利用延時爆破降低礦石貧化的應用研究

梁 冰

(中鐵十九局集團 礦業投資有限公司，北京 100176)

礦石損失與貧化控制是伴隨著露天開采始終的一個長期性研究難題，也是評價露天開采技術的重要因素之一[1]。它體現礦山資源的高效利用效果，還與礦山生產總體經濟效益息息相關。利用延時爆破技術改善破碎效果是爆破技術進步的主要方向。目前在露天臺階爆破中，受到地質勘查和成礦條件的復雜性的影響，礦石和巖石的分界線很難清楚的劃分，露天礦產資源開采始終伴隨著損失貧化，對礦山企業的經濟效益產生直接影響。因此，研究礦巖爆破分離技術，利用延時爆破技術控制并降低礦產損失率具有重要的經濟價值。

合理的延時爆破能改善爆破效果、降低成本。因此，眾多學者基于礦石破碎的延時爆破進行大量研究[2-5]。如劉翔宇等對理論推導模型進行實驗驗證[2]，探究最佳延期控制時間；楊仁樹等模擬了沖擊荷載作用下復合巖體破壞過程及損傷演化規律[3]；Johansson等研究了延時爆破沖擊波相互作用造成對礦石更好破碎效果的影響[4]；趙凱等實現了包含毫秒延時爆破荷載輸入和有限元-無限元耦合邊界的地層-爆源體系三維精細化有限元模型[5]。然而，利用延時爆破技術改善破碎效果是減少礦石損失和貧化有效手段。現在露天臺階爆破中，受到地質勘查和成礦條件的復雜性的影響，礦和巖的分界不容易清晰的劃分，露天礦的開采從頭到尾伴隨著損失貧化，對礦山企業的回收利潤產生嚴重影響[6-10]。

以往礦石爆破塊度優化研究中，對指導其露天爆破參數的選擇有一定參考價值。然而，專門針對延時爆破降低礦石貧化的應用研究還鮮有報道。因此，以烏努格吐山銅鉬礦巖分界現場施工項目為依托，通過現場試驗、爆破參數優化、根底率及粗碎功耗統計對比，開展了不同延時爆破條件下礦石貧化試驗研究，其研究結果對優化爆破參數、降低破碎成本及提高經濟效益具有重要意義。

1 試驗方案

1.1 試驗礦區爆破工程概況

烏努格吐山銅鉬礦區爆破形式為深孔爆破，臺階高度15 m，采用潛孔鉆機，平均鉆孔深度17 m，孔網參數6 m×4.5 m，特殊區域為5 m×4 m。采用梅花形布孔，起爆方式為逐孔起爆。該礦區礦巖分爆主要根據礦體預估礦體線位置設計穿孔位置，進行礦巖分別爆破。隨著深度增加，礦體互侵性嚴重，礦體線位置不準確，導致礦巖混爆。混爆只能根據實際圈定礦巖品種進行現場放線，用以區分礦巖，便于鏟裝，造成礦巖的損失與貧化，使損失貧化率加大。

1.2 現場實驗

基于經濟性和實用性考慮，采用鋼管作為標記物來對臺階內部的礦巖爆破位移進行監測[9]，鋼管直徑60 mm、壁厚1 mm及長度80 cm。

在試驗爆區不同位置加鑿監測孔，每次爆破試驗加鑿2～4個監測孔，每個監測孔里放置3個標記物以監測臺階爆破內部礦巖爆破位移，標記物的埋設深度分別為3.5 m(上部)、7.5 m(中部)和12.5 m(底部)，炮孔孔口堵塞處埋設竹竿用以監測臺階爆破表面的礦巖爆破位移，如圖1所示。

圖 1 礦巖移動標記物法監測方案(單位：m)Fig.1 Monitoring scheme of mine and rock moving marker method(unit:m)

分別在0828爆區(孔間17 ms、排間42 ms、后排65 ms、分離拉溝100 ms延期間隔)、0904爆區(孔間17 ms、排間42 ms、后排65 ms、分離拉溝100 ms延期間隔)、0921爆區(孔間9 ms、排間25 ms、后排65 ms延期間隔)及0925爆區(孔間9 ms、排間42 ms、后排65 ms延期間隔)進行4次礦巖分離爆破試驗。

2 結果與分析

2.1 爆破位移監測結果

表1給出了烏努格吐山露天礦臺階爆破平均爆破位移圖。從表1中發現，第4排表面礦巖體平均爆破位移極小，幾乎在原地不動，在爆破現場，第4排表面礦巖體有向炮孔后方移動的，這是由于沉降溝的原因，第4排表面礦巖體滾落，塌落在沉降溝處。

表1可得，在露天臺階爆破實踐中，延長最后排炮孔的延期時間，第4排孔中上位置礦巖水平爆破移動一改逐排減小趨勢，反而超過第3排相應位置達到8.2 m，說明第4排向前運動趨勢增大，為后排孔留下充足移動空間，有利于沉降溝的形成和減少爆破后沖破壞作用。

表 1 烏努格吐山露天礦臺階爆破礦巖爆破位移平均值(單位：m)

2.2 爆破網路設計實驗結果

0828、0904爆區均采用孔間17 ms、排間42 ms、后排65 ms、分離拉溝100 ms延期間隔進行爆破。現場如圖2所示，礦巖界線拉溝效果有所起伏，溝深2～3 m。

現場爆破效果表明，孔間17 ms、排間42 ms、后排65 ms、分離拉溝100 ms延期間隔相較于烏努格吐山礦應用于正常生產的孔間17 ms、排間65 ms、后排100 ms延期間隔不能明顯改善爆堆聚攏效果。爆后爆堆形狀發現爆堆并非是常規的拋物線型，而是爆堆頂部平坦，爆堆坡面中上部有明顯凸起，這種現象是由孔內兩發中繼起爆具位置導致的。地表管同時起爆兩發孔內管后，兩發起爆彈被同時引爆，孔內乳化炸藥開始在上下兩個產生穩定爆轟，藥柱內形成兩個相互獨立的爆轟波，當兩個爆轟波陣面傳至藥柱中部時產生疊加，此時產生的能量最大，傳至巖體中導致此處巖塊快速向自由面隆起。

通過觀察現場爆堆形態，認為孔間17 ms、排間42 ms、后排65 ms延期間隔對改善爆堆形態，增加爆堆隆起高度，減少前攤效果不明顯，故利用孔間9 ms、排間25 ms、后排65 ms延期間隔(0921爆區)和孔間9 ms、排間42 ms、后排65 ms延期間隔(0925爆區)，考察短延期間隔對爆堆形態的影響效果。

在0921爆區采用孔間9 ms、排間25 ms、后排65 ms、分離拉溝100 ms間隔延期，0925爆區采用孔間9 ms、排間42 ms、后排100 ms、分離拉溝100 ms間隔延期，中繼起爆具均采用18 m孔內管，垂直位置相距1.5～2 m。現場試驗礦巖分界處拉溝效果和整體爆堆形態明顯改善，爆堆前攤減小(0921爆區有常規生產爆區對比)，爆堆隆起明顯，最后排裝藥量減少5%，臺階面后沖裂隙帶基本消失(如圖3)。針對礦區火山成脈，采用孔間9 ms、排間25 ms、后排65 ms、分離拉溝100 ms間隔延期地表管，400 ms孔內管的礦巖分離爆破效果最佳。

圖 3 爆后礦巖分離情況Fig. 3 Separation of ore and rock after explosion

2.3 根底率對比分析

分別對6次實驗爆區和6次非實驗爆區的根底標高數據進行統計整理，見表2。根底標準為超過±0.5 m和±1 m。

表 2 根底率數據對比

從表2中實驗爆區和非實驗爆區根底率數據對比中可以得出：(1)實驗爆區>+0.5 m數據占比、<-0.5 m數據占比、±0.5 m根底率的平均值和標準差均小于非實驗爆區；(2)實驗爆區的>+1 m數據占比、±1 m根底率的平均值和標準差小于非實驗爆區，實驗爆區<-1 m數據占比的平均值和標準差大于非實驗爆區。在±0.5 m根底率的控制上，相對非試驗爆區實驗爆區減少10.7%，在±1 m根底率的控制上，實驗爆區減少2.2%。并且在標準差中可以看出實驗爆區的±0.5 m和±1 m根底率數值較非試驗爆區波動較小，更接近均值，穩定性較好。

2.4 粗碎功耗對比分析

一期粗碎站非實驗爆區單位時間處理量為2047.71 t/h，二期粗碎站非實驗爆區單位時間處理量為2247.89 t/h。一期粗碎站實驗爆區單位時間處理量為2213.76 t/h，二期粗碎站實驗爆區單位時間處理量為2642.01 t/h。一期粗碎站提高約8.11%，二期粗碎站提高約17.53%，實驗爆區的粗碎效率比非實驗爆區的粗碎效率有明顯提高，提高的原因是因為延期時間方案使礦巖分界明顯，爆破參數優化，破碎能耗大量降低。

3 結論

為了減低礦石貧化率，通過理論分析與現場實驗，確定了合理的礦巖分離爆破方案，開展了爆破位置監測實驗和礦巖分離延時爆破試驗，得到如下結論：

(1)根據爆破區塊自由面條件及礦巖分布狀態，爆破網路設計方案為孔間9 ms、排間25 ms、后排65 ms、礦巖分離界線處100 ms延期間隔，使礦巖兩側爆堆頂部距離礦巖分界線底部的垂直距離在2～3 m，基本達到了礦巖分離的目的。

(2)現場調研的爆堆分布形態為非常規拋物線型，爆破施工中起爆彈放置于距孔底1～3 m，相對位置間隔1.5～2 m，達到了改善爆堆聚攏效果，實現了爆堆的良好分布形態。

(3)延時爆破礦巖分離技術實現礦與巖分離、提高初碎效率、降低根底率和損失貧化率等。相比于非實驗爆區：一期初碎站效率提高約8.11%，二期初碎站效率提高約17.53%；±0.5 m范圍的根底率減少約10.7%，±1 m范圍的根底率減少約2.2%；降低貧化率約0.875%。