巴潤礦礦巖混合爆區爆破分離技術研究

宋德林 張 浩 王德勝 郭建新 顧春雷 付明宇 丁航行4

（1.內蒙古科技大學礦業與煤炭學院，內蒙 古包頭 014010；2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；3.內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司巴潤礦業分公司，內蒙古 包頭 014080；4.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819）

在露天臺階爆破采礦中，礦石與巖石是經常混雜賦存，若采用松動爆破方法開采只能將爆區礦石整體向一個方向移動，造成礦石與巖石混雜在一起，難以有效分離[1]。尤其是在礦石與巖石的過渡區，電鏟挖掘時難以分辨，造成礦石損失貧化大，為此露天礦山開始采用爆破分離技術。爆破分離技術最早在上世紀60年代初期美國的McCoy礦[2]進行試用，到上世紀80年代初期，美國、澳大利亞等國的露天礦逐漸試用此技術[3]。2004年Orica公司利用I-kon數碼電子雷管在美國加尼蘇達州成功進行了礦巖分離爆破試驗，爆破后礦石與巖石區分明顯[4]。隨著爆破技術的不斷發展與優化，陳沖[5]認為礦巖分離爆破技術可以控制巖石運動的方向，省去了后期礦巖分離的工作過程，提高了露天采礦效率。滕瀟等[6]通過實驗對比論證了爆破分離技術比傳統爆破技術的出礦質量高出25%左右。郭建新等[7]對礦巖混合爆區進行PFC數值模擬，驗證了分離爆破技術可實現礦巖邊界溝槽分離、爆區中部堆聚的良好效果。余鐵鋼等[8]針對甕福磷礦英坪礦段掘溝寬度小的現狀，采用導爆雷管爆破，控制巖石爆破移動方向，取得礦巖分離的效果。李順波等[9]從應力波相互作用關系和自由面形成所需時間兩方面對礦巖分離爆破毫秒延時時間進行分析，并通過現場試驗得到設計礦巖分界線兩側的炮孔同時起爆可以形成溝槽，有效降低礦山的損失貧化率。傅洪賢等[10]在露天礦高臺階拋擲爆破時通過“圖解法”模型確定爆破參數，得到了良好的現場效果。綜上所述，國內外的成功案例與理論研究為巴潤礦的礦巖分離開采提供了寶貴經驗。

1 工程概況

巴潤礦是我國的超大型露天礦山，礦種眾多且產狀形態復雜，數十種稀土、鐵礦類礦種形成了數百個礦體，礦體之間相對獨立，空間上彼此交聯。眾多礦種中，經濟、戰略價值巨大的多種稀土礦物，受目前選礦分離技術的限制，暫時無法有效提取利用，同時作為戰略資源又不能隨意排棄，因此在開采鐵礦石的同時，需要將眾多稀土類礦種統籌考慮，一并綜合開采，將其先預存起來。若采用國內其他礦種單一、礦體結構簡單的大型露天礦大區微差爆破的經驗模式將造成各類礦、巖石相互混入，有用礦石回收率低、貧化率高的現象。為了解決此問題，礦山擬采用爆破分類技術，實現礦石和巖石定向堆積分離、爆堆集中、礦巖邊界溝槽明顯的效果，方便鏟裝，減少礦巖混雜。

2 爆破分離技術的基本原理及實現過程

2.1 爆破分離技術的基本原理

根據最小抵抗線原理，爆破拋擲堆積的主導方向為最小抵抗線方向。實現礦巖混合爆區一次爆破分離，需要礦巖分界處的礦石與巖石向相反方向拋擲堆聚，即礦巖界線兩側相鄰炮孔起爆時應具有方向相反的自由面，使最小抵抗線方向背離。

選擇礦巖交界兩側礦、巖區的似中心部位炮孔作為起爆“0”點，以該起爆點為幾何中心進行“V”型起爆。中心炮孔先起爆，周圍炮孔向此起爆點等時線毫秒延時起爆，實現周圍炮孔起爆后向礦巖體中心區域堆聚的爆破堆聚效果。對于礦巖交界區域，沿邊界線在礦石區與巖石區各布置一排豎向炮孔，然后對跨越礦巖分界線的2個對孔組炮孔實施長延時同時起爆，爆破后可以形成以2孔中部雙側拋擲漏斗分離和向前擲堆聚的效果，多排對孔組炮孔有序起爆后將形成沿礦巖交界線的深凹溝槽，實現礦巖體的邊界爆破分離效果。爆破分離原理示意如圖1所示。

2.2 實現過程

第一步，確定礦巖分界線。結合爆區情況，在礦、巖混合爆區對炮孔巖粉逐一取樣化驗，綜合考慮礦石品位化驗結果和爆區立剖面圖上的礦、巖產狀分布，精準劃分礦、巖體的邊界范圍。

第二步，炮孔布置及爆破設計。在礦、巖各自區域按照露天礦深孔臺階平面布孔方式設置炮孔，實施“V”型起爆技術。以礦巖體的中心部位炮孔為起爆點，中心炮孔先起爆，周圍炮孔向此起爆點等時線毫秒延時起爆。在礦巖分界線兩側設置對孔組炮孔，同組孔實施長延時同時起爆，延時時間一般大于110 ms。

第三步，精確鏟裝。在礦巖混合爆堆中，利用礦巖邊界指示系統和沿分離溝槽縱深挖掘的出礦技術，實現礦巖混合爆堆的精準挖掘。

3 巴潤礦礦巖分離爆破技術的應用

西采場北幫牙16（1 426～1 440 m）爆區位于巴潤西采場北部，爆區地質巖性組成復雜，巖種多樣，主要含有白云石型混合礦、含鐵巖以及稀土等多種巖性，且規模儲存量上存在差異，不同巖性之間的傾角多呈急傾斜產狀。礦山在該爆區試驗應用分離爆破技術，爆區下盤設計高程為1 427.5 m，上盤平均高程為1 441.12 m，臺階平均高度為13.62 m，臺階頂面坡度較小，高低起伏不大，呈東西向水平分布，爆區面積為6 213.81 m2。

3.1 爆區礦巖體邊界確定及區域劃分

礦巖混合爆區礦巖體的產狀、形態復雜，表現在臺階立面、剖面上礦巖相互穿插，臺階分層平面圖上礦巖邊界交互，常出現礦體中夾巖，巖體中有規模不等礦體等現象；另一方面，直接回收的鐵礦石又存在品位隨空間位置不同而異的普遍現象，因此僅靠爆區分層和剖面圖難以準確劃分礦巖體邊界。基于上述情況將在礦巖混合爆區對炮孔巖粉逐一取樣化驗，按照礦石品位化驗結果和爆區立剖面圖上的礦巖產狀分布綜合考慮，精準圈定礦巖體的邊界范圍，以此作為礦巖爆破分離的基礎資料。通過對現場孔位取樣，進行鉆孔巖粉化驗檢測，確定西部區域為高品位的白云石型混合鐵礦體（TFe≥28%），中部區域為白云巖石區，東部區域主要為稀土以及部分礦石區。依據化驗提供爆區質量圖，結合本爆區實際地質構造情況，將爆區劃分為西側礦石區以及東側巖石區兩大部分，如圖2所示，制定礦巖混爆區爆破分離技術方案。

3.2 爆破分離炮孔及爆破參數設計

如圖2所示，爆區采用跨邊界多自由面長延時同時起爆技術以及礦巖各自區域“V”型起爆技術。在礦巖邊界區域，跨邊界對孔前采用150 ms長延時，在跨邊界對孔前礦巖體得到充分拋擲之后，為該區域創造更多瞬時自由面，達到邊界處礦巖體向前拋擲同時也向兩側拋擲運動的目的。在礦石區和巖石區部位，采用“V”型起爆技術，實現各自區域礦石、巖石堆積，在跨邊界有序長延時同時起爆爆破分離基礎上實現礦巖體沿等時線方向集中區域的堆積效果，起到降低貧化率的作用。因此本區采用孔間延期40 ms，排間1～3排延期80 ms，4～5排延期100 ms進行爆破設計，同時孔間距離為8.0 m，排間距離為6.0 m。該區采用310 mm牙輪鉆機進行鉆孔，平均孔深為16.0 m，采用連續裝藥，裝藥高度設計為10.0 m左右，堵塞高度設計為6.0 m左右，超深為2.0 m。

3.3 爆堆測量及分析

爆破后對采場內礦巖石的破碎、拋擲堆積及礦巖分離情況進行現場觀測，如圖3（a）所示。該爆區爆破分離結果明顯，在礦石區與巖石區交界處產生明顯的深凹溝槽，因邊界兩側長延時150 ms，為跨礦巖邊界處炮孔起爆創造良好的拋擲空間，有利于礦巖體向兩側拋擲運動。因排間微差時間的設置，爆堆整體向前拋擲，最終達到邊界處明顯分離的效果。在“V”型起爆方式實施時，礦石沿等時線方向進行拋擲運動，爆堆的聚積有利于電鏟的開采作業。爆區整體爆破破碎均勻，大塊較少，說明爆破分離設計較合理。爆區爆破之后，采用GPS進行爆堆高程測量，從三維高程圖3（b）可以看出，在爆區西側形成連續堆積的礦石爆堆，在爆區東側形成連續的巖石爆堆，在中部礦巖分界線附近，產生一條明顯的深凹溝槽。依據后續數據處理，在溝槽處繪制剖面圖，依據圖3（c）中可以測得溝槽寬度在8.0 m左右，礦石堆頂點距離溝槽高程差9.0 m左右，巖石堆頂點距離溝槽高程差有5.0 m左右，未產生后沖現象，進一步說明此次爆破分離技術方案設計合理，同時有效地在分界線處產生溝槽，降低礦石貧化率。“V”型起爆方式得到良好應用，較好地實現礦石、巖石各自堆積。

4 混合爆堆礦巖邊界精準指示及鏟裝

為了改善礦巖混合爆區電鏟對礦巖分離爆堆的精準挖掘問題，實現對爆堆中礦石邊界的精確挖掘控制，以防挖掘過程造成破碎礦巖石的二次混合，在礦巖混合爆堆中，實施礦巖指示+沿分離溝槽縱深挖掘的出礦技術方案，實現礦巖混合爆堆的精準挖掘，降低混合爆堆的礦石貧化。

4.1 混合爆堆礦巖邊界精準指示

為了電鏟司機清晰地辨識混合爆堆的礦石和巖石，采用礦巖邊界指示系統，爆破前放置于礦巖交界礦石側炮孔堵塞段的指示器，被爆破拋擲堆積于礦巖分離溝槽的礦石堆中，當電鏟鏟裝到爆堆中指示器附近時，安裝在電鏟上的接收器可以顯示指示器號碼，提示電鏟司機按照礦巖石的實際堆積邊界挖掘裝車，降低鏟裝過程中礦石貧化概率，指示器和接收裝置如圖4所示。

西采場北幫牙16（1 426～1 440 m）爆區，在礦巖分界線和礦石中選取15個炮孔（分界線處炮孔4個，礦石中炮孔11個），共安放指示器20個。其中礦巖分界線處每個炮孔安放2個指示器，其余每個炮孔1個指示器。指示器安放于堵塞段，深度為0 m、1 m、2 m、2.5 m、3 m、4 m不等。指示器監測首先由人工持手持式信號監測儀在爆堆巡回搜索，發現爆堆表面指示器，其他指示器通過安裝于電鏟上的指示器監測系統在挖掘過程中監測發現。從爆破到出礦結束共監測到指示器11個，其中通過人工搜索、撿取指示器2個，指示器完好，通過指示器監測系統監測到指示器9個。監測到的11個指示器安放于礦巖分界線的6個，礦石中的5個，炸藥中的2個指示器均未監測到，指示器回收率為61.1%（不包含安放于炸藥中的2個指示器），驗證了指示器系統指示爆破后礦巖界線的可行性。爆區指示器放置信息、監測結果如圖5所示。

4.2 礦巖混合爆堆鏟裝方式

在礦巖混合爆堆中，傳統的條帶式采裝容易使破碎礦石和巖石在電鏟鏟裝中相互混合，進一步增加礦石的貧化。為了避免混合爆堆鏟裝過程中破碎礦石和巖石相互混合，同時考慮到混合爆區已實現左右深凹溝槽分離、前后分離堆積的效果，提出了結合指示器邊界指示的條帶挖裝方式。在礦巖石分界爆堆處沿溝槽方向縱深適度超深挖掘，控制電鏟超深挖裝≤5 m左右，先挖凈溝槽一側的巖石后再挖礦石，可以大幅降低礦石和巖石在條帶順序挖掘時礦石和巖石的無序混合，降低礦石貧化率。

4.3 爆區出礦指標

該爆區地質礦量115 980 t，地質品位35.5%，采用太重集團20 m3電鏟出礦，最終采出礦122 670 t，采出礦石平均品位34.79%，貧化率2.0%。

5 結 論

（1）采用鉆孔巖粉取樣化驗結果與爆區立剖面圖相結合的方法，圈定混合爆區內礦巖體的邊界，為混合爆區礦巖爆破分離設計提供了基礎依據。

（2）采用礦巖體中心的多點V型起爆方式，同時配合跨越礦巖邊界有序長延時對孔起爆技術，實現礦巖混合爆區一次爆破在礦巖交界處深凹溝槽分離、礦巖體中心堆聚的高效分離目標。

（3）在跨越礦巖交界礦石側炮孔的堵塞段，按照最大埋深不超過4.0 m安放指示器，安放在電鏟上的監視器能準確識別、捕捉指示器的信號，對于不易辨識礦巖石爆堆的精準挖掘提供了技術支撐，為降低礦巖混合爆堆的礦石貧化率提供了技術保障。

（4）沿礦巖分離溝槽縱深挖掘及先挖巖石后挖裝礦石的出礦方式，配合深凹分離溝槽效應縮減了礦巖石交界處散體的攤堆距離，降低了礦石與巖石的互混。