露天煤礦的臺階高度對拋擲率的影響*

李祥龍，劉殿書，何麗華，欒龍發，，張智宇，

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093;2.中國礦業大學力學與建筑工程學院，北京 100083;3.昆明冶金高等專科學校礦業學院，云南 昆明 650033)

提高露天礦山的臺階高度是大型露天礦生產中一個十分重要的問題。長期以來，我國露天礦山的臺階高度，一般為10～12 m。近年來，許多露天礦，特別是大型露天礦采用的穿孔、裝載、運輸設備不斷更新，為采用高臺階生產工藝提供了可能［1-2］。臺階高度小，已經嚴重限制了大型設備生產效率和礦山生產能力，增大臺階高度可減少大型設備的移動，提高生產效率，改善破碎效果，降低生產成本［3］。臺階高度對拋擲爆破效果的影響是高臺階拋擲爆破中亟待解決的問題，本文中將依據現場高臺階拋擲爆破實驗研究臺階高度對拋擲率的影響規律。

1 臺階高度對拋擲爆破效果的影響分析

1.1 拋擲率及其計算方法

拋擲率是指運用拋擲爆破技術將盡可能多的剝離巖石直接拋入采空區且不需要二次搬運的部分與拋擲爆破破碎巖石總體積的百分比，在圖1中即A部分巖石與拋擲爆破破碎巖石總體積的百分比［4］

式中:Ep為拋擲率;VE為拋擲到空區且不需要二次運輸的巖石體積;VZ為拋擲爆破破碎巖石的總體積。

顯然，拋擲率越大，拋擲爆破效率越高，這個指數直觀反映高臺階拋擲爆破的經濟效果，也是評價拋擲爆破成敗的重要指標。

1.2 拋擲爆破效果分析

露天礦拋擲爆破的目標將近可能多的上覆巖體拋擲出去，成功與否決定于臺階高度H和采場寬度B。南非露天礦公司研究成果表明［5-6］，拋擲量和臺階高度H與采寬B之比呈線性關系，如圖2所示。因此，臺階高度越大，拋擲量越大，拋擲率越高，拋擲單位體積巖體的費用也就越低。

圖1 拋擲爆破爆堆剖面圖Fig.1 A cross-sectional sketch of cast blastingmuckpile

1.2.1 增大臺階高度可提高炮孔利用率［7］

露天礦深孔臺階爆破，從對巖石的不同破碎作用看，沿炮孔深度可分為3個部分:超深、填塞和裝藥。在一定范圍內，超深和填塞高度并不隨臺階高度增加而成比例增大。隨著臺階高度增加炮孔裝藥空間所占的比例提高，因而炮孔利用率得到提高。

在其他條件不變時，增大臺階高度將使底部抵抗線增大，這時需要采用大直徑傾斜深孔，或擴大深孔底部直徑，或縮小抵抗線，相應地增大炮孔間距。總之，在增加臺階高度的同時，必須尋求相應的合理爆破參數［8］。

1.2.2 增大臺階高度可改善破碎效果

爆破理論認為，延長炮孔中爆炸氣體作用時間是增強爆破作用，提高破碎程度的一個主要途徑。炮孔中爆炸壓力隨炸藥的密度、爆速、裝藥高度變化的關系，可表示為

圖2 拋擲率和孔深與采寬比的關系Fig.2 Blast cast percentage varied with blast depth-width ratio

式中:p為爆炸壓力;ρ為裝藥密度;D為炸藥爆速;L為裝藥高度;t為爆炸氣體作用時間。

從上式可以看出，對于給定的D、ρ和L，存在P=f(t)關系。所以在超深和填塞高度不變條件下，如果臺階高度變化，P=f(t)的具體函數關系也將變化。如圖3所示，炸藥的裝藥密度ρ=1.16 g/cm3，爆速D=3 600 m/s時，臺階高度由10 m變化至45 m。爆炸壓力P隨作用時間t變化的關系，說明臺階高度愈大，爆炸作用時間愈長。從延長爆炸作用時間可增強爆破破碎效果來看，適當增大臺階高度是合理的。

1.2.3 增大臺階高度可提高拋擲距離［9-12］

對于高臺階深孔拋擲爆破過程中，若不計空氣阻力的作用，巖塊僅受重力作用，將沿彈道軌跡運行。巖石拋擲堆積的落點和巖石拋擲前有相對高差H，拋擲體的拋擲距離s'為

圖3 爆炸壓力隨作用時間變化的關系Fig.3 Explosion pressure varied with action time

式中:φ為巖石的拋擲角;v為巖石爆破后拋擲的初速度。

由此可知，當拋擲初速度和拋擲角確定時，拋擲距離都隨著臺階高度增加而增大。

臺階爆破的最遠拋擲距離與臺階高度的關系為

式中:k為巖石系數;f為巖石的普氏系數，k的取值與f相關

2 臺階高度對拋擲率的影響實驗

2.1實驗數據采集與統計

采用MDL高精度激光掃描儀對坡頂面、煤頂板、煤底板、臺階坡面、拋擲爆破前坡面及采空區的掃描數據進行采集，并與拋擲爆破后爆堆掃描數據進行整合與可視化，最終得到爆堆形態三維數字化圖。

在爆堆三維可視化圖上每隔一個炮孔位置切一次剖面，統計該剖面上所包含的數據信息包括:臺階高度H、孔距a、排距b、最小抵抗線W、最遠拋距Lm、單耗q、巖石實方體積、巖石松散體積、有效拋擲巖石的松散體積、采空區上口寬度Lk、煤層厚度Hc、煤層坡面傾角α等參數。其中以剖面面積代表巖石體積，并假設爆堆各處巖石松散系數相等，巖石經倒堆后形成坡面傾角為松散巖體的自然安息角。

2.2 實驗方案

實驗設計炮孔直徑Φ=311 mm、炮孔傾角φ=65°、孔距a=7 mm、排距b=11 mm、最小抵抗線W=7 m、采場寬度B=80 m。

2.2.1 實驗方案1

選取第18次和第19次的統計平均炸藥單耗q=0.65 kg/m3，選擇7組剖面作為研究對象，各剖面臺階高度分別為:35.2、35.4、35.6、37.4、39.9、40.1、43.1 m，具體參數如表1所示。

2.2.2 實驗方案2

實驗方案2選取第13次、第22次和第29次的統計平均單耗q=0.70 kg/m3，選擇 11 組剖面作為研究對象，各剖面臺階高度分別為:28.4、29.8、29.9、31.8、33.8、34.3、34.5、35.2、35.3、36.4、37.5 m，具體參數如表2所示。

表中，VA為實方體積，ξ為松散系數，其余各量同式(1)，P18-18表示第18次實驗的第18個剖面。

表2 實驗結果統計表(q=0.70 kg/m3)Table 2 Statistical table of site test(q=0.70 kg/m3)

表1 實驗結果統計表(q=0.65 kg/m3)Table 1 Statistical table of site test(q=0.65 kg/m3)

2.3 實驗結果分析

選擇表2與表3中數據對應作圖，臺階高度H對最遠拋距Lm的影響規律如圖4所示，對拋擲率Ep的影響規律如圖5所示。由圖4和圖5可以看出，爆堆最遠拋距和拋擲率隨著臺階高度的增加而增大。

圖4 L m隨H變化關系圖Fig.4 Relations between L m and H

圖5 E p隨H變化關系圖Fig.5 Relations between E p and H

列舉表2中P22-6和P29-3爆堆作為說明，前者臺階高度大于后者，爆堆較平滑，表明臺階上下各點巖塊移動速度差較小，增大臺階高度使得炸藥在炮孔中能量分布較合理并得到有效利用。采空區內爆堆厚度增加，拋入采空區的巖石量大，拋擲效率高，易于場地平整和拉斗鏟作業。

當拋擲爆破其它參數一定時，隨著臺階高度的增加，拋擲率增大的幅度逐漸減小。表明當臺階高度增大到一定的值以后，再增大臺階高度對拋擲率提高影響開始減弱。圖5中，當q=0.70 kg/m3，H＞37 m時，隨臺階高度增加拋擲率提高程度不大，甚至停留在47%左右，所以適當增加臺階高度能提高拋擲率，改善拋擲爆破效果。單靠提高臺階高度來獲取較高拋擲率的方法受采場條件和鉆采機械設備的限制，如臺階過高易使臺階坡面塌方，給下一循環布孔設計和鉆孔帶來困難，同時給出煤作業設備和人員安全帶來隱患。

當臺階高度相同時，提高炸藥單耗可明顯提高拋擲率和爆堆前沿拋距。比較表1和表2可以明顯看出，當臺階高度同為37.5m 時，q=0.70 kg/m3時，Lm=131.3m，Ep=46.69%;q=0.65 kg/m3時，Lm=98.2 m，Ep=31.59%。依據彈道理論，隨著臺階的增高，拋擲距離也會增加，因為自由落體下落時間為t，則下落時間的增量與水平向平均速度之積就是拋擲距離的增加量。

Lm和H的擬合結果表明Lm和H存在線性關系，符合式(4)描述的線性關系。黑岱溝露天煤礦爆區巖體的可爆性為中爆和易爆巖體，f普遍小于6，然而k的取值范圍:當q=0.70 kg/m3時，k=2.96～3.61;當q=0.65 kg/m3時，k=2.40 ～2.64，均大于式(4)中所定義的k=1.5 ～2.0。對于高臺階拋擲爆破，因為爆破的目的不同，為了提高拋擲率，采取較大的平均單耗，增強了拋擲效果，提高了拋擲距離，所以隨著單耗的增加系數k增大。

3結論

(1)爆堆最遠拋距和拋擲率隨著臺階高度的增加而增大，最遠拋距Lm和臺階高度H存在線性關系Lm=kH。當q=0.65 kg/m3時，k=2.4 ～2.64，當q=0.70 kg/m3時，k=2.96 ～3.61，隨著單耗的增加系數k增大。

(2)隨著臺階高度增大，爆堆變得更加平滑，表明臺階上下各點巖塊移動速度差較小，巖體位移和能量沿臺階高度的分布越來越均勻。并且采空區內爆堆厚度增加，拋入采空區的巖石量大，拋擲效率高，易于場地平整和拉斗鏟作業。

(3)當拋擲爆破其他參數一定時，隨著臺階高度的增加，拋擲率提高的幅度逐漸減小。當臺階高度增大到一個定值以后，再加大臺階高度對拋擲率提高的影響不大;當q=0.70 kg/m3、H＞37 m時，拋擲率的提高幅度很小，甚至停留在約47%，所以適當增加臺階高度能提高拋擲率，改善拋擲爆破效果。

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