巴潤鐵礦超大區爆破方案設計與實踐

師文強 顧春雷 張 波

(內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司巴潤礦業分公司)

近年來，大區爆破以建設速度快、勞動效率高、綜合經濟效益好等特點，在大型露天礦山建設和生產過程中得到了廣泛應用。但是，全國大型露天鐵礦數量不多，且傳統的大區爆破已能夠滿足日常生產需要，因此增大爆區規模的爆破技術的研究與應用并未得到足夠重視。在包鋼集團不斷增長的鋼鐵生產用礦需求的大背景下，巴潤鐵礦決定采用超大區爆破技術。超大區爆破即單個爆區爆孔數量、一次用藥量、爆破范圍等參數均較傳統大區爆破大。為進一步提高巴潤鐵礦的礦石生產能力，本研究通過對大區爆破技術方案進行設計與應用。

1 工程概況

巴潤鐵礦位于內蒙古自治區包頭市，礦區屬于干燥氣候區，該礦設計原礦生產能力為1 500萬t/a，采剝總量為11 250萬t/a。礦區鈮礦、稀土、鐵等多種金屬共生，礦體南北寬約1 km，東西長10 km，呈向斜構造，在向斜兩翼分布有南北2個礦帶，相距200～500 m，由東向西開始兩礦帶逐漸變寬。白云鄂博西礦礦體主要產于中元古界白云鄂博群哈拉霍疙特巖組中，形態雜亂。爆區位于東采場北幫1 536段30#～37#線(圖1)，巖性以白云巖、板巖和含鐵圍巖為主，結構致密堅固，層理和節理不發育，硬度f=8～10，爆破難易程度為中等。該爆區長度為630 m，寬度為60～150 m。

圖1 爆區位置示意

2 爆破方案設計

爆破方案設計原則是最大限度的將爆區內總裝藥量在時間和空間上分散開，大幅降低爆破振動影響，每一排爆孔按照爆破設計的延時間隔順序起爆，為下一排炮孔起爆創造新的自由面。此外，所在爆區的地質條件，也是影響爆破效果的重要因素之一，直接影響了爆破范圍大小、爆破方法、爆破礦石總量以及爆破后的鏟裝作業現場環境布置等。

2.1 炸藥單耗

本研究根據礦巖普氏系數、裂隙發育程度、斷層控制情況確定炸藥單耗，并根據爆破礦巖風化狀態、弱面分布等實際情況進行適當增減[1]。爆區中已掘好的炮孔應充分考慮巖層裂隙充水因素，為避免水孔中的炸藥被水浸泡失效或炸藥懸浮而使得炸藥重心提高，因此從安全和便于裝藥角度，水孔應裝乳化炸藥，干孔應裝銨油炸藥[2]。

2.2 孔網參數

爆區鉆孔設備采用310牙輪鉆機，故鉆孔直徑為d=310 mm。抵抗線W的計算公式為

W=(25～40)d.

(1)

本研究W=8～12 m。

孔距a和排距b的計算公式為

a=mW，

(2)

b=asin45° ，

(3)

式中，m為鄰近系數，一般取0.8～2。

臨近系數m值的大小根據礦巖性質、起爆方式、對爆破塊度的要求進行確定。礦巖較堅硬難爆，應取小值，反之，應取大值。爆區礦巖較為堅硬，爆破難易程度為中等，因此m取1。根據現場環境，取a=10～11 m，b=6～8 m。

炮孔孔深h應根據抵抗線以及臺階高度進行適當調整，計算公式為

h=(0.1～0.2)W.

(4)

當巖石松軟時，h取較小值；反之，h取較大值，由于爆區巖石較為堅固，且考慮到現場鉆機鉆桿長度為18 m，為施工方便，h=2 m。為提高成孔率、保證鉆機起落和進尺安全，常將炮孔布置成垂直孔，有利于鉆機穿孔作業并改善爆破效果[3]。

爆破藥量Q的計算公式為

Q=kqabH，

(5)

式中，q為炸藥單耗，kg/m3；H為臺階高度，m；k為各排孔的礦巖阻力作用的增加系數，一般取1.1。

經過巴潤鐵礦多年經驗以及現場礦巖條件，巖石堅固性系數f=12，結合表1可知，相應的炸藥單耗q=0.74 kg/m3。

表1 單位炸藥消耗量q取值 kg/m3

2.3 布孔方式及孔網參數

爆區采用三角形布孔方式，區內巖性較復雜，穿孔深度為14 m，炮孔直徑310 mm，設計孔網參數為11 m×6 m(a×b)，平均超深2 m，在爆區靠東側區域，巖性出現明顯變化，該含有少量混合礦，該部位孔網參數設計為10 m×6 m(a×b)。爆區相關爆破參數設計取值見表2。

表2 爆區相關爆破參數

2.4 起爆方式和裝藥結構

由于爆區規模較大，且爆區后側已揭露的臺階巖性為碳質板巖，相較其他部位來說較不穩定，為減少單次起爆的最大起爆藥量，有效降低爆破振動，確保采場邊坡穩定性[4-5]，爆區設計采用高精度逐孔起爆技術進行爆破。在相同孔深和孔徑的條件下，間隔裝藥結構的總裝藥量比連續裝藥結構小，因此也更能有效減少爆破振動。由裝藥結構對爆破振動影響的相關研究表明，減振效果由好至差的裝藥結構依次為空氣間隔裝藥、水間隔裝藥和無間隔裝藥。根據礦山減振和降本增效需要，不同地段采用不同裝藥量、不同填塞長度。根據礦山地質條件等因素，爆區爆破采用連續裝藥結構(圖2、圖3)，初步設計為：①13 m區域底部裝藥650 kg，填塞高度6.5 m；②15 m區域底部裝藥800 kg，填塞高度7 m；③16 m區域底部裝藥950 kg，填塞高度6.5 m。

圖2 炮孔裝藥示意

圖3 爆區裝藥及網絡連接示意

2.5 施工現場管理

(1)臨近邊坡鉆孔。為使得爆區在爆破過后的最終邊坡穩定可靠，在臨近最終邊坡界限處已提前實施預裂爆破，在靠近爆區最終邊界處應嚴格控制孔底標高。

(2)臨空面坡腳根底預處理。對臨空面坡腳根底進行預處理可以為超大區爆破提供良好條件，根據巴潤鐵礦實際情況，需在爆破前采用液壓破碎機配合挖掘機進行預處理。

(3)現場裝藥技術措施。裝藥前需測量炮孔中水深，對含水孔應用乳化炸藥，無水孔應用銨油炸藥。在裝藥過程中，爆區負責人應根據設計要求確保炮孔中裝藥符合設計要求。

(4)合理堵塞長度。為有效控制爆破飛石，應按照爆破設計要求進行炸藥填塞和炮孔填塞，填塞長度一般為平均抵抗線的1.3倍。填塞過后，應用木桿逐一進行搗鼓并檢查填塞質量。

(5)現場施工管理時應提前考慮到爆破后的渣滓無法及時清運外排的情況，爆破過后，爆堆除前排向前沖出外，大部分留在原地，要求爆破后不能留有根底，否則不僅會增加后期破碎費用，而且為平整場地帶來困難。

(6)爆區南側靠近邊坡，施工時應嚴格按照設計要求控制臨近邊坡的孔底標高及裝藥結構和密度，確保邊坡穩定。

(7)由于爆區面積大，故應確保導爆管連線系統穩定，多次檢查后方可實施爆破。

3 爆破危害控制及防治措施

3.1 飛石安全管控

飛石是造成露天礦開采過程中安全事故的主要原因之一，同時也是超大區爆破過程中應著重關注的因素。造成飛石的原因有很多，當炮孔內裝藥量較多時，便會導致填塞長度達到設計要求，在此情況下，很容易出現飛石現象；當爆區中巖體結構面發育完全時，炮孔與裂隙發生貫通，并且鉆孔最小抵抗線估計出現重大失誤時也會造成飛石現象發生[6-7]。

綜合上述各種飛石現象出現的原因，飛石預防措施主要有[8]：①采用加壓砂包填堵孔口，加壓砂包是露天礦爆破過程中防治飛石的有效手段之一，在孔口設置加壓砂包可以有效防治飛石現象發生，可以避免因炮孔虛塞導致沖炮現象發生；②合理確定最低抵抗線位置，在爆區內抵抗線相對薄弱的位置采取措施，主要方法是堵塞巖粉，在裝藥前技術員應認真檢查每一個炮孔，查看炮孔和裂隙以及孔與孔之間是否出現貫通現象，若出現該現象應立即堵塞該段炮孔。

3.2 爆破振動安全管控

爆破產生的振動效應也是露天礦山開采過程中造成間接安全事故的主要原因之一，嚴重危害了露天邊坡和周邊建筑物的穩定。由于地震波在傳播過程中受到多種因素影響，因此，爆破地震波傳播過程十分復雜。露天礦山爆破不可避免的會產生爆破振動，因此應將爆破振動控制在爆破振動危害效應影響范圍內，即振速、頻率以及安全距離應符合露天礦山安全標準。為減小爆破振動，可采取的措施主要有減小爆破源頭單響藥量、阻隔減弱爆破應力波傳播、改變爆破應力波傳播方向等[1,9]。

(1)爆破振動對構筑物的影響。計算公式為

RDZ=KDZQ1/3，

(6)

式中，RDZ為爆破安全距離，m；KDZ為修正系數，一般取6。

(2)對周邊建筑物的安全距離。計算公式為

RZ=KZQ1/3,

(7)

式中，KZ為修正系數，一般取4。

綜上分析，本研究爆破振動危害的預防措施主要有：①盡可能將爆區內的總裝藥量在時間和空間上分散開，限制一次爆破的最大用藥量；②選擇適當的裝藥結構，炮孔中裝藥結構對最終的爆破振動影響較大，一般來說，間隔裝藥的總裝藥量小于連續裝藥結構的總裝藥量，故而采用間隔裝藥方式有助于減少爆破振動。

4 爆破效果

4.1 爆破振動

本研究選擇由TCS～B3型三軸振動速度傳感器、低噪聲屏蔽信號電纜和TC～4850N型無線網絡測振儀組成的監測系統對該礦大區爆破振動速度進行監測。TCS-B3型速度傳感器頻率范圍為5～300 Hz，攜帶方便，適用于戶外監測，并可長期保存所記錄的數據，使用十分方便。按照需要重點監測的邊坡位置，在距離爆心180，290，345，420 m平臺上共布設了4個監測點(表3)。

表3 振動測試基本參數

爆破監測數據表明：各質點的峰值振動速度為1.018 9～2.736 9 cm/s，滿足《爆破安全規程》(GB 6722—2014)對于邊坡保護的速度要求，小于國家標準允許的振動速度5～9 cm/s。已測出的爆破振動主頻率最小為8.4 Hz，最大為20.5 Hz，可見爆破振動不會與邊坡、建筑物發生共振。因此，該爆破振動不會對爆區邊坡及附近建筑物造成影響。

4.2 大塊率

大塊率是衡量爆破效果的最主要指標，也直接影響了后續鏟裝作業。本研究爆破由于采用斜線起爆方式，會在先爆孔和后爆孔2個方向產生爆轟作用。采用三角孔布孔方式可以極大彌補炮孔排與排之間的應力降低從而使得破碎效果不理想的缺陷。采用毫秒微差起爆方式，可以使得分推效應大大增加，同時也使得補償空間大大增加。根據現場資料統計，大塊率約10%，可滿足后期鏟裝要求。

4.3 爆破后沖作用

由于前排孔最先沿著自由面方向起爆，形成主動位移區，該區域為后排炮孔提供了新的爆破自由面，產生的爆力方向主要朝著自由面方向對爆區內的巖石產生破碎作用，根據現場分析，爆破后沖作用較小。

4.4 爆破成本

現場數據統計表明，超大區爆破有助于減少施工次數，減少因爆破影響周圍采場作業的時間，避免爆區鏟裝接替不及時的現象發生。區內爆破量為173萬t，消耗炸藥量為412 t，炸藥單耗為238 g/t，較傳統爆破降低了炸藥單耗10%、節約穿孔米道13%、爆破成本1.08元/t，較采場平均開采成本降低了15%。綜合計算，本研究爆破施工直接降低了成本約70萬元。

5 結 語

以巴潤鐵礦為例，為進一步提高該礦生產能力，設計并采用了超大區爆破技術方案。實踐表明：超大爆區爆破有助于增加一次爆破量，減少全年爆破次數，且通過合理設置爆破參數后，不僅可以將爆破振動影響、大塊率爆破后沖作用控制在安全允許范圍內，還可以降低每噸原礦的開采成本，對于實現礦山企業降本增效大有裨益。