爆破參數優化對塊度控制的影響研究

陳學松 ，歐任澤 ，林衛星 ，彭躍金 ，肖木恩

(1.五礦有色金屬股份有限公司， 北京 100043；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；3.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012)

0 引言

臺階中深孔爆破是露天礦山廣泛使用的生產工藝。巖體的巖性和結構對礦石大塊的產生影響很大，炸藥爆炸對巖石的作用主要有兩個方面：一是破壞巖石顆粒之間的內聚力，使巖石的內部結構破裂，產生新鮮斷裂面；二是使巖石原生的、次生的裂隙擴張而破壞[1]。前者取決于巖石本身的堅固程度；后者則受巖石節理裂隙所控制。在中硬或堅硬巖以及節理裂隙較發育的礦巖中，當某種爆破參數稍不合理，就易造成爆破塊度的過細或大塊率過高，因此需要對爆破孔網參數及裝藥結構等進行優化研究[2]。空氣間隔裝藥是爆破工程技術人員在尋求經濟、高效的工程爆破技術過程中開發的一種裝藥結構[3]，盡管相比連續耦合裝藥其存在裝藥施工更為繁瑣的缺點，但是由于空氣間隔裝藥具備炸藥單耗小、爆破破碎效果好等優點，一直受到國內外專家和學者的重視和青睞[4-5]。近些年來，國內外專家、學者對于空氣間隔裝藥爆破都不乏理論分析、現場試驗和數值模擬等方面的研究，積累了相當豐富的研究成果[6-7]。此外，空氣間隔裝藥中炮孔堵塞長度的確定對于爆破效果也具有重要的影響，本文基于Las Bambas露天礦山在生產過程中遇到的爆破塊度較細及臺階坡面形成效果不佳等問題進行了相關研究，以期能為礦山提供合理的技術指導并創造良好的經濟效益。

1 工程概況

Las Bambas位于高原地區的Apurimac部秘魯中南部，該礦是一座超大型露天開采銅礦，軟巖、中硬巖和硬巖均有，礦巖UCS值覆蓋范圍非常廣，且礦巖節理裂隙十分發育。

目前礦山對露天臺階的廢石爆破進行研究，發現了諸多需要改進的地方。廢石爆破后，爆破塊度太細，幾乎成粉末狀，鏟裝、運輸、廢石場堆存明顯與大型設備不匹配，雖然廢石場堆存對塊度沒有要求，但爆破塊度太小無疑會增加爆破的費用，致使總體的費用增加，而爆破塊度太大，則會增加二次破碎及鏟裝運輸等成本[8]，因此，對于爆破塊度的控制十分重要（見圖1）。目前，炮孔尺寸及現有爆破裝藥結構可以進一步優化，以達到更好的爆破效果并降低總成本。

圖1 爆破塊度與總成本之間的相互關系

2 孔網參數對爆破塊度的影響

目前，礦山采用的孔排距有8.5 m×7.4 m、9.0 m×7.8 m、10.0 m×8.7 m、11.0 m×9.5 m 這 4 種參數。針對上述爆破塊度太細的問題，對孔網參數進行調整分析。由于本次試驗爆破區域巖石為中硬巖石，故設計3種對比方案：方案1爆破參數為孔徑311 mm，孔距 10 m，排距 8.7 m，設計炮孔負擔面積為87 m2；方案2在方案1孔網參數基礎上增加5%，則孔徑為311 mm，孔距為10.5 m，排距為9.1 m，設計炮孔負擔面積為95.55 m2；方案3在方案1孔網參數的基礎上增加10%，則孔徑為311 mm，孔距為11.0 m，排距為9.6 m，設計炮孔負擔面積為105.6 m2。如圖2所示為試驗結果的柱狀圖。

圖2 不同孔排距爆破塊度分布

由圖2可知，方案1孔排距為10.0 m×8.7 m，根據現場觀察及統計，爆破后廢石塊度小于25.4 mm，占總爆破量的52%；塊度在25.4～127.0 mm之間，占總爆破量的48%；大于127.0 mm的塊度幾乎為0。方案2孔排距為10.5 m×9.1 m，根據現場觀察及統計，爆破后廢石塊度小于25.4 mm，占總爆破量的23.06%；塊度在25.4～127.0 mm之間，占總爆破量的45.64%；大于127.0 mm的塊度占總爆破量的31.30%。方案3孔排距為11.0 m×9.6 m，根據現場觀察及統計，爆破后廢石塊度小于25.4 mm，占總爆破量的9.96%；塊度在25.4～127.0 mm之間，占總爆破量的49.98%；大于127.0 mm的塊度占總爆破量的40.06%。通過上述3種試驗方案的觀測結果可以看出，方案1爆破孔網參數較小，致使爆破后廢石塊度大部分是較細的顆粒，不利于控制爆破成本；方案2孔網參數增加5%后發現，小于25.4 mm的塊度占比較方案1有大幅減少，其他尺寸的廢石塊度占比逐漸升高，但是廢石塊度較細的比例依然較高，說明此時的孔網參數依然有優化的空間；方案3孔網參數繼續增加5%后發現，小于25.4 mm的塊度占比急劇下降，其他塊度的占比大幅度增加，說明此時的參數設置較前兩種方案是可行且更加合理有效的，因此，為控制爆破塊度，應采用方案3的孔網參數。

由上述研究可知，孔網參數的選擇對爆破塊度的影響較大，合理的參數可以控制爆破塊度的大小從而降低成本。由圖1可以看出，爆破塊度的大小確定在某一區域后，在此基礎上可以通過改變鑿巖爆破的相關參數來進一步控制總成本。

3 爆破裝藥結構優化分析

裝藥結構的改變對于控制爆破成本具有重要作用，為了得到某一爆破效果，可以逐漸改變其裝藥方式以達到降低炸藥單耗的目的。因此在確定合理孔網參數條件下，本文選擇不同的裝藥方式進行試驗研究。

目前礦山的生產爆破為連續裝藥，其中廢石爆破裝藥長度為9 m，堵塞長度為7 m。預裂爆破線裝藥密度為1300 g/m，孔口3.2 m不裝藥，不堵塞。緩沖爆破在孔底裝藥約 2.8～4.5 m，孔口堵塞 3.8 m，其余為空氣柱。炸藥為重銨油炸藥（HA60/40）和鋁酸乳化炸藥，臺車裝藥。由于礦山試驗條件有限，故本次試驗在上述研究基礎上（孔排距為11.0 m×9.6 m），選擇3種不同的緩沖炮孔堵塞方案進行研究，觀測爆破后的塊度大小及臺階坡面的形成情況，因礦山條件不允許，故生產炮孔依然按原有設計，采用連續裝藥形式。

方案1：試驗爆破位置巖石為中硬巖，以緩沖爆破形成臺階坡面，緩沖爆破孔底裝藥約 2.5 m，總裝藥量為218.73 kg，孔口堵塞3.8 m，其余為空氣柱。由于生產炮孔在設計之前已完成施工，緩沖孔距臺階底部邊界距離均為2 m（以下方案相同）。裝藥結構如圖3所示。

圖3 裝藥結構設計

方案2：試驗爆破位置巖石為中硬巖，以緩沖爆破形成臺階坡面，緩沖爆破孔底裝藥約 2.5 m，總裝藥量為208.0 kg，孔口堵塞由3.8 m增加到5 m，其余為空氣柱，裝藥結構如圖4所示。

圖4 裝藥結構設計

方案 3：試驗爆破位置巖石為中硬巖，以緩沖爆破形成臺階坡面，緩沖爆破孔底裝藥約 2.5 m，總裝藥量為207.0 kg，孔口堵塞由3.8 m增加到6 m，其余為空氣柱。裝藥結構如圖5所示。

圖5 裝藥結構設計

3種炮孔堵塞方案試驗研究結果顯示：炮孔上沖過大，說明在爆破過程中，首先炸藥用量可能偏大，其次炮孔堵塞長度可能偏小，而造成炸藥的能量溢出較為嚴重，能量沒有得到充分的利用，同時增加了炸藥單耗。因此，在此基礎上對方案1進行了現場試驗。從爆堆情況看，爆后較松散，爆破后廢石塊度相對均勻且較細的塊度占比較少，與上述研究結果吻合。同時還可以看出：雖然加大了孔網參數，減少了炸藥用量，但是爆破時炮孔上沖依然較大，且形成的臺階眉線不平整，說明還可以進一步優化炮孔裝藥結構。

方案2在方案1的基礎上對炮孔堵塞長度由原來的3.8 m增加到了5 m，爆破后從爆堆情況看，爆后較松散，爆破塊度均勻，大部分塊度對于運輸是非常合適的，且爆破后無根底，鏟裝容易，滿斗系數高，形成的臺階坡面較平整，坡面無懸頂，對臺階眉線保護更好，整體性較好。但爆破時炮孔上沖相對較大。

方案3在方案2的基礎上將炮孔堵塞長度增加到了6 m，爆破后較松散，爆破塊度均勻，無根底，鏟裝容易，滿斗系數高，形成的臺階坡面較平整，坡面無懸頂，整體性較好，傾角合理且臺階坡頂和坡底位于設計位置，整體效果好。從起爆現象看，炮孔上沖較小，炸藥消耗應該可以略微降低，但整體的調整幅度不大。

上述3種方案研究表明，在擴大炮孔孔網參數的基礎上，改變炮孔堵塞長度及裝藥量既可以降低炸藥單耗，還對臺階坡面的形成具有良好的作用。但是無論哪種方案均沒有對生產炮孔的裝藥結構進行試驗研究，根據上述研究可以推測，生產炮孔若采用空氣間隔裝藥并對炮孔堵塞長度進行調整，對整個生產是具有積極作用的。

4 結論

（1）優化炮孔孔網參數后，對爆破后塊度的控制達到了預期效果，減弱了由于礦山設備和廢石塊度不協調的問題，較大幅度降低了礦山生產成本。

（2）在擴大炮孔孔網參數的基礎上，改變炮孔堵塞長度及裝藥量既可以降低炸藥單耗，還對臺階坡面的形成具有良好的作用。建議礦山繼續對生產炮孔的結構參數進行試驗研究，以實現礦山更大的經濟效益。