張莊鐵礦高階段邊幫光面爆破試驗與應用

陳五九，張德明，王玉富

(1.安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司，六安 237471；2.湖南中大設計院有限公司，長沙 410083)

近來年，隨著我國地下采礦裝備水平的大力提升，采用大直徑深孔爆破法對低品位大型礦體的礦石崩落技術在國內得以廣泛應用，該方法爆破工序簡單，回采周期短，爆破規模大，生產能力高，是大型礦山比較青睞的采礦方法之一[1，2]。然而，采場結構參數大，邊幫高是其顯著特征，再加上大規模的爆破作用，邊幫控制較困難，實際生產中經常出現采場高邊幫的超、欠挖現象，這不僅影響礦山的經濟技術指標，還會產生極大的安全隱患[3，4]。實踐經驗表明：對地下采場實施控制爆破技術，可有效控制爆破后高邊幫的形狀及完整程度，提高礦柱的穩定性，但對控制爆破的參數大多是借助理論分析、數值模擬、半經驗法等手段進行獲取，而其受諸如地質因素、材料因素和人為因素等多方面影響，難以準確獲得相關參數，直接應用其研究結果風險較大[5-9]。因此，選擇合適區域進行現場工業試驗是改變爆破技術，獲取爆破參數的最直接也是最有效的方法之一，其研究成果往往可以直接應用于生產實踐中。

1 試驗背景

張莊鐵礦是特大型地下鐵礦山，主要為石英磁鐵礦體，堅硬完整，普氏硬度系數f=15～16，一直采用大直徑深孔爆破進行礦石崩落回采，見圖1。其爆破參數主要為：炮孔直徑φ165 mm，裝φ140 mm藥卷乳化炸藥，一步回采時采場寬度15 m，中間炮孔孔網參數3 m×3 m，邊孔孔距2 m，與中間炮孔間距2.5 m，距采場邊界0.5 m；均采用間隔裝藥方式，邊孔裝藥量較中間孔低30%～40%，綜合單耗超過0.4 kg/t。

圖 1 階段空場采礦方法示意圖Fig. 1 Schematic diagram of stage empty mining method

由于一步回采時對邊幫并未實施有效的控制爆破技術，僅降低單孔裝藥量，導致邊幫參差不齊，超挖現象明顯，嚴重影響二步回采時爆破工作的實施，同時二步回采時又有大量充填體崩落，造成礦石的大量貧化。目前礦山為了進一步降低采切工程量，提高回采效率，將新中段高度由60 m提高到90 m，隨采場高度的增加，一步礦房回采時的原巖礦柱穩固性進一步削弱，為保證采場作業安全，降低礦石損失與貧化，提高原巖邊幫的完整程度，應對邊幫實施有效的控制爆破技術，采用傳統的方法獲得爆破參數不足以解決礦山現有的實際問題，必須通過理論分析并開展爆破工業試驗研究，獲得適合張莊鐵礦的邊幫控制爆破方式及相應的技術參數。

2 控制爆破方式及參數分析

2.1 控制爆破方式選擇

一步回采時深孔爆破主要控制對象為原巖邊幫，確保爆破后原巖邊幫的完整性，為采場充填和二步回采提供良好的邊幫控制條件，減少充填體不規則形狀的產生現象，進而削弱充填體因自身形狀產生垮落現象的發生，進一步降低貧化率，故可在原巖邊幫處實施的控制爆破技術主要有預裂爆破和光面爆破兩種，兩者的主要技術區別是與主爆孔的起爆順序不同[10,11]。

由于，前期進行預裂爆破探索性試驗結果表明，受地質結構弱面和大藥量主爆區爆破共同影響，不同孔間距和不同線裝藥密度下預裂爆破均無法取得較好的爆破效果，因此考慮試驗采用光面爆破技術對一步回采原巖高邊幫的完整性進行控制。

2.2 控制爆破參數分析

考慮到礦山目前采用的鉆機型號和鉆孔深度，鉆進165 mm孔徑時的孔偏斜率較低，因此定型孔徑165 mm；同時考慮到鉆孔施工方便和采場實際寬度限制，主爆孔參數已定型，故光爆孔距邊幫0.5 m，距主爆孔2 m，根據經驗光面爆破的不耦合系數一般在2～3為宜[12,13]，故采用70 mm藥卷乳化炸藥進行裝藥[14]，不耦合系數2.36。

因此，需要通過爆破試驗確定的參數主要是炮孔間距和線裝藥密度，兩者成正比關系，而一般情況下光面爆破需采用藥串間隔裝藥方式，為了簡化試驗方案與過程，可先固定其中一個參數，探尋合理的另一參數。相比于線裝藥密度，孔間距是較為容易固定的參數，為方便鉆孔施工，可按1/2主爆孔排距施工光爆孔，其值為1.5 m，同時70 mm藥卷乳化炸藥單長0.5 m，單重2 kg，最大線裝藥密度為連續裝藥時的4 kg/m。因此，可據此下調裝藥量，試驗合理的線裝藥密度[15-17]。

3 爆破工業試驗過程及結果

3.1 光面爆破試驗設計

在張莊礦705采場試驗光面爆破，分別按70 mm藥卷間隔10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm 、70 cm和80 cm 進行裝藥爆破試驗，炮孔布置及編號規則見圖2。由于光面爆破需與主爆孔同次毫秒微差起爆(微差間隔時間大于50 ms)，而礦山主爆孔設計采用兩梯段爆破方式(見圖3)，故炮孔單長50 m，梯段爆破高度25 m，每次爆破2排8個主爆孔和8個光爆孔，每組參數爆破4次，具體單次爆破參數見表1。孔內全長敷設導爆索，單側4個光爆孔同段起爆，孔網參數及起爆順序見圖4。孔底與孔口均進行堵塞，孔口堵塞長度3 m，孔底堵塞長度1 m。

表 1 單次試驗爆破參數Table 1 Upper trapezoidal hole arrangement and initiation network

圖 2 光面爆破工業試驗炮孔布置(單位：m)Fig. 2 Layout of blasting holes for smooth blasting industrial test(unit：m)

圖 3 兩梯段爆破示意圖(單位：m)Fig. 3 Schematic diagram of two-bench blasting(unit:m)

圖 4 光面爆破孔網參數及起爆順序(單位：m)Fig. 4 Parameters and initiation sequence of smooth blasting (unit：m)

3.2 光面爆破試驗過程

整個采場的所有炮孔按設計參數全部施工完畢并完成切割槽爆破后，對炮孔進行孔深和偏斜率測定，滿足要求后進行本次爆破試驗。按不同線裝藥密度共進行了8組試驗，首先在切割槽北側的兩側邊幫處分別按藥卷間隔30 cm和60 cm進行裝藥爆破，再在切割槽南側的兩側邊幫處分別按藥卷間隔40 cm和50 cm進行裝藥爆破，觀察爆破效果后再決定其他區域的爆破參數。

(1)裝藥

由于在進行深孔爆破時，采場底部的“V”型嵌溝已通過中深孔爆破施工完成，故每個炮孔底部處于臨空狀態，裝藥時需先將自制混凝土托盤利用鐵絲懸吊放入孔底，再利用礦渣進行孔底堵塞，見圖5和圖6。所有炮孔底部堵塞完成后，先進行主爆孔裝藥工作，采用140 mm藥卷間隔裝藥，間隔器采用1.2 m長竹筒，同時進行光面爆破藥串制作，按設計藥卷間隔距離將炸藥捆綁在導爆索和鐵絲上，在孔口處利用短鋼筋和竹筒拉緊鐵絲進行懸吊，防止導爆索手拉破壞，同時導爆索適當增加長度便于捆綁起爆雷管，見圖7。當光爆孔的單孔裝藥量超過25 kg時，人工裝藥較為困難，可分兩段裝藥，每段單獨敷設導爆索并用鐵絲懸吊[18]。所有炮孔裝藥完成后進行孔口堵塞工作，方式與孔底堵塞一致，先下放混凝土托盤，再填入礦渣。

圖 5 光爆孔與主爆孔裝藥結構示意圖Fig. 5 Schematic diagram of charge structure for smooth blasting hole and main blasting hole

圖 6 自制混凝土托盤Fig. 6 Self-made concrete pallet

(2)連網

裝藥完成后由民爆公司組織爆破工程技術人員按設計段位將兩發導爆管雷管深入孔口內20 cm捆綁在導爆索上，再封口堵塞，最后將導爆管雷管采用簇連方式連接至與主爆孔起爆網絡，共同組網起爆。

(3)爆后檢查

試驗區域爆破完成后隔班進行爆破檢查，觀察爆破效果，將信息反饋于試驗技術人員，并進行下次爆破試驗的爆破參數修正。

3.3 光面爆破試驗結果

(1)第一組爆破試驗

本組爆破試驗在切割槽北部G1區域進行30 cm間隔距離裝藥，G2區域進行60 cm藥卷間隔距離裝藥，爆破后G1區域邊幫有一定超挖，G2區域邊幫有起伏性超欠挖現象。

(2)第二組爆破試驗

本組爆破試驗在切割槽南部G1區域進行40 cm間隔距離裝藥，G2區域進行50 cm藥卷間隔距離裝藥，爆破后兩側邊幫均較為平整。

(3)第三組爆破試驗

本組爆破試驗在北部G1區域進行20 cm間隔距離裝藥，G2區域進行40 cm藥卷間隔距離裝藥，G1區域邊幫超挖現象更為明顯，而G2區域邊幫出現了超挖現象，由此判斷無需進行10 cm間隔距離裝藥試驗，合理的裝藥間距應在30 cm以上。

(4)第四組爆破試驗

本組爆破試驗在南部G1區域進行40 cm間隔距離裝藥，G2區域進行60 cm藥卷間隔距離裝藥，G1區域仍存在一定超挖現象，而G2區域則出現了少量欠挖現象。

(5)第五組爆破試驗

本組爆破試驗繼續在南部G1區域進行30 cm間隔距離裝藥，G2區域進行70 cm藥卷間隔距離裝藥，G1區域相比于第一組試驗超挖現象也愈發明顯，而G2則出現明顯的欠挖現象，由此可推斷，按70 mm藥卷裝藥的光面爆破合理的裝藥間隔距離應在40～60 cm之間，線裝藥密度2.4～1.6 kg/m，間隔距離80 cm的試驗方案則不再進行。

(6)第六組爆破試驗

由于主爆孔采用140 mm藥卷裝藥，為簡化裝藥，降低難度，在北側加做140 mm藥卷(G1區域)和70 mm藥卷(G2區域)對比試驗，均按線裝藥密度2.0 kg/m進行裝藥，爆破后發現，70 mm藥卷裝藥區域邊幫較為平整，而140 mm藥卷裝藥區域雖具有相同的線裝藥密度，但超挖現象也較為明顯，見圖8。由此可判定140 mm藥卷不適合張莊礦對邊幫進行光面控制爆破的要求。

(7)試驗總結

每次下部25 m第一梯段爆破后對上部剩余炮孔進行了復測，復測結果顯示：炮孔完整程度較好，不影響上部25 m炮孔第一梯段爆破時的裝藥工作；孔深基本維持在25 m左右，個別炮孔存在后帶現象，但孔深均超過22 m，整體爆破控制效果較好，降低了由于后帶現象導致大塊率產生的可能性。

每次爆破后的出礦過程中對出礦塊度進行觀察，礦石整體較均勻，平均塊度為300 mm，經統計大塊率低于8%，較試驗之前的15%顯著降低，見圖9所示。另外，整個采場出礦完成后進行三維掃描，掃描結果顯示按70 mm藥卷裝藥，間隔距離50 cm的爆破區域光面爆破效果最好，整體邊幫輪廓線與設計值相差較小，見圖10。故可推斷在邊幫處采用70 mm藥卷裝藥的光面控制爆破技術后，大塊率沒有增加，控制爆破效果較好，減少了超挖現象引起的大塊礦石自然垮落。因此，可確定1.5 m孔間距時，張莊礦合理的光面爆破線裝藥密度為2.0 kg/m。

圖 8 光面爆破后效果圖Fig. 8 Smooth blasting effect

圖 9 試驗前后爆破塊度對比圖Fig. 9 Contrast diagram of blasting fragmentation before and after test

圖 10 空區掃描結果圖Fig. 10 Empty area scanning result

4 結語

通過多組光面爆破試驗并分析爆破試驗結果，針對在張莊鐵礦巖石硬度大的孔深高的特點，一步回采時對高邊幫實施光面控制爆破技術可有效控制主爆破對邊幫的損傷，提高邊幫的完整性程度，同時采用165 mm孔徑、70 mm裝藥直徑、1.5 m孔間距、2 kg/m線裝藥密度是較為合理的光面爆破參數，該技術在其他采場進行大規模應用。所總結的爆破施工技術經驗及主要參數可為類似礦山提供借鑒。