中深孔微差爆破技術在緩傾斜鉻鐵礦開采中的應用

2021-04-08 03:24:28周升平楊富華

現代礦業 2021年2期

周升平周霆楊富華

（中礦資源集團股份有限公司）

鉻在不銹鋼的生產中是無可替代的元素，而不銹鋼是全球經濟增長的支柱之一。長期以來，鉻作為一種戰略資源在全球廣受關注，全世界鉻礦產量隨著碳消費和不銹鋼產量的增長而增長。據統計，津巴布韋鉻礦資源占到全球總量的12%，但目前該國對全球產量的貢獻還不到3%，因此該國鉻產業具有巨大的增長潛力。津巴布韋擁有世界第二大鉻礦床，僅次于南非［1］。該國的鉻鐵礦床屬于超大型鉻鐵礦床，礦區主要位于津巴布韋大巖墻內。含鉻礦的大巖墻侵入于元古宙花崗巖中，長480 km，平均寬8 km，面積約3 840 km2。大巖墻內有多達14 層鉻鐵礦，Cr2O3平均品位在38%左右，鉻鐵比約為1.8。沿傾斜延深200 m內，探明礦石儲量達5.6 億t［2］。

大巖墻的地質環境極其復雜，礦產成因多變，這是因為地質構造、巖漿活動以及沉積作用經歷了多期、多階段的演變。鉻鐵礦區廣泛發育花崗—綠巖地體，并伴有多期韌性剪切帶構造變形，以及花崗巖、閃長巖及基性—超基性巖浸入［3］。但受鉻鐵礦區地質條件影響，在鉻鐵礦露天開采中，巖石爆破是一個非常關鍵的問題。以往津巴布韋鉻鐵礦區都是采用小規模的淺孔爆破，爆破效果差，爆破作業效率低下［4］。近些年來，通過對津巴布韋鉻鐵礦脈露天開采生產經驗總結，采用中深孔微差爆破技術、多排延時起爆，使緩傾斜薄鉻鐵礦在露天開采過程中的礦巖爆破效果得到顯著的改善，露天開采能力大幅提升。

1 中深孔微差爆破設計方案

1.1 創造爆破自由面

中深孔微差爆破開采方案如圖1 所示。通過挖掘機設備在礦體埋深較淺區域超前剝離覆蓋層，使其形成爆破自由面。一般情況下，自由面控制在2～3 m的高度即可，如果淺部礦體的覆蓋層能夠超挖更深的話，可以把爆破自由面控制在可挖掘的深度。

1.2 優化穿孔爆破參數。

根據礦山生產能力及機械設備狀況，采用KT8潛孔鉆機進行炮孔鑿巖，炮孔直徑為90 mm，炮孔傾角為90°，炮孔深度由淺到深，3～20 m 不等。最小抵抗線W=（20～40）φ（其中φ 是鉆孔直徑）；炮孔布置按菱形布孔，孔網參數根據巖性硬度要求，選擇孔距×排距分別為4 m×3m、5 m×3 m、6 m×3 m 進行試驗，以檢測其爆破效果。最終優化出最佳爆破孔網參數：孔距×排距為5 m×3 m，如圖2所示。

1.3 引進適合于中深孔裝藥的現場混裝乳化炸藥

一直以來，津巴布韋鉻鐵礦區都采用藥卷式乳化炸藥進行淺孔爆破，爆破量小、作業效率低下，成本也居高不下。因此，為了降低爆破用品成本，擴大爆破規模，引進中深孔現場混裝乳化炸藥裝藥技術，該技術不僅克服了礦區豐富的地表水問題，而且還能降低爆破成本，提高爆破作業效率。

1.4 起爆方法及起爆網絡

采用多排炮孔及起爆網絡布置，如圖3所示。各排炮孔按菱形布置，所有炮孔內裝填相同參數的延時雷管和起爆藥包，延時雷管的一端直接跟下一個炮孔的延時雷管相連，另一端直接跟起爆藥包相連，炮孔采用孔底起爆方式。對第一排炮孔的雷管進行分組，按4～5個炮孔的雷管分成一組，分成若干組，每組炮孔的雷管采用并聯方式進行連接，每排間的炮孔雷管采用串聯方式進行連接。采用多排孔微差爆破，第一排炮孔在大自由面作用下首先起爆，并逐排起爆后續爆破孔，大部分的爆破巖石都順著自由面方向進行拋擲。

2 實施案例

2.1 鉻鐵礦山概況

該鉻鐵礦山位于津巴布韋Darwendale區域，該礦區位于津巴布韋大巖墻鉻鐵礦帶處，成礦作用主要是巖漿分異和熔離作用［5］，當前開采的礦脈是鉻鐵礦2 號脈。礦脈厚度約40 cm，傾角25°，礦體露頭埋深約2 m，Cr2O3品位最高達42%。礦區地表水豐富，礦區周邊500 m 范圍內無鐵路和居民點，但是高壓線、通訊電纜線等在礦區300 m范圍內。

2.2 中深孔爆破參數確定

為了增強爆破效果，降低爆破成本，礦山特意對中深孔爆破參數進行優化，調整炮孔布設參數，以期增加礦山生產效率，提高鉻鐵礦的生產產量。

（1）穿孔參數。采用KT8 潛孔鉆機鑿巖，鉆孔直徑為90 mm，鉆孔傾角90°，炮孔深度滿足穿過鉻鐵礦脈，因此，炮孔深度隨著礦脈埋深的增加而增加。考慮鉻鐵礦露天采礦成本，炮孔最深控制在20 m，所以炮孔深度在3～20 m之間。

（2）炮孔間距及排距。為了更好地控制鉻鐵礦山中深孔爆破塊度和炸藥單耗，礦區特意采用小臺階模型爆破試驗對炮孔間距及排距參數進行確定。在小臺階模型試驗中，采用菱形布孔方式，最小抵抗線為1.5 m，穿孔參數不變，調整炮孔間距及排距參數，表1為小臺階模型爆破試驗結果。

通過小臺階模型試驗結果可以發現，在相同的爆破穿孔參數條件下，調整炮孔間距可明顯改善爆破塊度質量和爆破單耗指標。此3項指標直接表明：當其它條件不變時，為了改善爆破質量、降低大塊率、控制炸藥單耗，該鉻鐵礦中深孔爆破炮孔間距及排距確定為5 m×3 m。

2.3 爆破間隔時間確定

近些年來，微差爆破技術在礦山爆破中得到廣泛應用，微差爆破技術具有鮮明的地震波特點，最大振幅值小、周期短、頻率高、主震響持續時間短等［6］。但是在微差爆破技術中，微差爆破間隔時間是一個相當重要的參數，其直接影響爆破地震波效應以及爆破振動等。因此，為了確定合理的微差爆破間隔時間，爆破工程實踐及試驗研究表明，合理的起爆時差主要由以下三個方面構成［7］：①后排藥包炸藥爆破后應力波時間，②裂隙擴展至自由面時間，③前炸藥包為后炸藥包形成明顯的自由面時間。

結合津巴布韋Darwendale礦區鉻鐵礦爆破實踐，選取微差爆破的間隔時間為25～500 ms，此間隔時間為孔間延遲25 ms，孔內炸藥爆破延遲500 ms。

2.4 起爆方法及起爆網絡

采用多排孔微差逐排爆破，炸藥選用現場混裝乳化炸藥，起爆方法為延時雷管孔間微差起爆。首排爆破孔每4個炮孔的延時雷管組成一組，每排大約12個炮孔，可分成3組，所有炮孔使用參數為25～500 ms延時雷管。第一排炮孔的每組雷管用500 ms 雷管段并聯起爆，排間的炮孔直接用延時雷管25 ms 段串聯。采用起爆雷管引爆第一排3組500 ms雷管的線管，由3組500 ms雷管同時導爆第一排各個炮孔延時雷管，再由延時雷管引爆炸藥起爆藥包和下一排炮孔延時雷管，實現逐排微差爆破。為了使炸藥爆破能量得到高效利用以及降低爆破大塊產出率，炮孔底部設置一個起爆藥包，用延時雷管500 ms 段與起爆藥包連接，實現孔底集中起爆。起爆網絡連接如圖3所示，炮孔孔外延期和孔底延期時間如表2所示。

2.5 裝藥參數

由于Darwendale 礦區地表水豐富，炮孔水位高，因此為了增加裝藥效率，提高炸藥利用率，爆破過程中選用現場混裝乳化炸藥，這不僅有效地降低了裝藥高度，而且極大地提升了爆破過程中裝藥的安全系數。在此類鉻鐵礦爆破中深孔裝藥結構中，炮孔底部首先用填塞物堵塞炮孔礦脈超深距離，然后再填裝炸藥，完畢后炮孔上部留2～3 m 填塞物長度，堵塞物可以直接選用粒度較小的碎巖填塞炮孔。經過計算，在鉻鐵礦中深孔微差爆破施工技術中，現場混裝乳化炸藥的炸藥單耗由原來藥卷式乳化炸藥的0.6 kg/m3降至現在的0.43 kg/m3，炮孔裝藥結構見圖4。

3 爆破效果與安全

在Darwendale 鉻鐵礦中深孔逐排微差爆破過程中，炮孔采用超深礦脈厚度和孔底起爆技術后，炮孔內的炸藥直接把底部鉻鐵礦體振裂，為后續的鉻鐵礦開挖帶來諸多便利性。與此同時，在微差爆破中，爆破巖體直接朝自由面方向拋擲，爆破巖石塊度均勻，大塊率在10%左右，有效地控制了爆破地震波、沖擊波和飛石等爆破危害行為，基本消除了爆破振動對周邊建筑物的損害。圖5 為鉻鐵礦采場淺孔和中深孔微差爆破效果對比圖。該鉻鐵礦區自從引進中深孔逐排微差爆破技術以來，從未發生任何爆破安全事故，為礦山安全高效生產提供了強有力的保障。