礦山深孔爆破落礦方式選擇及參數(shù)優(yōu)化研究

朱杰超，蔣 培

（1.貴州貴安新聯(lián)爆破工程有限公司，貴州 貴安 550025；2.武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081）

爆破是礦山開采的主要方式。爆破落礦是指通過爆破崩落礦石的作業(yè)過程，根據(jù)爆破時(shí)炮孔的深度可以分為淺孔爆破、中深孔爆破、深孔爆破三種。爆破落礦節(jié)省了開采過程中的人力投入，減少了機(jī)器的損耗，同時(shí)提高了礦山開采的效率。對于礦山來講，深孔爆破是增加礦產(chǎn)量、擴(kuò)大后續(xù)開采規(guī)模、提高勞動生產(chǎn)效率的主要方式。現(xiàn)階段礦山常用的深孔爆破落礦方式主要有側(cè)向崩礦、VCR法兩種。兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在不同類型的礦山開采工程中都有應(yīng)用。實(shí)際使用時(shí)，不僅需要根據(jù)礦山開采工程具體情況選擇合適的爆破落礦方式，還需要結(jié)合礦山的礦物類型、礦山巖性、礦采量等詳細(xì)信息，優(yōu)化爆破落礦方式中的具體參數(shù)，得到最優(yōu)的技術(shù)指標(biāo)[1]。因此，本文將以某礦山為研究對象，研究礦山深孔爆破落礦方式選擇及優(yōu)化。

1 礦山深孔爆破落礦方式選擇

1.1 礦山開采工程具體情況

本文研究對象的礦山預(yù)計(jì)開采產(chǎn)能為450萬噸/年。礦山整體為東西走向，礦體為傾斜礦體，傾斜角度平均為62.2°。礦體底層圍巖與礦體界限清晰，由于礦體巖性主要為片巖、變粒巖，礦體的穩(wěn)定性不一致。礦體厚度為20m～50m，因此采用深孔鑿巖爆破方式開采礦物。根據(jù)以上礦山開采工程的詳細(xì)信息，選擇合適的爆破落礦方式。

1.2 深孔爆破落礦方式對比

圖1 側(cè)向崩礦的示意圖

主要的深孔爆破落礦方式為側(cè)向崩礦、VCR法兩種。側(cè)向崩礦為在開鑿的巷道中，鉆鑿垂直于地表的爆破孔，并在礦房的一側(cè)，根據(jù)礦山開采的規(guī)模、爆破藥包等，在爆破孔中裝藥。在藥包引爆后，礦物塊崩落至采礦空間中。下圖為側(cè)向崩礦的作業(yè)示意圖。

VCR法爆破的主要特點(diǎn)是炮孔兩端是敞開的，要求采用堵孔，將藥包停留在預(yù)定的位置上,所以裝藥是這種爆破方法非常關(guān)鍵的作業(yè)。當(dāng)球狀藥包埋置在采場頂?shù)装逯g向下部自由空間爆破，即倒置漏斗爆破，就成為VCR法球狀藥包爆破技術(shù)的主要特點(diǎn)。VCR法主要用于中厚以上的垂直礦體，深孔排列采用平行排列。下圖為VCR法爆破落礦的作業(yè)示意圖。

圖2 VCR法爆破落礦的示意圖

對比側(cè)向崩礦、VCR法兩種深孔爆破落礦方式，其優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示[2]。

表1 兩種深孔落礦爆破方式優(yōu)缺點(diǎn)對比

根據(jù)本次研究對象礦山工程的具體情況，選擇VCR法開采礦山，對選定爆破落礦方式進(jìn)行技術(shù)參數(shù)優(yōu)化。

2 礦山深孔爆破落礦方式參數(shù)優(yōu)化

2.1 確定孔距與最小抵抗線

孔距與最小抵抗線的大小，影響爆破效果、礦山開采成本等。炮孔的密集系數(shù)是孔距與最小抵抗線的比值，如下式所示：

公式（1）中，m為爆破孔的密集系數(shù)；p為爆破孔距，w單位為m；為最小抵抗線，單位為m。根據(jù)測試，本次礦山開采工程中，優(yōu)化后爆破孔直徑為160mm，最小抵抗線為1.8m，孔距為2m，崩落高度2.5m。確定孔距、最小抵抗線的最優(yōu)參數(shù)后，優(yōu)化崩礦步距。

2.2 優(yōu)化崩礦步距

崩礦步距影響礦石損失貧化程度，因此需要優(yōu)化崩礦步距減少礦體損失。設(shè)λ為礦山開采時(shí)的二次回采率，則二次回采率的計(jì)算公式如下式所示：

公式（2）中，V為開采的礦石體體積，單位為m3；Vf為一次開礦后，開采出的礦體體積, 單位為m3；Vh為一次開采后混入的巖石體積,單位為m3。Vf、V與Vh之間關(guān)系式如下式所示：

公式（3）中，L為崩礦步距；θ為崩礦傾斜角度；a、b、c分別為崩礦開出體的近似長半軸、短半軸、縱短半軸。根據(jù)設(shè)定的本次礦山開采工程中的單次放礦高度，可以得到優(yōu)化后的最佳崩礦步距取3.6m。計(jì)算得到最優(yōu)崩礦步距參數(shù)后，計(jì)算爆破孔的爆破時(shí)間間隔。

2.3 爆破時(shí)間間隔優(yōu)化

爆破后，礦山巷道中會產(chǎn)生新的自由面。因此，按照新自由面的形成時(shí)間，計(jì)算爆破時(shí)間間隔，設(shè)置理想的爆破延期間隔時(shí)間可以有效利用新自由面，充分利用爆炸能量，破碎剝離礦體，計(jì)算公式如下式所示[3]：

公式（4）中，K1為已知系數(shù)，K1的取值范圍為1.2～2；Tr為礦體巖石容重，單位為g/cm3；De為爆破藥包的爆速；Dr為爆破藥包產(chǎn)生的爆炸波在礦山巖體中的縱波波速，單位為m/s；S為爆破后，脫落礦體的脫離距離，本次礦采工程中，根據(jù)爆破藥包的具體參數(shù)，脫離距離大約為10mm；v為在爆破中和爆破后，脫離礦體的平均移動速度，根據(jù)脫離礦體的體積，v的取值范圍為4m/s～7.2m/s。結(jié)合本次礦采工程的具體參數(shù)，可以計(jì)算得到優(yōu)化后的爆破藥包間隔時(shí)間范圍為12.30ms～19.98ms。在實(shí)際礦山開采過程中，爆破藥包在爆破孔中的間隔時(shí)間應(yīng)略大于上述計(jì)算的理論時(shí)間間隔值。完成了對深孔爆破落礦方式技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化。

3 深孔爆破落礦方式參數(shù)優(yōu)化效果測試

本文根據(jù)礦采工程的前期規(guī)劃詳情，選擇了VCR法的爆破落礦方式。在選擇了對應(yīng)的爆破落礦方式后，對影響爆破落礦效果的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

為驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化方法前后對礦山開采的實(shí)際效果，本節(jié)將設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3.1 測試內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)為對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的對比組為未經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化的VCR法爆破落礦方式，實(shí)驗(yàn)組為經(jīng)過上述參數(shù)優(yōu)化后的VCR法爆破落礦方式。對比實(shí)驗(yàn)的對比指標(biāo)為使用兩個爆破落礦方式前后，礦石的損失率、大塊礦石的產(chǎn)出率。通過對比以上兩個指標(biāo)，評價(jià)參數(shù)優(yōu)化前后采礦效果。

在本次研究的實(shí)驗(yàn)礦山內(nèi)，選取兩個相同大小的開采區(qū)域，分別應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組和對比組爆破落礦方式，進(jìn)行采礦作業(yè)。在兩個開采區(qū)域均進(jìn)行15次的爆破，統(tǒng)計(jì)每次爆破后的礦體開采情況。得出15次爆破落礦作業(yè)中，礦石的損失率、大塊礦石的產(chǎn)出率。處理并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出對應(yīng)結(jié)論。

3.2 測試結(jié)果

使用兩組爆破落礦方式作業(yè)后，礦石的損失率、大塊礦石的產(chǎn)出率對比結(jié)果如下表所示。

表2 礦石的損失率、大塊礦石的產(chǎn)出率對比結(jié)果

分析上表可知，采用對比組爆破落礦方式進(jìn)行作業(yè)時(shí)，采礦的損失率、產(chǎn)出的大塊礦石比例均高于采用實(shí)驗(yàn)組爆破落礦方式。并且隨著爆破次數(shù)的增加，礦山的巖性受到數(shù)次爆破的影響，巖層之間的相互作用力不斷減小，巖層松動，導(dǎo)致礦石損失率不斷增加。而且隨著巖層的松動，每次爆破后的大塊礦石產(chǎn)出量也不斷增加。計(jì)算在本次爆破落礦作業(yè)過程中，使用實(shí)驗(yàn)組和對比組爆破落礦方式的平均礦石損失率、大塊礦石的產(chǎn)出率，對比組的平均礦石損失率為7.54%，大塊礦石的平均產(chǎn)出率為28.488%；實(shí)驗(yàn)組的平均礦石損失率為3.58%，大塊礦石的平均產(chǎn)出率為12.366%。說明相比使用對比組爆破落礦方式進(jìn)行作業(yè)，使用實(shí)驗(yàn)組爆破落礦方式進(jìn)行采礦作業(yè)可以減少52.6%的礦石損失，降低56.6%的大塊礦石產(chǎn)出率。以上數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后的爆破落礦方式能夠?qū)崿F(xiàn)更好的采礦效果，提升礦采質(zhì)量與效率，即選取技術(shù)參數(shù)優(yōu)化后的爆破落礦方式對礦山的生產(chǎn)意義重大。

4 結(jié)語

現(xiàn)在礦山開采的過程中通常采用爆破的形式，深孔爆破落礦能夠提高礦物的產(chǎn)量。本文對側(cè)向崩礦、VCR法兩種深孔爆破落礦方式進(jìn)行了研究，并對比兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合本次研究對象礦山的具體施工信息，選取了VCR法深孔爆破落礦，同時(shí)對影響爆破落礦的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過與未優(yōu)化爆破落礦方式的對比實(shí)驗(yàn)，證明了參數(shù)優(yōu)化的有效性。