紫金山金銅礦露天采場爆破參數優化

王國標 何 維 胡少華 王福緣

(紫金礦業集團股份有限公司)

臺階爆破作為露天礦山開采重要工藝環節，爆破效果直接關系到后續工序進展。中深孔爆破技術在露天臺階爆破中應用較廣泛。通過與類似礦山的爆破數據對比，結合爆破漏斗理論可以得到其主要的爆破參數范圍，然后在實際生產中逐漸改變爆破參數，以確定最優爆破參數。不同的礦山，甚至是同一礦山，其地質條件、巖石性質以及水文地質條件也會因礦體分布的不同千差萬別，這將增加礦山合理爆破參數確定的難度。

紫金山金銅礦位于福建省上杭縣城北15 km處，處于華南褶皺系東部，東南沿海火山活動帶的西部亞帶，北西向云霄—上杭深斷裂帶北西段與北東向和復背斜南西傾伏端交匯處，紫金山復式巖體中部。礦體呈不規則的密集平行脈帶產出，在剖面上呈右形側列分布，礦體呈“疊瓦狀”斜列，形成自北東端礦體從標高928 m向南西端降至標高-200 m以下的側伏形式，側伏角為15°～35°。礦體形態多為簡單-復雜透鏡體，少部分呈脈狀、似板狀。5個主要礦體多為不規則大透鏡狀，次為不規則板狀體，分板復合明顯。礦體產狀比較穩定，總體走向320°，傾角為5°～46°，上陡下緩。采用高陡邊幫開采，年采剝量為3 300萬m3左右。

目前，露天采場最高作業標高為784 m，最低為544 m，高差為240 m，作業平臺點多面廣，巖性分布復雜，采用汽車-露天溜井-井下機車運礦系統，對露天爆破礦石塊度具有較高要求。隨著金礦逐漸閉坑，銅礦不斷揭露，地質巖性不斷變化，以往沿用的爆破參數已不能滿足現有生產對爆破質量的要求。大塊及底根多、塊度不均勻等現象普遍，對鏟裝效率及溜井下礦質量控制造成不利影響，且大幅增加后期的二次處理費用，制約平臺推進。因此，如何調整現有爆破設計，在經濟合理前提下改善爆破效果，成為亟待研究的問題。

1 礦區地質概況

紫金山礦床屬上金下銅大型斑巖成礦系列、次火山高硫中低溫熱液礦床，呈垂向傾斜分布。礦床工程地質條件屬堅硬-半堅硬塊狀巖類為主、局部夾薄層軟弱巖石的簡單類型，劃分為完整堅硬巖組、完整半堅硬巖組、破裂半堅硬巖組和軟弱松散巖組4個工程地質巖組。

銅礦床賦存于潛水面下部的原生帶中，為隱伏礦床。銅礦體埋深大，大部分埋藏于640 m標高以下的弱風化帶及原生帶中，裂隙發育程度逐漸變弱。銅礦體與頂底板圍巖性質相同，主要為中細粒花崗巖(占0.81，單軸抗壓強度σc=26.5～141.9 MPa，巖石質量指標RQD≥75 %，屬完整硬巖類)，次為隱爆角礫巖(占0.15，單軸抗壓強度σc=88.6～95.9 MPa，巖石質量指標RQD≥50 %～70 %，屬完整半堅硬巖類)和少量英安玢巖(占0.04，單軸抗壓強度σc=31.1 MPa，巖石質量指標RQD≤50%，屬軟弱松散巖類)。除少量英安玢巖及構造破碎帶外，上述礦巖質量指標RQD值一般均大于75 %，礦巖穩定性好，礦石自然類型主要為原生礦、不結塊、不自燃。銅礦床及爆區具有以下特點：

(1)銅礦床賦存巖性為中細粒花崗巖，圍巖蝕變主要為硅化、明礬石化和地開石化。

(2)礦石均為原生礦石，金屬礦物主要為藍輝銅礦、少量銅藍及黃鐵礦，脈石礦物以石英為主。

(3)部分炮孔內賦存有基巖裂隙沉積水，對爆破作業具有一定的影響。

(4)爆區構造裂隙發育較差，為完整堅硬的工程地質巖組，單軸抗壓強度為113.7 MPa，堅硬系數為11.37，巖體質量等級為優。

2 巖體可爆性分級

巖體的可爆性是指其在炸藥爆炸作用下發生破壞的難易程度。在臺階炮孔爆破過程中，除炸藥爆炸性能、自由面條件和爆破技術參數外，巖體的可爆性是影響爆破破碎效果的重要因素[1]。但目前可爆性的確定一直是個難題，它是巖石本身物理力學性質和炸藥參數、爆破工藝、裝藥結構、起爆方式等的綜合效應，相互之間既有內在聯系，又受外因控制，有明顯的因果關系[2-3]。

目前，國內巖石可爆性分級方法有巖石爆破性經驗公式[4]、回歸分析、模糊綜合評判[5]、灰色關聯度分析[6]及普氏系數[7-8]等。根據相關資料[9]，結合礦山實際，考慮巖石破壞形式，將巖石可爆性分級指標分為巖石抗壓強度σc、巖石抗拉強度σt、巖石內聚力c、彈性模量E，巖石質量指標RQD。前四個指標反映了巖石的力學性質對其可爆性的影響；而巖石質量指標RQD是巖石完整性質量的體現，其值主要受巖石物理力學性質、巖石的組成成分以及結構面等工程地質條件的影響。所以，巖石質量指標RQD能夠綜合反映爆破條件。

根據礦山地質資料并結合巖石物理力學性質調研，選取的試驗區為花崗巖型硫化銅礦石，抗壓強度為113.7 MPa，屬完整堅硬的工程地質巖組。因此，其巖石可爆性為Ⅳ類，屬難爆巖石。

3 爆破優化

紫金山金銅礦露采臺階高度為12 m，穿孔設備多為φ165 mm、φ152 mm潛孔鉆機，鉆鑿75°傾斜孔，屬中深孔臺階爆破。優化前一直沿用以往的經驗參數，未根據礦、巖的地質巖性不同而有所區分，造成大塊、底根多，爆破效果不理想。一般工程經驗認為,縮小孔網參數以提高炸藥單耗對改善爆破效果具有積極作用。為解決上述問題，決定根據礦、巖性質不同，采用不同的孔網參數，即銅礦區域縮小孔網參數，提高單耗，減少大塊率的同時增大小塊度礦石占比，以破代磨，提高鏟裝效率及溜井下礦質量；而為平衡整體炸藥消耗，控制爆破成本，在渣區域擴大孔網參數，降低單耗，將爆破塊度控制在可接受范圍且不對鏟裝效率造成太大影響。

3.1 場地選取

本次試驗研究分兩階段進行。首先，銅礦選取604 m西北部及628 m中部區域作為試驗場地，渣區域選取640 m西及700 m北，場地見圖1；然后，在階段一基礎上進行深化研究，選取較優參數，并在不同區域進行適用性試驗。

圖1 試驗區域分布

3.2 試驗參數確定

銅礦區域：優化前銅礦普遍采用孔排距為6.5 m×5 m(a×b)，單耗控制在0.45～0.47 kg/m3。現擬采用2個試驗方案，方案一為5.8 m×4.7 m(a×b)，單耗為0.50 kg/m3；方案二為5.5 m×4.5 m(a×b)，單耗為0.55 kg/m3。通過試驗對比，選取較優方案。

渣區域：渣區域孔網參數及單耗優化與銅礦近似，現將孔網參數調整至6.8 m×5.7 m(a×b)，單耗為0.35～0.36 kg/m3，并根據實際爆破情況適時調整。

2016年紫金山金銅礦露采綜合采剝比為0.82，由于金礦爆破參數與銅礦相近且總量較少，剔除其影響，調整孔網后，整體炸藥消耗總量與原有基本持平，參數調整符合優化目標。

3.3 現場試驗

3.3.1 階段一

為提高對比效果，增加未優化參數的2排對比爆堆(604 m西北197及213爆堆)。現場試驗爆堆共計6排，其中銅礦區域為2排單耗0.50 kg/m3(604 m西201爆堆及628 m中541爆堆)，2排單耗0.55 kg/m3(604 m西207爆堆及628 m中544爆堆)；渣區域為1排單耗0.35 kg/m3(700 m北832爆堆)，1排單耗0.36 kg/m3(640 m西1174爆堆)。現場爆堆參數統計見表1。

3.3.2 階段二

在階段一所得結果基礎上進行深化試驗，對比爆堆新增628 m中北及796 m中北，合計2排；銅礦試驗新增0.55 kg/m3單耗3處，分別為628，676及796 m中北，合計7排，其中3排采用前排孔間隔裝藥爆破；渣試驗新增0.32～0.33 kg/m3及0.30 kg/m3單耗6處，分別為676及652 m北、604及592 m西北、772及628 m北，合計8排。現場爆堆參數統計見表2。

表1 階段一現場試驗爆堆參數統計

表2 階段二現場試驗爆堆參數統計

4 爆堆塊度統計分析

運用攝像法原理統計爆堆塊度，采用Powersieve3 Fragmentation Analysis軟件進行計算分析，得到爆堆綜合大塊率值及整體塊度分布情況，銅礦區域主要采用此方法進行爆堆分析。渣區域均為廢石，無經濟價值，因此,簡化試驗流程，通過統計爆堆特大塊及底根的情況作為判別爆破效果好壞的依據，而不進行相關爆堆塊度的詳細統計分析工作，此方式能滿足優化要求。

4.1 軟件參數設置

Powersieve3 Fragmentation Analysis為Orica公司研發用于爆堆塊度分析的專用軟件，通過導入爆堆切面圖，并人工圈定圖片中大塊，后采用灰度圖像識別技術統計圖片中塊度的分布情況，并按照預先設定的識別尺度遞增值進行統計。此次試驗識別尺度遞增值設置為0.05 m，大塊尺度按溜井下礦要求設置為0.80 m。

4.2 圖形拍攝

根據現場鏟裝實際，爆堆拍攝采用直徑固定的籃球做參照，以每隔5 m的間隔拍攝爆堆斜切面圖。拍攝推進方向及現場實拍見圖2、圖3。

圖2 鏟裝推進方向及爆堆拍攝斜切面

圖3 現場拍攝照片

4.3 圖形處理

圖形處理步驟如下:

(1)大塊及粉礦圈定，見圖4。

圖4 爆堆切面圖大塊及粉礦圈定

(2)計算機塊體粒度分析計算，得出切面塊體尺度，見圖5。

(3)軟件自帶統計系統，得出切面爆堆塊度占比分布，見圖6。

圖5 切面塊體尺度

圖6 切面塊度占比分布

(4)軟件根據統計結果自擬合得出切面塊度占比直方圖及Rosin-Rammler擬合曲線，見圖7。

4.4 銅礦區域結果分析

銅礦區域各爆堆處理結果見表3。

表3 銅礦區域各爆堆塊度分析結果

4.4.1 階段一試驗分析

(1)相同平臺不同單耗對比。604及628 m平臺不同單耗對比情況見圖8、圖9。可以看出，隨著試驗爆堆單耗的提高，大塊率呈下降趨勢，同時粉礦比例及小塊度礦巖占比明顯提高，604平臺試驗爆堆大塊率最大降幅為3.2%，628平臺大塊率最大降幅為1.0%；小塊度礦巖占比方面，604平臺最大增幅20.5%，628平臺最大增幅27%。試驗爆堆整體爆破效果較好。

圖8 604 m平臺不同單耗Rosin-Rammler擬合曲線×—604B201-0.5；+—604B207-0.55；■—604B197-銅礦對比；▲—604B213-銅礦對比

圖9 628 m平臺不同單耗Rosin-Rammler擬合曲線×—628B544-0.55；■—628B541-0.5

(2)相同單耗不同平臺對比。單耗分別為0.50及0.55 kg/m3時，不同平臺的對比情況見圖10、圖11。可以看出，單耗為0.50 kg/m3時，在不同地質情況下爆堆塊度分布情況波動較大，而單耗為0.55 kg/m3時，爆堆整體分布情況較為穩定，不同區域塊度Rosin-Rammler擬合曲線基本重合。同時，從表3數據中也可看出，單耗0.55 kg/m3整體爆破效果比單耗0.50 kg/m3更好，說明適當提高單耗對爆破效果具有積極的作用。

圖10 0.50 kg/m3單耗不同平臺Rosin-Rammler擬合曲線×—604B201-0.5；■—628B541-0.5

圖11 0.55 kg/m3單耗不同平臺Rosin-Rammler擬合曲線×—604B207-0.55；■—628B544-0.55

(3)對比爆堆與試驗爆堆對比。不同單耗不同平臺的對比情況見圖12。可以看出，試驗爆堆較對比爆堆爆破塊度分布及小塊度占比方面有較明顯優勢，整體爆破效果更好。試驗爆堆的橫向對比中，單耗0.55 kg/m3的爆破效果優于單耗0.50 kg/m3的爆堆，且兩者均優于對比爆堆。

圖12 不同單耗不同平臺Rosin-Rammler擬合曲線×—604B201-0.5；+—604B207-0.55；■—604B197-銅礦對比； ▲—604B213-銅礦對比◆—628B541-0.5；▼—628B544-0.55

4.4.2 階段二試驗分析

階段二3排爆破采用前排間隔裝藥形式，即單炮孔雙火頭，中間巖粉間隔，將裝藥高度在安全范圍內適當上抬，能提高裝藥高度，理論上有利于上部巖石的破碎。從現場爆破效果看，在一定程度上確實能減少上部大塊的出現，但從表3結果中可明顯看出，3排采用間隔裝藥的試驗爆堆大塊率分別為3.1%、1.8%及4.6%，高于采用連續裝藥的試驗爆堆，整體爆破效果并不理想，粉礦率結果尚可，但大塊率相對較高，故放棄此優化方向。

664 m中北為紫金山金銅礦露采高銅區域，巖性較堅硬，巖體傾向北東—南西，總體為水平層狀分布巖層，常年富含裂隙水，裂隙方向與爆破拋擲方向相同且水平傾角小(順層軟弱結構)，導致爆破產生的高溫高壓氣體沿巖體裂隙提前逸散，能量利用率低，故達不到很好的破巖效果，需在之后的工作中進一步試驗，但總體大塊率在可接受范圍。

其他銅礦作業區域，如604、628及676 m平臺整體大塊率低，小塊度占比較高，爆破效果較好。

4.5 渣區域試驗結果

由于渣區域爆破后爆堆直接裝車外排，不需要詳細的爆堆塊度分布情況，僅需統計影響挖機作業的特大塊及底根，并以此作為爆堆效果好壞的判別依據，因此，不在Powersieve軟件中進行塊度分析。現場統計結果見表4。

從現場試驗統計結果可知，渣區域采用 6.5 m×5.5 m(a×b)孔網參數，單耗控制在0.36～0.38kg/m3時，爆堆無特大塊，可正常鏟裝，設備效率不受影響；采用6.8 m×5.7 m(a×b)孔網參數，單耗控制在0.34～0.36 kg/m3時，爆堆鏟裝亦不受影響；當孔網參數擴大至7 m×6 m(a×b)，單耗降至0.32～0.33 kg/m3時，從統計的3個爆堆情況看，特大塊偶有出現，存在部分底根，但不影響設備的鏟裝作業，實際效果在可接受范圍；當采用6 m×5 m或7.5 m×5 m(a×b)孔網參數，單耗下探至0.30 kg/m3時，爆堆中出現較多特大塊及底根，已影響設備的正常作業。

表4 渣試驗區域爆堆統計結果

注：此處特大塊指塊度大于1.2 m的巖石。

從現場統計效果看，渣區域采用7 m×6 m(a×b)的孔網參數，單耗控制在0.32～0.33 kg/m3，在爆破效果及生產效率上能達到一個較好的平衡點。

5 結 論

(1)針對露采不同礦、巖地質條件，采用不同的爆破參數，適當提高礦石區域單耗，降低渣區域單耗，在不增加整體爆破成本的前提下，對控制露采爆破效果，以破代磨，提高整體設備作業效率，降低采選成本具有積極的意義。

(2)階段一試驗表明，銅礦區域采用5.5 m×4.5 m(a×b)孔網參數，單耗0.55 kg/m3，較其他方案得到更好的爆破塊度分布結果，大塊率控制效果好。

(3)階段二進一步驗證了階段一的結果，同時排除了間隔裝藥結構方案，確定采用連續裝藥結構；而渣區域采用7.0m×6.0 m(a×b)孔網參數，單耗0.32～0.33 kg/m3，大塊率及底根情況均在可接受范圍，且不影響生產，符合優化目標。