基于爆破漏斗試驗的中深孔鑿巖爆破參數研究?

張立新

(五礦礦業控股有限公司, 安徽 合肥 237462)

安徽開發礦業公司隸屬于五礦礦業控股有限公司,企業位于安徽省六安市霍邱縣馮井鄉境內,其開采的李樓鐵礦及吳集鐵礦(北段)兩條礦脈基本呈平行產出,距離約1000 m.李樓鐵礦走向長3.4 k m,鐵礦石儲量27624萬t,主要礦物成分為鏡鐵礦,其次為磁鐵礦和赤鐵礦,礦石平均品位34.08%.吳集鐵礦(北段)鐵礦石儲量10532.78萬t,主要礦物成分為磁鐵礦,礦石平均品位29.20%.兩礦床所處地理位置為淮河中下游沖積平原,礦區地勢平坦、人口密集,地表均為高產農田、村莊、道路及池塘等.礦床上部覆蓋有厚達100 m以上的第四系沖積層,且第四系沖積層中含有1~3層流沙層.為了保護礦區地表生態環境,防止第四系沖積層涌入井下,設計采用充填采礦法.兩礦脈采用聯合建設方式,設計生產規模為750萬t/a,其中李樓鐵礦530萬t/a,吳集鐵礦(北段)220萬t/a,是國內目前已建成最大的地下金屬礦山.設計主體采礦方法為兩步驟大結構階段空場嗣后充填采礦法,礦房礦柱跨度為20~30 m,階段高度為100 m,采用中深孔落礦,分段高度25 m.

爆破作為破碎巖石的重要手段,在采礦工程中被廣泛應用,是目前采礦生產工藝環節中最關鍵的工序之一,良好的爆破質量對于保證礦山生產能力和回采作業安全具有重要意義.對于李樓－吳集鐵礦大結構采場而言,一次爆破規模大,技術要求高,且二步驟礦柱回采時兩側均為100 m高的充填體,為保證作業安全、降低礦石貧化,要求采場回采過程中充填體不發生大規?？逅?、片幫或冒落,這就對采礦爆破工藝提出了更高的要求,需尋求合理的中深孔鑿巖爆破參數,包括合理的炸藥單耗、排距及孔底距.

爆破漏斗是爆破破壞的基本形式,是研究炸藥爆炸過程、爆炸效應以及驗證爆破理論常用的試驗模型[1G4].通過爆破漏斗試驗可確定合理的爆破參數,提高爆破質量、降低大塊率,從而提高采礦工藝水平[3G8].為獲得合理的鑿巖爆破參數范圍,保護臨近工程及充填體,礦山科研技術人員在李樓－吳集鐵礦現場開展了一系列爆破漏斗試驗[6G8],并根據試驗結果獲得了最佳鑿巖爆破參數,為礦山采礦方法工業試驗及后續生產提供了設計依據.

1 工程地質條件及礦巖可爆性評價

1.1 工程地質條件

本礦床的北部有兩組斷層,斷裂影響的局部孔段出現巖(礦)芯擠壓破碎乃至糜棱巖化,形成破碎帶及裂隙密集帶,多為碳酸鹽礦物及綠泥石等充填或膠結.破碎帶的厚度一般小于2.0 m,形成軟弱結構面,使巖(礦)石的力學強度降低、巖石的完整性和穩定性較差.

礦體頂板巖性主要為片巖、片麻巖、角閃巖、大理巖,巖芯完整.片巖、片麻巖分層RQD(%)為23.5~95.8,平均為63.0;大理巖分層RQD(%)為44.6~77.4,平均為57.4.多為10~20 c m 的短柱狀及大于20 c m的長柱狀.裂隙不發育,1~2條/d m,多被綠泥石及碳酸鹽礦物充填,完整性較好,但片巖、片麻巖受力易沿片理裂開,穩定性較差.

含礦帶上部巖性主要為片巖、片麻巖、大理巖及石英鏡鐵礦石,巖芯完整.以10~20 c m的短柱狀為主,裂隙不發育,小于2條/d m,多被充填.礦物蝕變普遍,局部在地下水的作用下力學強度明顯降低,完整性較好,穩定性較差.下部Ⅰ號礦體,巖芯較完整,以10~20 c m的短柱狀為主,局部破碎.裂隙平均3~4條/d m,多為碳酸鹽薄膜充填.擠壓破碎帶發育,多被碳酸鹽礦物充填、膠結,充填物溶蝕現象普遍.在靠近礦體底板及礦層頂部附近,礦石常破碎,多呈5~10 c m的塊狀及小于5 c m的碎塊狀、裂隙較發育,礦石分層RQD(%)為32.4~71.8,平均為57.3.礦體的穩定性較差.下部Ⅰ號礦體的完整性、穩定性也較差.

礦體底板巖性主要為白云石大理巖,巖芯完整,多為大于20 c m的長柱狀,裂隙、巖溶均不發育,巖石分層RQD(%)為30.3~82.0,平均為65.2.底板完整性、穩定性較好.

1.2 礦巖可爆性評價

李樓鐵礦礦石自然類型主要為石英鏡鐵礦石、石英鏡鐵磁鐵礦石等,礦石普氏硬度系數f為12~16,礦巖松散系數均為1.5.礦巖物理力學參數見表1.

表1 礦巖物理力學參數

為定性了解李樓鐵礦礦巖可爆性,采用普氏系數分級、Br oadbent巖石爆破性分級法和巖石爆破性指數分級3種方法對其礦巖可爆性進行評估.

(1)普氏系數分級.蘇聯學者M.M.普洛托季亞可諾夫認為巖石具有一種“堅固性”,因此使用堅固性系數來描述巖石的堅固程度,并以它為標準對巖石進行分級.根據李樓鐵礦巖石物理力學參數,李樓鐵礦礦石的普氏系數f值一般為12~14,部分位置達到16以上.根據普氏巖石分級分析,礦體的普氏強度等級為Ⅱ~Ⅰ級,為堅固、很堅固的巖石,屬于難爆類型.

(2)Br oadbent巖石爆破性分級法.Broadbent巖石爆破性分級主要依據巖石的彈性縱波速度與炸藥單耗來對巖石爆破性進行分級.李樓鐵礦井下礦石實測彈性縱波速度為5210 m/s,目前生產過程中中深孔實際炸藥單耗約1.22~1.74 kg/m3(0.4~0.5 kg/t).根據Broadbent巖石爆破性分級表分析,李樓鐵礦礦石爆破性遠大于Ⅳ級巖石,屬于很難爆類型.

(3)巖石爆破性指數分級.巖石爆破性指數分級采用爆破漏斗試驗的體積及其爆破塊度分布率作為巖石爆破性的主要判據,基本上反映了爆破現場實際和爆破效果.巖石爆破性指數N如下:

式中,N為巖石爆破性指數;V為巖石爆破漏斗體積,m3;K大為大塊率(大于300 mm),%;K平為平均合格率(小于50 mm),%;K小為小塊率,%;ρcp為巖石波阻抗,105g/c m2s;ρ為巖石密度;cp為巖石彈性縱波速度;e為自然對數的底.

根據試驗結果計算李樓礦體爆破性指數N為88.85,屬于Ⅴ2級極難爆巖體.

從上述3種方法對李樓礦床礦石可爆性評價結果可知,礦巖屬于穩固或極穩固類型,雖然斷裂構造、節理裂隙發育,但大多被巖脈充填膠結,而且膠結良好,礦巖可崩性較差.礦巖綜合評價結果李樓鐵礦礦石屬于難爆類礦巖.

2 爆破漏斗試驗

2.1 單孔爆破漏斗試驗

2.1.1 試驗布置

根據爆破漏斗理論[6G14],選擇在－180 m分段6＃與10＃采場拉底巷內開展單爆破漏斗試驗.試驗地點礦石為致密石英鏡鐵礦,堅硬系數為16,具有代表性,可作為爆破漏斗試驗的場地.

爆破漏斗試驗炮孔孔徑設計為Φ40 mm,采用巖石型乳化炸藥,藥卷直徑為Φ32 mm,藥卷長度為200 mm,試驗每孔2卷.相鄰炮孔設計間距不小于1.4 m,炮孔深度按0.05 m逐漸增大,最淺炮孔深度為0.40 m,最深炮孔深度為0.90 m,共布置16個炮孔.單漏斗爆破試驗收集和整理的數據見表2.

表2 單孔爆破漏斗試驗數據

基于最小二乘法原理,得到漏斗體積V(m3)及半徑R(m)與藥包埋深l(m)的關系見式(2)、式(3),擬合特征曲線見圖1和圖2.

圖1 V－l的特征曲線

根據上述關系式,解算得到:最佳藥包中心埋深:Lj＝0.5 m;最佳藥包中心埋深比:Δj＝Lj/Le≈0.56;最佳爆破漏斗體積:Vj＝0.078 m3;最佳爆破漏斗半徑:Rj＝0.62 m.

2.2 多孔同段爆破漏斗試驗

2.2.1 試驗布置

該實驗選擇在－180 m水平10＃拉底巷道中進行,孔深0.7 m,藥包中心埋深為0.5 m,藥包直徑Φ32 mm,每孔2卷,各炮孔布置及試驗結果見表3,爆破界面輪廓見圖3.

圖3 多孔同段爆破漏斗輪廓線

表3 多孔同段爆破試驗結果

根據上述試驗結果判斷,試驗條件下爆破孔底距宜位于1.1~1.2 m區間范圍內.

2.3 斜面臺階爆破試驗

2.3.1 試驗布置

根據爆破漏斗原理,斜面臺階爆破試驗選擇在180 m水平10＃拉底巷道中進行.試驗炮孔布置及結果見表4.試驗結果表明,試驗條件下最佳抵抗線平均值為0.73 m.根據裝藥量和裝藥計算得到線裝藥密度為0.821 kg/m.

表4 斜面臺階爆破試驗結果

3 中深孔爆破參數的計算與選擇

3.1 中深孔爆破炮孔排距計算

根據前述試驗,在孔徑Φ42 mm,Φ32 mm的炸藥連續裝藥、裝藥量為0.821 kg/m、裝藥密度為0.933 t/m3、孔底起爆條件下,實際平均爆破抵抗線為0.73 m.生產采用乳化粘性銨油炸藥,裝藥密度為0.95 t/m3,Φ65 mm 的炮孔每米裝藥量為3.15 kg/m,Φ80 mm的炮孔每米裝藥量為4.78 kg/m.根據中深孔爆破相似規律計算得到中深孔爆破時的炮孔排距見表5.

表5 中深孔爆破的炮孔裝藥量和炮孔排距

3.2 中深孔爆破時炮孔孔底距計算

根據多孔同段爆破漏斗試驗,在孔徑Φ42 mm,裝藥量為0.821 kg/m條件下,獲得的最佳孔底距分別為1.1~1.2 m,將多孔同段爆破漏斗試驗所得的最佳孔底距、每米裝藥量以及實際生產中采用乳化粘性銨油炸藥的每米裝藥量計算得到實際生產爆破時的炮孔孔底距,見表6.

表6 中深孔爆破的炮孔孔底距

通過計算得到實際生產時的炮孔排距與炮孔孔底距:Φ65 mm炮孔爆破時,排距為1.43 m,孔底距為2.16~2.35 m,Φ80 mm 炮孔爆破 時,排 距 為1.761 m,孔底距為2.65~2.895 m,炮孔孔底密集系數m＝1.51~1.64.

3.3 采場鑿巖爆破參數

3.3.1 炮孔排距及孔底距

本次試驗所用的巖石炸藥爆速為3200~3400 m/s,實際生產中使用的乳化粘性銨油粒狀炸藥爆速為3000 m/s;試驗地點礦石結構受到掘進過程的爆破破壞,局部存有裂隙,因而試驗結果可能偏大.根據礦山長期中深孔采礦的爆破經驗,炮孔孔徑Φ80 mm,炮孔排距為1.7 m,孔底距2.7~2.9 m 時,井下爆破效果良好.結合礦山爆破實踐,本次試驗研究推薦的爆破參數見表7.

表7 采場鑿巖爆破參數

3.3.2 炸藥單耗

根據多孔同段爆破漏斗試驗,在試驗條件下,最佳單位炸藥消耗量為0.465 kg/t.為此在采場設計時,推薦單位炸藥消耗量q＝0.45~0.49 kg/t.

4 結 論

(1)根據爆破漏斗理論,在現場進行了一系列爆破漏斗試驗,根據現場試驗結果和中深孔爆破相似規律,計算得到了采場中深孔爆破排距和孔底距.

(2)根據試驗研究,在目前炸藥與礦巖匹配條件下,推薦設計爆破參數為:Φ65 mm炮孔,排距1.4~1.6 m,最大孔底距2.3~2.5 m;Φ80 mm 炮孔,排距1.6~1.8 m,最大孔底距2.7~2.9 m;炸藥單耗q值為0.45~0.49 kg/t.

(3)因爆破漏斗試驗與實際采場爆破有一定的差別,加之炸藥性能方面的修正誤差,推薦的采場鑿巖爆破參數可在井下工業試驗與生產爆破中進行調整優化[15],調整原則是炮孔排距與炮孔孔底距的乘積保持相對的穩定,即保持炸藥單耗的相對穩定.

[1] 陳寶心,楊勤榮.爆破動力學基礎[M].武漢:湖北科學技術出版社,2005.

[2] 高爾新,楊仁樹.爆破工程[M].北京:中國礦業大學出版社,1999:125G134.

[3] 金旭浩,盧文波.爆破漏斗理論探討[J].巖土力學,2002(S1):205G208.

[4] 王 鵬,周傳波,耿雪峰.多孔同段爆破漏斗形成機理的數值模擬研究[J].巖土力學,2010(03):993G997.

[5] 劉 澤,朱川曲,謝東海,等.小斷面硬巖巷道爆破參數優化設計與實踐[J].采礦與安全工程學報,2007(01):70G73.

[6] 高蔭桐,劉殿中.集中藥包與條形藥包爆破漏斗及拋擲堆積研究[J].爆破,2003,20(3):25G27.

[7] 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(02):10G13.

[8]FOURNEY W L,DICK R D,WANG X J,et al.Frag menG tation mechanis min crater blasting[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1993,30(4):413G 429.

[9] 周傳波,范效鋒,李 政,等.基于爆破漏斗試驗的大直徑深孔爆破參數研究[J].礦冶工程,2006,26(2):9G13.

[10] 王以賢,余永強,楊小林,等.基于爆破漏斗試驗的煤體爆破參數研究[J].爆破,2010(01):1G4.

[11] 王興明,張耀平,王 林,等.安慶銅礦深部礦體爆破漏斗小型工業試驗研究[J].金屬礦山,2007(10):34G36.

[12] 支 偉,羅 佳,王麗紅.盤龍鉛鋅礦中深孔爆破參數試驗研究[J].采礦技術,2016,16(03):83G86.

[13] 饒運章,黃永剛.基于響應面優化法的爆破參數優化研究[J].礦業研究與開發,2016,36(05):46G49.

[14] 葉圖強.云浮硫鐵礦爆破漏斗試驗研究[J].工程爆破,2014(01):5G8.

[15] 丁 漢,張 陽,西子陽,等.基于能量分布的深孔預裂爆破參數優化研究[J].采礦技術,2017,17(05):120G122.