蒙庫露天鐵礦爆破漏斗試驗及其應用研究

肖勝祥，陳清運，羅學東，鐘 健

(1.新疆和合礦業有限責任公司，新疆 和靜 813200；2.武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430074；3 中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

近年來，建立在利文斯頓爆破漏斗理論基礎上的現場爆破漏斗試驗技術，在礦山爆破設計中得到廣泛的應用，如，選擇與礦巖匹配的炸藥、核定炸藥單耗、評判礦巖可爆性、確定爆破參數等[1-3].新疆富蘊蒙庫露天鐵礦，礦巖條件比較復雜，為了確定合理的靠幫控制爆破參數和生產爆破參數，減少爆破對邊坡巖體的損傷和破壞，降低爆破成本，改善爆破質量，從而開展了爆破漏斗試驗研究.

1 工程地質概況

蒙庫鐵礦是目前新疆地區最大的露天礦，隸屬于寶鋼集團新疆八一鋼鐵公司，為其主要礦石原料基地之一.礦床東西長3 400 m，寬650 m，面積約2.0 km2. 1#礦體是最主要的工業礦體，走向長度1 560 m，最大厚度103.18 m，一般15～40 m，平均41.26 m，其儲量占蒙庫鐵礦床西段儲量的76.86%. 6-1#礦體走向長度763 m，厚度最大35.53 m，一般5～10 m，平均12.99 m.鐵礦石力學強度高、堅硬抗風化能力較強.

依據現場工程地質調查結果，將蒙庫露天鐵礦分為Ⅰ～Ⅶ采區，Ⅰ采區為北幫，Ⅶ采區為東幫，臺階高度10 m.Ⅰ采區(北區)巖性主要為變粒巖、層理狀變粒巖、條帶狀角閃變粒巖及其互層.產狀175°～210°∠85°，主要發育兩組節理，產狀分別為300°∠39°、55°∠75°.該區巖體結構為塊狀～碎裂狀，整體上分布均勻.局部有軟弱夾層、地下水浸染軟弱帶、構造破碎帶，夾層中有膨脹性礦物質.Ⅶ采區(東區)表層風化較嚴重，巖體較破碎；但在風化層以下，巖體較完整，巖體質量較好.巖性主要為角閃變粒巖、條帶狀角閃變粒巖和部分磁鐵礦.

2 爆破漏斗試驗理論依據

利文斯頓爆破漏斗理論表明，與最大巖石破碎量有關的最佳藥包埋深可依公式(1)確定.

(1)

式(1)中：Li為最佳埋深，m；Δj為最佳深度比，Δj=Lj/Le，Le指臨界埋深，m；Eb為彈性變形系數；Qj為最佳藥量，kg.

利文斯頓彈性應變方程表明，在同一礦巖體中采用同一種炸藥爆破時，小型爆破漏斗試驗和大直徑深孔爆破(單孔)兩者的爆破漏斗參數滿足公式(2).

(2)

式(2)中：Q0、Q1為小型爆破漏斗試驗和大直徑深孔爆破時所用的藥包重量，kg；L0、L1為小型爆破漏斗試驗藥和大直徑深孔爆破時的最佳埋深，m；r0、r1為小型爆破漏斗試驗和大直徑深孔爆破時最佳漏斗半徑，m；V0、V1為小型爆破漏斗試驗和大直徑深孔爆破時的爆破漏斗體積，m3.

爆破體積與裝藥量成正比關系，在柱狀連續均勻裝藥時，非耦合與耦合裝藥時爆破抵抗線與單位長度炮孔裝藥量滿足公式(3).

W1/W2=(q1/q2)1/3

(3)

式(3)中：W1、W2為非耦合與耦合裝藥時的爆破抵抗線，m；q1、q2為非耦合與耦合裝藥時單位長度炮孔裝藥量，kg/m.

依據上述理論，試驗研究是通過單孔爆破漏斗試驗，繪出爆破漏斗的特征曲線，求得試驗條件下的臨界埋深、最佳爆破漏斗深度、應變能系數、炸藥單耗等參數；之后，以最佳爆破漏斗深度為裝藥深度，進行變孔距多孔同段爆破漏斗試驗，以確定深孔爆破的孔間距；最后，采用連續柱狀炸藥斜面臺階爆破試驗方法，確定深孔爆破的最大抵抗線.

3 爆破漏斗試驗

3.1 集中藥包爆破漏斗試驗

3.1.1 試驗方案 集中藥包爆破漏斗試驗地點選擇在7#采區采礦臺階和1#采區剝離臺階上.為使各炮孔爆破后形成的漏斗互不干擾，根據經驗相鄰炮孔間距宜大于2.5 m，孔深0.4～1.2 m，深孔和淺孔交替布置.裝藥前，對個別較深的炮孔用炮泥調整到設計裝藥深度，集中藥包裝藥(膨化硝銨炸藥，兩卷炸藥，每卷150 g，藥卷直徑40 mm)，每孔裝1只非電毫秒雷管，用炮泥堵塞孔口，同段齊發起爆.

以垂直炮孔軸線的平面作為基準面(見圖1)，在爆破前后，分別按20 cm×20 cm的網度測量地表水平面和漏斗輪廓線距基準面的距離，求出各測點的爆破深度，按拋物線法(即辛卜生法)計算求出漏斗各斷面的面積.

4(Y1+Y3+…Y2i+1…)]

(4)

式(4)中：Si為漏斗某斷面面積，m2(i=1，2，…)；B為測點間距，m；Yi為第i點爆破深度，m.

按棱臺體求得漏斗體積V.

(5)

圖1 爆破漏斗體積測算示意圖

炮孔爆破后，以炮孔為中心，間隔45°直接量取八個不同方位的漏斗半徑ri，取其算術平均值作為漏斗半徑.

3.1.2 7#采區礦體試驗結果 在7#采區礦體上實施集中藥包爆破漏斗試驗，試驗結果如表1所示.

表1 7#采區礦體集中藥包爆破漏斗試驗結果

由表1和圖2，可以得到礦體集中藥包爆破漏斗試驗的特征值，如表2所示.

3.1.2 1#采區巖體試驗 在1#采區巖體上實施集中藥包爆破漏斗試驗，試驗結果如表3所示.

圖2 7#采區礦體集中藥包爆破漏斗試驗特征曲線

表27#采區礦體及1#采區巖體爆破漏斗試驗特征值

Table 2 Mining area and Stripping area Blasting crater test features

巖性臨界深度Le/m彈性變形系數Eb最佳深度Lj/m最佳深度比Δj最佳爆破漏斗體積Vj/m3單位炸藥消耗qb/kg·m-3礦體1.051.5680.650.6200.2781.080礦體1.051.5680.550.5240.3591.197

圖3 1#采區巖體集中藥包爆破漏斗試驗特征曲線

由表3和圖3可以得到集中藥包爆破漏斗試驗的特征值，如表2所示.

3.2 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗

3.2.1 試驗方案 參考集中藥包爆破漏斗試驗的最佳爆破漏斗深度，在7#采區礦體和1#采區巖體上各鉆鑿5個孔，孔間距分布見圖4、5.以最佳炮孔埋深為藥包裝藥深度，7#采區礦體爆破漏斗試驗采用藥包中心埋深0.64 m，1#采區巖體爆破漏斗試驗采用藥包中心埋深0.577 5 m.使用膨化硝銨炸藥，每孔兩卷炸藥，每卷150 g，藥卷直徑40 mm.每孔裝1只非電毫秒雷管，用炮泥堵塞孔口，5個炮孔同段齊發.爆破后輪廓如圖4和圖5所示.

圖4 7#采區礦體變孔距多孔同段爆破圖

圖5 1#采區巖體變孔距多孔同段爆破圖

3.2.2 礦巖體試驗結果 7#采區礦體變孔距同段爆破漏斗試驗結果表明，孔間距為1.2 m的1，2兩炮孔沿其中心線連通，形成溝槽，受自由面形狀的作用，孔間留有脊柱，大塊較多；孔間距為1.4 m的2、3兩孔剛好未形成連通，未能形成溝槽，但可見爆破作用使兩漏斗形成聯通，但由節理裂隙控制，形成大塊較多；與相鄰炮孔孔間距為1.6 m、1.8 m的4，5兩孔都未連通成槽，基本上形成各自獨立的爆破漏斗.孔間距等于或小于1.2～1.4 m時，相鄰炮孔爆破漏斗疊合較好，孔底礦石得到有效破碎.因此，確定孔間距參數在1.3 m為宜.

1#采區巖體變孔距同段爆破漏斗試驗結果表明，由試驗結果可以看出孔間距為1.6 m的3，4兩孔沿炮孔中心線連通，形成溝槽，孔間留有脊柱，大塊較多；孔間距為1.8 m的4，5兩孔剛好形成連通，但未能形成溝槽；孔間距為2.0 m的5，6兩孔未連通成槽，基本上形成各自獨立的爆破漏斗.孔間距等于或小于1.6 m和1.8 m時，相鄰炮孔爆破漏斗疊合較好，孔底礦石得到有效破碎.因此，確定孔間距參數在1.6～1.8 m范圍為宜.

根據利文斯頓爆破漏斗理論，中深孔臺階爆破由公式(6)進行計算，礦體和巖石中中深孔孔間距如表4所示.

(6)

式(6)中：a為變孔距多孔同段爆破漏斗試驗炮孔間距；A為中深孔孔距；Q1為斜面臺階法爆破試驗單位長度炮孔裝藥量；Q2為中深孔爆破單位長度炮孔裝藥量.

表4 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗結果

3.3 斜面臺階爆破漏斗試驗結果

3.3.1 試驗方案 采用連續柱狀裝藥斜面臺階爆破試驗方法，利用斜面臺階爆破抵抗線連續變化的性質，進行單孔斜面臺階爆破，測量爆破的最大的最小抵抗線.試驗炮孔孔深2.0 m，孔徑為40 mm(見圖6)，膨化硝銨炸藥連續耦合裝藥，裝藥密度是0.53 kg/m.斜面臺階爆破漏斗試驗炮孔布置如圖7所示.

圖6 7#礦斜面臺階爆破漏斗試驗炮孔位置

3.3.2 礦巖體試驗 試驗炮孔如圖7所示，礦體和巖體斜面臺階法最小抵抗線試驗結果如表5所示.

圖7 斜面臺階爆破漏斗試驗炮孔布置示意圖

表5斜面臺階法最小抵抗線試驗數據

Table 5 Step method slope line of least resistance test data

巖性炮孔深度/m裝藥長度/m孔底抵抗線/m實際爆破最大抵抗線/m備注礦體2.01.231.541.12礦石破碎塊度較均勻巖體2.01.241.541.11巖石破碎塊度較均勻

根據利文斯頓爆破漏斗理論：

(7)

式(7)中：w為斜面臺階法爆破試驗的最小抵抗線；W為中深孔炮孔排距，m；Q1為斜面臺階法爆破試驗單位長度炮孔裝藥量，kg；Q2為中深孔爆破單位長度炮孔裝藥量，kg.

依據表5數據，由式(7)計算出礦巖體中深孔的炮孔排距見如表6所示.

表6 斜面臺階爆破漏斗試驗結果

4 露天礦中深孔爆破參數及爆破效果

4.1 爆破參數確定

根據現場系列爆破漏斗試驗結果，7#采區礦體中深孔生產爆破的主要參數為：排距為2.85～3.21 m，孔距為2.8～3.31 m. 1#采區巖體中深孔生產爆破的主要參數為：排距為2.83～3.07 m；孔距為3.78～4.26 m；依據試驗結果及相關理論，邊坡巖體靠幫爆破光面爆破參數為：穿孔直徑115 mm，孔距1.8～2.1 m，最小抵抗線2.6～3.0 m[4].

4.2 現場試驗效果

將上述爆破參數應用到礦體生產臺階中深孔爆破中，爆堆形狀和根底都得到改善，大塊率、單位炸藥消耗量都控制在允許范圍內.

為了保證靠幫預裂爆破和光面爆破對最終邊坡的損傷與破壞達到最小，同時保證最終邊坡較好的平整度和良好的形態，結合蒙庫鐵礦邊坡巖體特點，采取在靠幫前幾排爆破時，采用預裂爆破，在靠幫爆破時采用光面爆破的減震方案.

在南幫1 080 m水平實施光面爆破，現場效果如圖8所示，半壁孔率64%>60%、坡面平整度±146 mm<±150 mm、邊坡坡率±2.1°，總體說來，實施光面爆破后，邊坡外觀質量達到合格要求.而臨近區域采用普通爆破時，邊坡面參差不齊，巖面破碎，邊坡巖體受爆破損傷嚴重.

圖8 蒙庫鐵礦1 080 m水平光面爆破效果對比圖

通過爆破震動監測，實施光爆后，在臺階坡頂監測的結果為：距爆源水平距離D=16 m，與爆源高差h=10 m時，測得坡頂爆破震動速度v=34.17 m/s；距爆源水平距離D=29 m，與爆源高差h=20 m時，測得的坡頂爆破震動速度v=25.82 m/s.我國礦冶系統根據統計資料提出的爆破震動速度安全控制標準：較穩定邊坡地段，允許震速28～35 cm/s.試驗地段為較穩定邊坡地段，因此，靠邊控制爆破對邊坡的爆破震動影響在安全范圍內.

5 結 語

a.通過統計分析，分別得出了膨化硝銨炸藥在礦體和巖體中的爆破漏斗特性曲線，得到爆破漏斗最佳狀態下的基本參數：7#采區礦體：理論最佳深度0.65 m，體積0.278 m3；1#采區巖體：理論最佳深度0.55 m，體積0.358 m3.

b.根據現場系列爆破漏斗試驗結果，推薦了中深孔生產爆破和靠幫光面爆破的主要參數.

參考文獻：

[1] 周傳波，羅學東，何曉光. 爆破漏斗試驗在一次爆破成井中的應用研究[J].金屬礦山， 2005(5)：20-23.

[2] 劉能國，萬兵. 系列爆破漏斗試驗法在中深孔采礦中的應用研究[J].冶金礦山設計與建設.2000，32(9)：3-5.

[3] 蔣復量，周科平，鄧紅衛，等. 地下礦山深孔崩礦爆破漏斗試驗研究[J].礦冶工程，2010，30(2)：10-13.

[4] 汪旭光. 爆破手冊[M].北京：冶金出版社，2010：31-35.