露天礦山深-淺耦合臺階爆破方法研究及應用

楊朝云，劉 秋，周 鷺，陳 斌，涂欣強，李立華，曾 強

（江西銅業集團銀山礦業有限責任公司，江西 德興 334200）

1 引言

銀山礦業有限責任公司銀山九區銅金礦露天采礦場（簡稱“采礦場”）位于礦區中部，生產能力為5000 t/d［1］。礦區巖性較為單一，以千枚巖為主，局部區域存在斑巖，但礦區斷裂構造發育極為嚴重，條數眾多［2-4］。同時，現場爆破時，各炮孔炸藥爆破后所形成的應力波在巖體內部相遇出現疊加效應，會在一定區域內形成無拉應力區，進而導致在此區域極易產生巖體大塊。為降低爆破大塊率，本文提出了深-淺耦合臺階爆破方法。

2 爆破大塊產生的原因及部位

2.1 爆破大塊產生原因

現場分析發現，兩平行藥包垂直中心線區域（梅花型中深孔中心區域）是爆破大塊主要產生區域。通過對地質和爆破技術進行聯合研究，并深度融合爆破破巖理論及藥包爆破作用，發現采礦場產生爆破大塊的主要原因是相鄰藥包應力波疊加作用和巖體內部節理裂隙的影響。然而，巖體節理裂隙是采礦場原生固有的，巖體節理裂隙現場圖如圖1 所示。因此，本文僅對相鄰藥包應力波疊加作用的影響進行分析研究。

圖1 巖體節理裂隙發育區域

為了簡化問題，下文僅針對兩個相鄰平行藥包同時起爆進行分析（實際生產過程中，同排藥包均為同時起爆），且不考慮自由面的影響。

兩藥包周邊巖體受藥包爆破應力波影響可劃分為兩類（見圖2）。第一類：在兩藥包連線上的巖體；第二類：不在兩藥包連線上的巖體。下面將分別進行應力研究分析：

圖2 平行藥包應力波疊加作用示意圖

（1）在兩藥包連線的M巖體單元體，A、B藥包爆炸后，兩者所產生的徑向應力及切向拉應力方向相同。因此，再次連線上的巖體所受到的應力均得到加強，有利于巖體破碎；

（2）不在兩藥包連線上P 巖體單元體，由于兩藥包所產生的應力方向不同，可能存在相互抵消的作用，形成應力降低區，且在兩藥包垂直中心線區域最為明顯，現場爆破后也極易在此區域產生爆破大塊。

2.2 爆破大塊產生部位研究

根據巖石物理力學性質可知，巖石抗壓強度遠大于抗拉強度。當巖體處于應力降低區時，拉應力是破壞巖石的主要應力。因此，兩藥包垂直中心線區域爆破大塊產生的部位研究可轉化為該區域無拉應力區范圍研究。

由于采礦場中深孔臺階爆破炮孔孔深及裝藥量相同，為簡化計算，將相鄰炮孔內部藥柱簡化為相鄰平行藥包。對兩藥包所產生的應力波斜交，且交點在兩藥包垂直中心線上的無拉應力區范圍進行求解［8-10］，如圖3 所示。

圖3 兩應力波斜交示意圖

假設在藥包A、B 垂直中心線上任意一個單元體受藥包A、B 爆炸應力波所形成的徑向應力及切向拉應力作用，由于A、B 藥包裝藥量及孔深一致，將應力簡化為：。并以此進行應力分析得：

徑向方向合力：

式中：Rr為徑向方向合力；σ r為單元體所受徑向應力；σθ為單元體所受切向應力，σθ=γσr，其中γ為側應力系數，為巖石泊松比，通過物理力學試驗測試的采礦場各類巖石泊松比均小于0.5，因此γ＜1；β為藥包連線與單元體和藥包連線的夾角；τ為應力分解角度，。

假設函數：

對函數求導以及二次求導可得：

同時，計算可得y(β)函數零點為β=tan-11/γ，由此可得應力分區為：

綜合分析r 方向和θ方向合力情況可知，兩相鄰同等性質同時起爆的藥包爆破后，在兩藥包連心線的垂直平分線上，由于應力波相遇疊加產生了巖石中的無拉應力，其區間為：

因此爆破后，巖體在此區間范圍內極易產生大塊。由于采礦場巖石以千枚巖和英安斑巖為主，因此對兩類巖石進行無拉應力區范圍計算（室內物理力學試驗得出千枚巖泊松比0.31，英安斑巖0.37），計算得出：

千枚巖無拉應力區范圍：24.2°≤β≤65.8°

英安斑巖無拉應力區范圍：30.4°≤β≤59.6°

3 深-淺耦合臺階爆破方法

3.1 爆破方法的提出

由2.2 節分析可知，兩類巖性爆破區域無拉應力區范圍，同時爆破大塊的產生主要集中在兩炮孔垂直平分線的上部填塞區域。因此，為降低爆破大塊率，提出在臺階上部兩炮孔間垂直平分線無拉應力區增設短孔的爆破方法：深-淺耦合臺階爆破方法。增設短孔區域示意圖如圖4 所示。

圖4 增設短孔區域示意圖

3.2 短孔參數計算

3.2.1 短孔深度

根據現場中深孔爆破裝藥情況可知，臺階爆破炮孔正常裝藥后的填塞長度為4.5 m。在保證短孔內藥包爆破效率和填塞長度處于安全范圍的前提下，短孔深度取4 m。

3.2.2 短孔布設參數

采礦場臺階采用梅花型布孔方式，結合無拉應力區分布形式，短孔可布設在兩個中深孔的垂直平分線上的無拉應力區，同時前排的炮孔恰好處于無拉應力區范圍。結合現場穿孔實際可操作性，最終確定將短孔布設在無拉應力區的中深孔等距處。千枚巖區域和英安斑區域無拉應力區增設短孔設計圖分別如圖5a 和圖5b 所示，現場實況圖（孔排距按5 m×3.5 m）如圖6 所示。

圖5 各類巖性無拉應力區增設短孔設計圖

圖6 增設短孔現場實況圖

3.3 爆破效果

根據2016-2021年爆破大塊產出率變化圖（見圖7）及現場爆破效果對比圖（見圖8）可知，自2018 年底提出深-淺耦合臺階爆破方法并采用后，爆破大塊產出率明顯降低，且爆破效果得到了大幅度改善。

圖7 2016-2021 年爆破大塊產出率變化圖

圖8 深-淺耦合臺階爆破方法實施前后爆破效果圖

4 經濟及社會效益

4.1 經濟效益分析

2019—2021 年采礦場對巖性復雜上部易產生大塊的區域采用深-淺耦合臺階爆破方法，穿孔及爆破成本和破碎及鏟裝成本都發生了變化。

4.1.1 穿孔及爆破增加成本

據統計，2019—2021 年增設短孔炮數共計254面，增設短孔數量共計3048 個，穿孔及爆破成本合計增加86.1 萬元（見表1）。其中，根據增設短孔所需，增加穿孔米數計算穿孔增加成本，2019—2021 年增加穿孔成本共計19.0 萬元；爆破成本增加的主要原因是雷管及炸藥消耗有所增加，2019—2021 年增加爆破成本共計67.1 萬元，成本計算方法見表1 所示。

表1 2019—2021 年增設短孔數據及所需增加成本明細表

4.1.2 破碎及鏟裝節約成本

結合現場實際生產情況，綜合分析得出采用深-淺耦合臺階爆破方法后，每一面炮需使用的破碎錘和挖機鏟裝作業時間分別平均縮短了2 h，8 h。其中，破碎錘計時單價為370 元/h；挖機根據斗容可分為2 m3和4 m3兩種類型，其計時單價分別為370 元/h 和500 元/h。由于實際生產過程中兩者作業時間相近，所以將挖機計時單價取兩者均值435元/h。上述的計時單價均含柴油消耗。由表2 可知，2019—2021 年采用深-淺耦合臺階爆破方法后，破碎及鏟裝成本共節約107.2 萬元。

表2 破碎及鏟裝節約成本表

4.1.3 綜合經濟效益

通過計算分析可知，2019-2021 年采用深-淺耦合臺階爆破方法后，剔除穿孔及爆破成本后節約成本共計21.1 萬元，如圖9 所示。

圖9 2019—2021 年采取深-淺耦合臺階爆破方法后節約成本條狀圖

4.2 社會效益分析

通過對爆破后的炮堆礦巖塊度進行研究分析發現，采用深-淺耦合臺階爆破方法可有效降低爆破后的礦巖大塊率，并能產生以下社會效益：

（1）爆破大塊率大幅度降低后，不僅縮減了鏟裝及破碎錘作業時間，還提升了設備作業效率，減少了設備損耗；

（2）鏟裝運輸效率大幅度提升，停車等待裝車時間減少，有效降低了大車油耗；

（3）爆破大塊數量減少，鏟裝設備施工人員作業難度下降，提高了人員的作業積極性。

5 結論

銀山礦露天采礦場爆破大塊率高一直是困擾現場生產的一大難題，基于此，技術人員結合現場生產的實際情況，在現有爆破技術基礎上，深度融合爆破區域巖體結構構造及巖石物理力學性質等爆破質量影響因素，提出增設短孔的臺階爆破方法：深-淺耦合臺階爆破方法，并取得了較好的社會效益和經濟效益：

（1）采取深-淺耦合臺階爆破方法后，爆破后的礦巖大塊率明顯降低，不僅提升了工序間的作業效率，而且有效降低了設備的柴油單耗；

（2）采用深-淺耦合臺階爆破方法后，爆破后所形成的礦巖塊度均勻度更高，操作人員作業難度下降，作業積極性得到大幅度提升；

（3）在2019-2021 年期間采用深-淺耦合臺階爆破方法后，不僅降低了爆破礦巖大塊率，還節約各類成本共計21.1 萬元。