謙比希銅礦大斷面掘進爆破技術優化改進工程實踐

胡國斌 張金鐘 李延龍 盧二偉 祁澤鋒

摘要：針對謙比希銅礦大斷面掘進爆破超（欠）挖、斷面成型差、進尺不足的問題，通過改變炮孔設計中掏槽空孔數量、掏槽孔位置，減小周邊孔孔距，增加周邊排與輔助排間不裝藥孔的方式等對爆破方案進行優化改進，并在實際掘進爆破中應用，記錄統計多次爆破效果，將改變前后的爆破效果對比得出了適合礦山大斷面掘進爆破的最優參數為：周邊孔孔距700 mm，密集系數0.7，排距1 000 mm。優化后的爆破方案解決了礦山大斷面掘進爆破中存在的問題，對于礦山井巷爆破工程的質量控制具有重要意義。

關鍵詞：大斷面;掘進爆破;斷面成型;進尺;掏槽空孔;周邊孔;質量控制

中圖分類號：TD23文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2020）06-0036-04?doi：10.11792/hj20200608

引?言

中色非洲礦業有限責任公司謙比希銅礦（下稱“謙比希銅礦”）位于贊比亞銅帶省基特韋市謙比希鎮，主要由主礦區、西礦區和東南礦區3個礦區組成。東南礦區礦體傾角緩、厚度薄、埋深大，上覆巨厚的含水層，且地表有當地主要公路及其他重要的地面設施需要保護，開采難度大[1]。

目前東南礦區掘進施工使用的是山特維克DD422i雙臂鑿巖臺車，爆破使用的炸藥是南非AEL公司提供的現場混裝乳化炸藥，裝藥使用美國GETMAN公司的裝藥臺車，裝藥作業可實現單孔定量裝藥。大斷面（寬×高為9 m×5 m）掘進爆破后出現以下問題：①爆破存在一定程度的超（欠）挖現象，且底板欠挖，施工達不到設計位置的現象較多;②爆破進尺不足，實際爆破進尺與設計炮孔深之比低于80 %;③巷道成型較差，影響后續出渣、支護作業，增加采掘成本。針對以上問題，通過研究現有爆破設計，對掏槽方式、周邊孔排距、炮孔數量進行優化，使用優化后的設計進行鑿巖爆破作業，經大量現場應用，對比優化前后的爆破效果，證實了優化后的爆破設計可解決上述問題。

1?工程概況

謙比希銅礦東南礦區是中色非洲礦業有限公司謙比希銅礦的3大主礦區之一。謙比希銅礦床為大型沉積型銅礦床，礦區東西長6 km，南北寬5 km，面積30 km2。礦床具有礦石品位高，礦體分布范圍廣，礦化帶分布規律性強等特點，資源儲量較大。該礦山為新建礦山，是中色非洲礦業有限責任公司大型銅礦原料基地，采用豎井開拓方式，設計建設規模為330萬t/a。礦床為層控型礦床，礦體與圍巖一并經受褶皺作用，總體走向NW，基本與褶皺軸向一致，傾向NE，傾角5°～20°，屬于緩傾斜中厚礦體，平均厚度為9.63 m，礦體沿走向、傾向延伸較穩定。上盤圍巖為以泥質石英巖為主的淺變質巖，埋深497.15～986.45 m，厚度13.98～102.50 m，巖石結構致密、完整;下盤圍巖為礫巖和石英巖，埋深576.77～1 022.45 m，厚度4.27～43.83 m，礫巖由各種圓狀至次棱角狀的礫石構成，膠結致密，下盤巖石均堅硬、完整。

東南礦區礦巖質量穩定性分級為：礦化板巖均屬于第Ⅲ～Ⅳ級巖體，上盤石英巖和下盤石英巖均屬于Ⅱ級巖體，基底花崗巖和下盤礫巖均屬于Ⅱ級巖體;同一類型的巖體質量存在一定的差異，是由于同類巖體的賦存條件不同所致[2]。

由于東南礦區特殊的礦體賦存條件，目前，其采礦方法有以下幾種：

1）分層進路采礦法。礦體厚度6～12 m時，采用該采礦方法。

2）中深孔落礦充填采礦法。根據礦體厚度的不同，將該方法分為2種：①厚度12～20 m，上分層采用進路采礦法（斷面寬×高為9 m×5 m），下分層采用下向中深孔法;②厚度大于20 m，采用上向中深孔法，在礦體底部的鑿巖巷施工上向中深孔。

3）全面采礦法及房柱采礦法。厚度小于6 m，采用礦房礦柱布置。

2?原爆破設計參數及存在問題

2.1?爆破設計參數

根據現有爆破設計方案，掘進斷面為矩形斷面，采用山特維克DD422i雙臂鑿巖臺車鉆孔，采用直孔掏槽方式。具體炮孔設計和參數分別見圖1和表1。

炸藥使用AEL公司提供的現場混裝乳化炸藥，采用GETMAN公司的裝藥臺車進行機械化裝藥，掏槽孔和底孔填塞長度0.7 m，輔助孔和周邊孔填塞長度0.9 m，炸藥單耗3.3～4.0 kg/m3。孔內采用單發毫秒微差導爆管雷管，裝于孔底起爆，采用導爆索將所有孔內引出的導爆管并聯，主起爆雷管為數碼雷管，采用專用起爆器起爆。雷管段位布置見圖2。其中，0～8段間微差時間100 ms，9～14段間微差時間250 ms，15段及以上的段間微差時間500 ms。

2.2?存在問題

1）掘進爆破參數設計不合理，致使斷面成型差，斷面不規則，超（欠）挖問題較為突出。

2）設計為矩形斷面，致使爆破后頂板巖石層理結構破壞，造成頂板不穩定，需要支護工作量較大。

3）巖性條件變化大，采用固定位置的掏槽孔，未能因地制宜地進行掏槽孔位置調整。

3?爆破設計優化

3.1?炮孔設計參數

1）周邊孔孔距（a）。本文根據經驗公式[3]確定：

式中：d為炮孔直徑，取45?mm。

經計算：a=360～810 mm。根據礦山實際情況，本次設計取a=700 mm。

2）周邊孔密集系數（m）。炮孔密集系數決定了爆破塊度，東南礦區礦體礦化板巖巖體質量穩定性分級為Ⅲ～Ⅳ級，結合國內類似工程，取m=0.7。

3）周邊孔排距。根據經驗公式m=a/W，得到W=1 000 mm，即排距為1 000 mm。同時，為了解決底板欠挖問題，將底孔與第二排排距設計為600 mm。

4）為了減弱周邊孔爆破沖擊對邊幫和頂板的破壞，在周邊孔與輔助孔中間布置一排炮孔，但不裝藥。

3.2?炮孔斷面形狀

該礦床為層控型礦床，礦巖交界面非常明顯，根據礦山采場回采設計，礦體頂板為傾斜狀。因此，為保證采場爆破后的頂板穩定性，利用礦體本身的層理結構，將采場炮孔斷面設計為梯形，這樣爆破后既沒有破壞采場頂板原有層理結構，也有助于形成規整斷面。某盤區部分礦體縱剖面見圖3。

3.3?掏槽方式

掏槽爆破的目的是盡可能地創造巖石破碎補償空間和自由面，為其他炮孔爆破提供條件。掏槽爆破質量是提高巷道進尺的關鍵影響因素之一[4-5]?？湛卓梢栽鰪姂袑蜃饔?，孔徑越大越明顯，且槽腔巖石破碎范圍越大，越有利于發揮自由面效應，為后爆炮孔提供充足的補償空間。因此，合理布置空孔，對于改善掏槽爆破效果具有重要作用。

原炮孔設計中，掏槽孔空孔數為4個，布置方式為中間布置1個裝藥孔，4個空孔布置在以中間裝藥孔為中心的正方形的4個頂點上。東南礦區采用的掘進鑿巖設備為山特維克DD422i雙臂鑿巖臺車，其鉆桿全長為5.5 m，有效長度為5.2 m，炮孔設計中為提高設備利用率，同時考慮作業面不平整度，孔深設計4.9 m。在實際鑿巖過程中，多次發生中間裝藥孔與空孔穿透的現象，導致在裝藥過程中中間裝藥孔部分炸藥流入空孔中，造成爆破時炸藥能量損失，難以獲得較好的爆破效果，進尺較低。因此，將中間裝藥孔也設計為空孔。

3.4?掏槽孔位置

原有炮孔設計掏槽孔只設計了一個位置，由于操作工人操作水平有限，無法根據作業面巖石條件選擇不同的位置作為掏槽孔位，因此經常出現以下幾種現象：

1）爆破后作業面掏槽孔位置較破碎，造成下次鑿巖掏槽孔鉆鑿質量較差，引起裝藥質量不佳，爆破效果較差。

2）巖性的變化引起爆破前后2次作業面同一位置的巖石質量差異，下次掏槽孔位置巖石質量較差，導致掏槽孔鑿巖質量不佳，最終爆破效果差。

為解決上述問題，在炮孔設計中將掏槽孔位置設計為3種：中間、左側、右側。操作工人鑿巖前根據作業面巖石質量情況選擇使用不同位置的掏槽孔，保證掏槽孔質量。優化后的炮孔設計見圖4。

3.5?應用效果

優化前實際斷面輪廓與設計斷面輪廓工程對比見圖5。

從圖5可以看出，優化前最大線性超挖量為0.91 m，最大線性欠挖量為0.65 m，超（欠）挖較嚴重，且斷面成型較差。

優化后實際斷面輪廓與設計斷面輪廓工程對比見圖6。

從圖6可以看出，優化后最大線性超挖量為0.34 m，最大線性欠挖量為0.13 m，平均線性超（欠）挖量降低了50 %，且斷面爆破后成型較好，解決了底板欠挖問題。

4?結?語

通過優化炮孔設計參數，改變掏槽方式、增加不同掏槽孔位置，在周邊孔與輔助孔間增加1排不裝藥孔的方式，爆破效果得到明顯改善，工程質量提高顯著，爆破成型效果良好，平均線性超（欠）挖量降低50 %。

本次只針對超（欠）挖、巷道成型、工程質量、爆破進尺問題進行了炮孔參數設計優化，且考慮文章篇幅有限，只選取個別應用實例說明，未從裝藥結構和裝藥量進行優化，建議后續從裝藥結構和裝藥量對爆破技術進行進一步研究。

[參 考 文 獻]

[1]?蔣先堯，邢鵬，李延龍，等.謙比希銅礦井下開采智能管控系統建設及應用[J].黃金，2019，40（1）：43-47.

[2]?章林，儀海豹，楊海濤，等.謙比希銅礦東南礦區巷道掘進爆破改進思路及控制措施[J].金屬礦山，2019（5）：48-55.

[3]?邢彪，張振.超大斷面隧道光面爆破施工技術研究[J].低碳世界，2018（3）：252-253.

[4]?楊國梁，馮棟凱，冀文歡，等.不同掏槽形式成腔過程比較數值分析[J].爆破，2015，32（2）：59-63.

[5]?單仁亮，黃寶龍，蔚振廷，等.巖巷掘進準直眼掏槽爆破模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31（2）：256-264.