基于爆破塊度指標的采選能耗研究分析

欒 輝

（鞍鋼集團鞍千礦業有限責任公司，遼寧 鞍山 114051）

對于礦山而言，如何在開采時實現能量高效利用，是礦山開采能耗的研究方向。整個生產環節包括炸藥破巖的能耗和機械設備磨礦的能耗，在礦山資源開采過程中，爆破工序的能耗分配不合理，破磨設備能量消耗巨大，導致整體能耗過高。因此提出了能耗前移，以爆代破，以破代磨的方式指導作業，在礦山開采環節，常以爆破的方式進行開采，利用炸藥爆炸的能量對巖石進行做功，根據能量的傳遞性，尋求以低能高效的形式破碎巖體，以獲取合格的爆破塊度，而后爆破產生的巖塊通過裝車、輸送帶等方式運輸至選礦廠，此時若破碎巖塊粒度控制較好，破碎設備效率顯著提升，所需能耗也因此較低，獲得經濟收益越高，所以基于爆破塊度研究礦石破碎的能耗，對礦山提高生產效率，提高經濟收益具有重要意義。

1 采礦能耗

1.1 爆破塊度與能耗關系的研究

爆破作為礦山開采的主要手段，爆破階段能量消耗體現在炸藥能量對巖石做功方面，而不同炸藥能量下所對應爆破效果截然不同，控制炸藥能量耗散有利于巖石的破碎，產生合格細小巖塊，實現經濟收益最大化。當炸藥能量不足時表現為大塊率高，對后續生產環節造成困難；當炸藥能量耗散過大時表現為礦粉過多，不利于資源開采利用。可見塊度與炸藥能耗之間存在一定的關聯，用爆破塊度衡量炸藥能量耗散、能量利用率是否達到要求是評價爆破效果的根本途徑。因此開展爆破塊度與炸藥能耗的規律研究，有助于實現采礦環節低能耗高爆破的目標。

根據國內外學者對爆破塊度的研究，牛愛紅[1]通過魚骨圖列舉影響爆破因子、對重要因子進行失效模式分析，用全因子進行評價，經過試驗將其主要的影響因素分為巖體性質、孔網參數以及裝藥結構（具體影響因素見表1）。作為爆破對象的巖體是一種固定屬性的介質，其力學性能是不能改變的，目前室內試驗為研究塊度與能耗之間的關系，采取根據巖石破碎特性，檢測應變率、沖擊能、破碎程度與破碎能效率之間的聯系[2]。為了獲取準確可靠的應變率、沖擊能采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）進行動態沖擊壓縮試驗，尋求塊度分布與能量耗散之間的關系，獲取巖石動態破壞時塊度分布特征[3]。大致可以得出，能量利用率高時破碎塊度均勻，大塊率小。在室內試驗研究基礎上，現場爆破采取依據現場環境研究巖體性質、孔網參數和裝藥參數對爆破效果的影響，為達到爆堆集中、塊度均勻、細小巖塊多的目標，需要提升炸藥能量利用率，實現低能耗高爆破。

表1 影響爆破效果的因素

1.2 爆破塊度分布與能耗測試

爆破是一個炸藥釋放能量，巖石吸收能量的過程，可通過檢測爆破塊度分布、大塊率百分比來評價能耗的利用是否達到預期目標。

對此，進行爆破之前進行模擬、預測和分析，考慮最小抵抗線、孔深、孔徑、裝藥結構、孔間延時、起爆順序等參數對爆破塊度的影響，并結合實際工程對其進行科學合理的改進，確定最優炸藥單耗，達到低能耗、高利用率，產生合格細小巖塊標準。目前常用K-R（Kuznetsov-Rosin-Rammler）數學模型進行預測，它是一個通過建立各種裝藥參數，從而準確預測大塊率所對應炸藥單耗的數學模型，并且在實際工程中效果顯著，可以實現炸藥能量充分利用，將大塊率控制在3%以下[4]。此外為實現炸藥能量的高效利用，還可以采取分析孔網參數數影響的方式，獲取合格爆破塊度。例如在最小抵抗線逐漸增大后，爆破能耗呈現先升后降的趨勢，為達到低能耗高爆破目標，在最小抵抗線最優時，實現了爆破能耗最低，爆堆質量最高，且小于110mm尺寸巖塊占比達57%，能耗節省了約2.5倍[5]。在孔間延時時間下，爆破能耗同樣呈現出在先升后降的趨勢，所以確定最佳孔間延時時間，可使炸藥能量利用充分，得到分布均勻的爆破塊度，將大塊率控制在6%左右[6]。

爆破工作中，需對爆破設計進行不斷優化，具體分析現場各類因素對炸藥單耗的影響，根據不同工程、同一工程不同作業階段、不同孔徑對應不同臺階高度等，確定炸藥選取的側重點，提出多種優化方式，選取最合適的炸藥單耗，實現塊度均勻，低能耗高爆破量的目標。如在某深孔爆破中，利用現場經驗算出合理孔徑和臺階高度，在確定炸藥單耗為0.3957kg/m3時將日均爆破方量達到了10000m3以上[7]；魚山工程爆破中，考慮爆破排數、臺階高度對炸藥單耗的影響，在確定炸藥單耗為0.33kg/m3時將單月開挖量達到了317萬m2[8]，在這兩個爆破工程中，爆破后也呈現出了爆堆集中，塊度均勻，大塊率少的現象，展現出了能量的高效利用。

可見在采礦環節，通過采取相應的預測與優化手段，對于控制爆破塊度有積極的作用，而大塊度率的降低，爆破塊度均勻的產生，正是能量高效利用的體現，能夠促進爆破開采節能降耗的發展，有利于取得最大化經濟收益。

2 選礦能耗

2.1 爆破塊度對篩分能耗的影響規律

在爆破開采后，將爆堆巖塊運輸至選礦廠進行破碎，選礦過程通常包括初破、中破、細破、碾磨這幾個步驟。爆破開采后，爆堆巖塊塊度的尺寸大小、塊度分布均勻程度對選礦廠篩分能耗有著極其重要的影響，具體表現為：

對粒徑大于10mm的巖塊進行初、中破碎篩分，有研究表明，提升爆破質量，產生均勻合格的細小塊度對選礦廠破碎篩分尤其重要，粒徑在120mm～150mm的巖塊，出磨篩余為20%～30%，粒徑在150mm～200mm的巖塊，出磨篩余為35%～55%[9]。同時碎巖尺寸整體較大，會導致小型分級設備工作效率低下，一次分級產量較少，需多臺設備同時工作，對此需采取使用大型分級設備的措施，以提高工作效率，減少工作臺數，實現降低能耗。常用篩分設備相比較而言，螺旋分級機工作效率只有水力旋流器的20%～40%，目前，循環負荷載大的螺旋分級機逐漸被能耗更低效率更高的水力旋流器取代。采用水力旋流器分級，分級效率大約可以提高16.59%，年電耗可以節約46.64萬元[10]。在某選礦廠，采用大型化水力旋流器進行分級研磨，精礦回收率明顯提高，循環負荷載大約降低53.93%，年耗電費節省13.6萬元，生產成本降低87萬元[11]，因此，要降低選礦篩分環節的成本就需要調整爆破塊度，降低塊度粒徑。

2.2 爆破塊度對入磨能耗的影響規律

塊度對于入磨時破磨設備能耗的影響也十分顯著，基于破磨設備生產能力經驗公式、邦德功指數經驗公式，考慮磨礦能耗最低原理，可以計算最佳入磨粒度[12]。不同入磨粒徑與單位能耗關系（見表2），一般10mm粒徑以下礦石容易通過破碎倉，對皮帶的沖擊作用較小，因此有利于破碎，耗能也較少。隨著工藝和設備提升，將入磨粒徑可進一步縮小，在5mm粒徑以下時，單位耗電量可減少5%～10%[13]。從表2不難看出不同粒徑的巖塊對破碎產量的影響巨大，粒徑越小的巖塊，礦石破碎篩分效率越高，磨礦過程碎巖返回量越少，機械設備工作時間越少，所消耗的能量便越少。但入磨粒徑并非越小越好，過小粒徑反而降低磨礦效率，應根據具體設備選擇最小入磨粒徑，實現入磨能耗的節能。

表2 不同破碎機出料入磨時破磨主機單位電耗[13]

2.3 優化破磨能耗

礦石破碎后便是磨礦環節，磨礦作為整個選礦廠最耗能的環節，單磨礦作業就消耗了整個選礦環節用能的40%～60%[14]。碎巖尺寸不均勻，入磨粒徑不合格導致磨礦能耗升高，磨礦細度越細也會導致能耗升高，針對磨礦環節能耗問題，采取對應的更新工藝設備措施，以提高生產效率，降低設備能耗。根據磨礦過程能量的耗散規律，通常以破碎比和磨礦比作為自變量，機械設備能耗作為因變量，

來探尋破碎巖石所需能耗的規律。通過試驗證明，設備落后，工藝不完善是造成生產效率低、入磨粒徑不合格、設備能耗高的主要原因。為降低選礦廠能耗，減小礦石塊度對選礦的影響，要不斷優化施工工藝，更新機械設備，推行節能新工藝和設備，實現磨礦設備的自動化控制，來降低選礦能耗（見表2）。選礦廠在更新設備后，可以將將磨礦產量提高2.5%～10%，同時也可以減少5%～30%的能耗以及3%～5%生產成本[15]。在目前經濟發展趨勢下，減小人工勞動力，完善選礦工藝，更新選礦設備，是節能降耗的重要途徑。

表3 選礦廠節能降耗成功的實例[16-20]

3 采選破碎能耗系統

整個礦山開采過程中，能耗分布極不均衡，在磨礦階段，能耗占整個采選總能耗的75%以上，而爆破環節能耗僅占5%～8%[21]。低能高效應不僅僅針對于選礦環節，更應該貫穿采礦選礦生產，通過合理的能耗分布達到總體能耗的節省。有研究表明炸藥用量影響爆破效果，炸藥量過多會導致爆破后礦粉過多，不利于資源利用，炸藥量過少會導致能量不足形成大塊多，不利于鏟裝、運輸、破碎及碾磨等工序的生產效率及能耗。要實現能耗的均衡，就必須考慮爆破環節炸藥能量的利用規律，控制爆破塊度，這在選礦破碎環節，工藝和設備不變的情況下，能夠有效降低整體能耗。在鞍千礦采選生產中，小臺階爆破試驗通過提高炸藥單耗，相比較0.21kg/t炸藥單耗，在0.32kg/t炸藥單耗下，炸藥能量得到了最大的利用，大塊率降低程度明顯，由于小塊度的增多，將礦石粒徑破碎至2mm，消耗能量降低了30%[22]。董二虎等[23]以更小的炸藥單耗得到更多的爆破體積，在0.31～0.34kg/m3炸藥單耗下，初、中磨階段能耗降低了30%以上，研磨5min時研磨質量提升了8倍。可見爆破能量利用率高時爆破塊度尺寸小，對礦石破碎能耗有著至關重要影響，是采選整體節能降耗的關鍵。

4 結語

（1）在采礦過程中，要實現能量的高效利用，就需要提高炸藥能量利用率，來減小大塊率的產生，獲取均勻的爆破塊度。在選礦過程中，爆破塊度尺寸小的巖塊有利于破碎分級，降低入磨粒徑也可有效降低選礦廠能耗。在此基礎上，選用節能新設備，選用先進工藝，提高礦巖破碎效率，可大幅降低能耗，進一步實現節能目標。

（2）礦石采選破碎能耗是一個整體研究對象，爆破效果的好壞將會直接影響礦石碎磨能耗，而磨礦耗能占整體能耗的75%以上，為解決采選能耗分布不均勻的現象，提出將能耗前移，提高爆破環節能量利用率，來改善爆破效果，獲取合格爆破塊度，降低大塊率，進而降低選礦環節破磨能耗。

（3）礦石采選面臨的成本與經濟收益相差仍然很大，盡管目前已有眾多節能降耗措施，但遠沒有實現最大化經濟收益，還需進一步深入研究工藝、技術、設備，實現節能突破。