performed on the impact of surrounding rock compression force on blasting effects in deep steeply inclined thin ore bodies.It was determined that the borehole diameter should be 65 mm and the blast spacing （resistance line） should be 1.6 m.Field applications showed that the blasting results were satisfactory with a low block rate，an ore dilution rate of 15 %，a mining loss rate of 5 %，and an explosive consumption of 0.6 kg/t.The numerical simulation results were consistent with field blasting effects，and the corresponding blasting parameters can guide on-site production.

Keywords：deep mining;medium long-hole caving;medium long-hole blasting;steeply inclined thin ore body;numerical simulation;high compression force