露天鐵礦爆破數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

王 瑜，戴興宇，趙俊英，董訓(xùn)波

(鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 鞍山 114004)

0 引 言

爆破是露天礦山開采過程中的重要工藝之一，其費(fèi)用約占露天開采總生產(chǎn)成本的15%～20%[1]，現(xiàn)在露天鐵礦爆破工程技術(shù)人員通過CAD軟件、Word軟件進(jìn)行巖土工程爆破設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方式主要依據(jù)設(shè)計(jì)人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不能預(yù)測爆破效果、爆破成本高、工作量大、效率低，無法滿足露天鐵礦現(xiàn)場精細(xì)化生產(chǎn)要求。隨著礦山產(chǎn)量逐年增加，爆破規(guī)模、頻率也逐年增加，爆破振動(dòng)及飛石對采場邊幫和采場周圍建筑、設(shè)備的影響也不斷加劇，新的安全環(huán)保問題也隨之產(chǎn)生，需要尋找新的設(shè)計(jì)方法保證爆破質(zhì)量，降低爆破振動(dòng)影響[2-3]。

利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)改善巖土工程爆破設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)人工設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難題，可以將工程技術(shù)人員從繁重的繪圖、計(jì)算等設(shè)計(jì)工作中解放出來，投入到創(chuàng)新性工作當(dāng)中去[4]。

1 Surpac軟件爆破設(shè)計(jì)模塊

Surpac軟件是Gemcom(金康)國際礦業(yè)軟件公司推出一款功能強(qiáng)大，為采礦工程專業(yè)服務(wù)的大型三維礦山軟件。

Surpac軟件爆破設(shè)計(jì)模塊含有起爆方式動(dòng)畫演示；計(jì)算爆破礦、巖量；儲存根據(jù)巖體、礦體參數(shù)，確定爆破孔網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)和爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)行爆破分區(qū)；預(yù)測爆破影響范圍；計(jì)算爆破過程中的各種參數(shù)：飛石距離(m)、爆破振動(dòng)影響(cm/s)等，以便實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)等多種功能[5]。

2 爆破數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

2.1 測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入

AutoCAD格式的測量數(shù)據(jù)可以直接由Surpac軟件讀取，并可自動(dòng)生成帶坐標(biāo)的平面圖，便捷高效，降低工程技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。Surpac軟件還可根據(jù)測量數(shù)據(jù)、人工處理建立三維地形，生動(dòng)直觀。

2.2 爆破設(shè)計(jì)選項(xiàng)

首先，對鉆孔選項(xiàng)、裝藥選項(xiàng)、礦巖分類、爆破方式選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)定。鉆孔選項(xiàng)確定鉆孔直徑及測量單位、鉆孔設(shè)備編號。裝藥選項(xiàng)確定炸藥、雷管、起爆彈型號、質(zhì)量、成本、延時(shí)方式、延時(shí)時(shí)間等。爆破方式確定起爆順序、延時(shí)等。礦巖分類是根據(jù)爆破不同種礦、巖試驗(yàn)，來確定應(yīng)對爆破不同種礦、巖的爆破孔網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)和爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)，為預(yù)測爆破效果做準(zhǔn)備，該選項(xiàng)參數(shù)包括巖石描述、密度、孔隙率、巖石的波阻抗、巖石的強(qiáng)度特征、連接間距、粉末率、超孔距、排距、間距、爆破圓錐角、每個(gè)單位長度的打孔成本。

圖1 爆破設(shè)計(jì)選項(xiàng)

2.3 礦、巖分穿分爆

軟件具備用閉合多邊形指定巖石類型功能，將一個(gè)閉合多邊形的第一個(gè)屬性設(shè)定為巖石類型，在爆破設(shè)計(jì)選項(xiàng)為該巖石類型設(shè)定爆破孔網(wǎng)參數(shù)，通過被指定巖石類型的閉合多邊形來劃分采場爆破區(qū)域，這樣就可以實(shí)現(xiàn)礦、巖分穿分爆，如圖2所示。根據(jù)劃分后采場爆破區(qū)域確定爆破設(shè)計(jì)方案，爆破設(shè)計(jì)方案參數(shù)包括：爆破柵格、爆破設(shè)置、抵抗線/間距、多邊形抵抗線/間距、爆破布置、孔順序、炮眼標(biāo)高、底部高程、鉆孔設(shè)置，如圖3所示。

圖2 礦、巖分穿分爆

2.4 爆破方案動(dòng)畫演示

炮孔裝藥確定鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)，鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)包括填塞物段、炸藥段，炸藥段中含有炸藥類型、雷管類型、雷管位置、雷管數(shù)量、起爆彈類型、延時(shí)設(shè)置，設(shè)置起爆方式，如圖4所示。起爆方式：排間微差起爆、斜線起爆、直線掏槽起爆、間隔孔起爆，如圖5所示，設(shè)置結(jié)束后，可以采用動(dòng)畫對起爆方式進(jìn)行演示，如圖6所示。

2.5 逐孔起爆參數(shù)優(yōu)化

露天礦山爆破普遍采用逐孔起爆或同段起爆，以求控制單響藥量振動(dòng)。最新版本的Surpac軟件爆破設(shè)計(jì)模塊具備逐孔起爆參數(shù)優(yōu)化功能，先設(shè)定首啟爆破孔、起爆順序、爆破過程中的各種影響參數(shù)；再將單孔藥量、延期時(shí)間按一定步距設(shè)定在某區(qū)間內(nèi)；最后模擬起爆，獲得滿足爆破影響參數(shù)要求下的優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖3 礦、巖分穿分爆爆破設(shè)計(jì)模式

圖4 炮孔裝藥

圖5 起爆方式

圖6 爆破動(dòng)畫演示

2.6 爆破影響范圍

通過爆破數(shù)值模擬可以計(jì)算出飛石距離(m)、爆破振動(dòng)影響(cm/s)、大塊率(%)。這些爆破影響數(shù)據(jù)可做為安全生產(chǎn)的依據(jù)，是傳統(tǒng)人工設(shè)計(jì)所無法獲得的，如果這些爆破影響數(shù)據(jù)，不滿足安全生產(chǎn)需要，可調(diào)整爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，重新計(jì)算爆破影響數(shù)據(jù)，簡單方便。

2.7 最終報(bào)告

在爆破設(shè)計(jì)中選擇確定真實(shí)的爆破邊界線，確定爆破量，爆破器材消耗量及爆破成本，這些都以最終報(bào)告形式自動(dòng)生成，無需人工查詢預(yù)算成本再累加計(jì)算。

圖7 爆破實(shí)體

3 礦山爆破應(yīng)用實(shí)例

3.1 卡拉拉鐵礦采場概況

卡拉拉鐵礦項(xiàng)目鞍鋼集團(tuán)投資建設(shè)海外礦山之一，位于西澳大利亞的中西部，位于杰爾頓港以東220 km，佩斯(Perth)北偏東北大約500 km處，該地區(qū)在歷史上是一個(gè)著名的鐵礦業(yè)中心。卡拉拉磁鐵礦可通過采、選工藝生產(chǎn)出高的鐵精礦。采礦為常規(guī)的露天開采，年產(chǎn)1 960萬t原礦。卡拉拉礦床含有礦化作用形成的原生鐵，是以磁鐵礦為主形式存在的條帶狀鐵礦層。精礦通過長244 km，直徑500 mm的礦漿管線從卡拉拉運(yùn)送到杰爾頓港。

圖8 卡拉拉(Karara)鐵礦位置簡圖

采用傳統(tǒng)人工設(shè)計(jì)爆破參數(shù)，卡拉拉鐵礦段高12 m、15 m，雙并段開采時(shí)，一次爆破段高為24 m、30 m，孔徑310 mm，超深1.5 m，填塞長度4 m，孔距7 m，排距8 m，前排抵抗線7 m，爆破時(shí)不根據(jù)礦、巖類型劃分爆破區(qū)域。爆破質(zhì)量主要存在的問題是存在根底，大塊率高，達(dá)到7%～9%；爆破飛石距離、爆破振動(dòng)影響無法控制，對采場邊坡、建筑物、設(shè)備造成損壞。

3.2 礦、巖類型

卡拉拉鐵礦礦、巖結(jié)構(gòu)致密，容重大，抗壓強(qiáng)度高，吸水率小，抗凍性，耐磨性和耐久性好，礦石按自然類型分有磁鐵石英巖、赤鐵石英巖，巖石上盤以千枚巖為主，下盤以玄武巖為主。礦石的單軸抗壓強(qiáng)度為210.13 MPa，巖石千枚巖的單軸抗壓強(qiáng)度為108.17 MPa，巖石玄武巖的單軸抗壓強(qiáng)度為110.42 MPa。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

借鑒澳大利亞鐵礦生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將Surpac軟件爆破設(shè)計(jì)模塊應(yīng)用于卡拉拉鐵礦最低水平的開段溝生產(chǎn)中。將卡拉拉鐵礦大量的參數(shù)數(shù)據(jù)如上所述輸入軟件中。調(diào)整各爆破設(shè)計(jì)參數(shù)及使用逐孔起爆參數(shù)優(yōu)化功能，通過數(shù)值模擬計(jì)算爆破影響范圍指標(biāo)方向平均值最大，來預(yù)測爆破設(shè)計(jì)的爆破效果，如表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算爆破影響范圍指標(biāo)方向最大平均值

在爆破現(xiàn)場進(jìn)行爆破測試，獲得3個(gè)測點(diǎn)的爆破影響范圍指標(biāo)方向平均值最大，如表2。對比表1和表2,預(yù)測數(shù)值與實(shí)際數(shù)值兩者的差距在10%以內(nèi)。

表2 實(shí)際爆破測試方向平均值最大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從爆堆揭露的巖塊觀察，清晰地反應(yīng)出采用Surpac爆破設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)后的區(qū)域大塊率明顯降低，可見爆破質(zhì)量得到明顯改善，如圖9、圖10所示。

圖9 未數(shù)值模型設(shè)計(jì)的爆堆

圖10 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)的爆堆

4 結(jié) 論

(1)使用礦業(yè)工程軟件surpac爆破設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行數(shù)值模擬爆破設(shè)計(jì)，操作簡單容易，易學(xué)易懂，提高了工作效率，降低工程技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，且可建立健全爆破數(shù)據(jù)庫。

(2)通過計(jì)算爆破后大塊率，可以預(yù)測爆破質(zhì)量，如果預(yù)測爆破效果不滿足生產(chǎn)要求，可以調(diào)整各爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，降低大塊率，這可降低處理大塊成本，提高生產(chǎn)效率。

(3)計(jì)算爆破影響范圍指標(biāo)飛石距離、爆破振動(dòng)影響，優(yōu)化爆破方案，有利于現(xiàn)場安全生產(chǎn)管理。且逐孔起爆參數(shù)優(yōu)化功能可以在一定條件下，實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化。

[1] 王 青，史維祥.采礦學(xué)[M].北京：冶金礦業(yè)出版社，2007.

[2] 汪驚奇，邱朝陽.基于surpac軟件的露天爆破設(shè)計(jì)[J].銅業(yè)工程，2014(2):36.

[3] 鄧鵬宏，王海龍，孫運(yùn)峰.弓長嶺露天鐵礦爆破方案的模擬優(yōu)選[J].金屬礦山，2016(5):6.

[4] 蘭 振.計(jì)算機(jī)輔助軟件在露天礦爆破設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國鉬業(yè)，2017, 41 (2):16-20

[5] Gemcom(金康)國際軟件公司.GEMCOMSURPA礦業(yè)軟件幫助文檔[M].北京：Gemco(金康)國際軟件公司，2008.