謙比希銅礦多爆區連續開采技術

楊清平，張金鐘，盧二偉，祁澤鋒，李延龍，溫晨，霍曉鋒，史秀志

(1.中色非洲礦業有限公司謙比希銅礦，北京 100082；2.中南大學，湖南 長沙 410083)

0 引言

下向平行中深孔爆破是地下礦山開采中常用的爆破破巖方法之一[1-3]。謙比希銅礦東南礦體在前期采用下向平行中深孔爆破時，其鑿巖作業形式為單采場分爆區間斷打孔，存在鑿巖設備工作效率低、回采效率低、工序繁雜等問題。因此，鑿巖作業形式已改為單采場多爆區一次性打孔。然而在多爆區連續爆破回采過程中，常常會面臨后沖所造成的超挖，使臨爆區第一列炮孔堵塞、坍塌甚至報廢，給后續炮孔裝藥帶來不便，甚至威脅后續裝藥作業人員安全。此外，爆破后沖所導致的臨爆區礦巖滑落會形成大塊礦石，對出礦作業產生極大影響，如圖1 所示[4-7]。此外，還存在爆破后邊幫垮塌所帶來的邊幫控制問題，礦巖較破碎采場邊幫的超欠挖會嚴重影響邊幫礦巖的完整性及穩定性，進而影響采場穩定性以及后續間柱采場回采安全，同時超欠挖產生的超級大塊嚴重影響后續鏟運機出礦，甚至需要工人冒險進入采場進行二次爆破處理，帶來極大的安全隱患[7-9]。因此，在進行規模化中深孔爆破時必須對后沖控制、邊幫超欠挖控制等關鍵技術問題進行研究，對于實際爆破工程和安全生產具有重要意義。

本文以謙比希銅礦東南礦體732-1-W7L 采場為例，對采場炮孔設計及爆破設計流程進行詳細研究探討，并形成了安全高效的多爆區連續開采技術，為相似工程提供了參考。側崩爆破后沖示意見圖1。

圖1 側崩爆破后沖示意

1 采礦方法及爆破參數設計

謙比希銅礦東南礦體是謙比希銅礦的3 大主礦體之一，位于主礦體東南約7 km 處。東南礦體以0#勘探線為界分為南北兩個礦化帶，北礦帶以59#勘探線為界分為N1 和N2 兩部分。按采礦順序將N1 礦體以880 mL 為界分南北兩個采區進行。東南礦體屬薄至中厚緩傾斜礦體。礦體頂板一般為上盤石英巖夾泥巖，石英巖穩固，偶有節理發育部位或泥巖則會出現滑落現象。礦體位于礦化板巖中下盤，一部分礦體的直接頂板仍為礦化板巖，礦化板巖穩固性中等。礦體下盤為礫巖，厚度為1～5 m，穩固性較差。再往下則為下盤石英巖，穩固性較好。

謙比希銅礦東南礦體年產量在350 萬t/年，受地質條件制約，東南礦體礦巖穩定性差，臨爆排炮孔孔壁易損壞，且受多次爆破影響，炮孔無法長時間維持穩固，此外，每次爆破前洗孔作業嚴重影響了開采效率。因此，東南礦體前期采用分爆區間斷鑿巖爆破作業方式以避免炮孔垮落問題，但這種開采技術效率較低，無法充分發揮鑿巖設備效率，在此背景下，東南礦體開展了多爆區連續開采技術研究。

1.1 采礦方法

謙比希銅礦東南礦體傾角為15°～30°、垂直厚度為10～15 m，設計采場寬9 m、長80～180 m，采場礦量為2 萬～4 萬t，采礦方法為預切頂下向平行中深孔采礦法。該方法適用的礦體礦房分兩步驟回采，不相鄰的兩個礦房為第一步驟回采礦房，與第一步驟相鄰的礦房為第二步驟回采礦房。礦房回采分兩個分層進行，上分層為切頂層，厚度一般為4.5 m，使用DD422i 雙臂掘進臺車進行穿孔作業；下分層采用DL431 臺車在上分層鑿下向平行中深孔爆破，智能遠程遙控鏟運機出礦。

1.2 孔網參數設計

根據謙比希銅礦東南礦體所做爆破漏斗試驗以及之前生產經驗總結，確定排間距為2.0 m，中間孔孔間距為2.2 m，可取得比較好的破碎效果，同時可依據礦巖完整性適當增大或縮小孔網參數。

謙比希銅礦采用逐孔起爆方式，孔內采用500 ms 延期，孔外采用毫秒延期，確定其雷管段位排布最大不能超過500 ms，因此，每個爆區設置在5 排為宜。具體施工方案如圖2 所示。

1.3 邊幫孔爆破參數設計

采場通過光面爆破對邊幫進行控制，采用徑向不耦合裝藥方法，即對Φ76 mm 邊幫孔中插入Φ50 mm PVC 管，使其實現徑向不耦合裝藥以達到邊幫控制（見圖3）。由于采用不耦合裝藥，邊孔每米裝藥量為原來的1/3，因此調整孔距，臨近邊幫孔距調整為1.5 m，并且在排間設置加強孔，通過增加邊孔密度以達到光面爆破控制邊幫的效果，如圖2所示。

圖2 多爆區連續施工示意(單位:m)

圖3 邊孔徑向不耦合裝藥

此外，東南礦體是傾斜層狀礦體，且巖層與夾層可鑿性差別較大，導致炮孔偏斜較大。為了保證邊幫炮孔施工到位，在鑿巖方面，采用穩桿器（見圖4）對鉆孔進行糾偏，在使用雙穩桿器的情況下可以有效減小鉆孔偏斜，考慮到炮孔固定向一個方向偏斜，在施工邊幫孔時采用糾偏角85°進行對沖。

圖4 DL 短穩桿器

采用光面爆破可基本解決下向孔邊幫控制問題，試驗采場結果表明，孔深為13 m 左右時，一般邊幫孔插入Φ50 mm PVC 管10 m 為宜，這樣既可保證邊幫平整，也可以解決因孔底夾制性大導致的邊幫根底；插入Φ50 mm PVC 管12.5 m 時，破碎礦巖出現邊幫根底的概率增大。

1.4 臨爆排炮孔保護技術

后沖控制是實現下向孔采場多爆區連續打孔的基本條件，影響后沖的最主要因素是最后一排孔的填塞長度、抵抗線大小和延期時間等因素；填塞長度太小容易形成反向爆破漏斗，導致后沖增大，破壞后排炮孔。

經過多次試驗研究表明，最后一排炮孔填塞深度留4.5 m，此時乳化炸藥發泡后的填塞長度在2.5～3.0 m（見圖5）。增大填塞長度的情況下，通過縮小排距到1.8 m 以控制大塊率（見圖2），后沖可控制在1.0 m 以內，基本不影響后續爆區爆破，如圖5所示。

圖5 炮孔堵塞長度設計

1.5 相鄰爆區間隔距離設計

為保證相鄰爆區互不影響，增大前后爆區間距（后續爆區前排炮孔抵抗線）是非常好的措施，考慮現場鑿巖設備限制以及作業便利性，在目前中間3 孔每一位置分別進行了3 個Φ76 mm 炮孔替代一個Φ76 mm 炮孔試驗，形成束孔爆破效應以此增大前排炮孔抵抗線，如圖6 所示。

圖6 等效大孔示意

根據束狀孔效應，3 個孔(直徑d)可以等效為一個大孔，由式（1）可以確定等效大孔直徑D。

藥包抵抗線計算公式見式（2），根據爆破漏斗應變能系數不變，可以換算出束狀孔抵抗線為原炮孔抵抗線的倍，求得束狀孔前排抵抗線為2.9 m。

式中，N為藥包為Q時的臨界深度，m；Q為藥包質量；E為應變能系數。

根據多次試驗結果表明，前排抵抗為2.5～2.7 m 時，爆破效果良好，前排基本無大塊。該采場由于整體性較差，因此相鄰爆區相距2.5 m。爆區最后一排由于要控制后沖，在增大填塞長度的情況下，通過縮小排距到1.8 m 以控制大塊率，如圖2所示。

2 現場試驗

根據參數設計最終確定爆區排間距為2.0 m，前排抵抗線增大到2.5 m，最后排抵抗線為1.8 m，受邊孔裝藥影響，孔距調整為邊幫1.5 m，中間3 孔2.2 m，且在排間位置設置加強孔。根據以上設計方案，在謙比希銅礦東南礦體732-1-W7L 采場進行了現場試驗。

2.1 施工技術細節

多爆區連續施工細節如下：

（1）采場多爆區連續打孔，炮孔超深應比常規炮孔超深增加0.5 m，防止鑿巖巖粉沉底變干導致超深不足；

（2）所有炮孔采用編織袋裝河砂封堵炮孔孔口，防止裝藥施工過程中破壞炮孔；

（3）孔深13 m 左右時，一般邊幫孔插入Φ50 mm PVC 管10 m 為宜，這樣既可保證邊幫平整，也可以解決因孔底夾制性大導致的邊幫根底；

（4）采用穩桿器糾偏以及鉆機采用85°糾偏角反向對沖可以有效控制鉆孔偏斜。

2.2 爆破效果

現場試驗結果表明，該多爆區連續施工設計方案取得良好的效果，邊幫控制較好（見圖7（a）），后排炮孔無堵塞且大塊率低（見圖7（b）），在生產效率上得到提高，表明謙比希銅礦多爆區連續開采技術方案設計較為合理，可以獲得預期效果，目前多爆區連續開采技術已逐步應用于其它采場。

圖7 現場爆破效果

3 結論

根據試驗分析結果，可以得出以下結論。

（1）在采場邊孔插入50 mm PVC 藥管形成不耦合裝藥結構，同時縮減邊孔距至1 m，并結合鉆孔糾偏技術實現了光面爆破，可以較好地控制邊幫，且在管長低于孔深時可以解決邊幫根底問題。

（2）在每個爆區最后一排填塞深度由常規孔的3 m 擴大到4.5 m 來控制后沖，同時將最后一排孔排距降低到1.8 m，從而可以有效控制后沖問題，同時保證較小抵抗線以獲得良好的破巖效果。

（3）通過計算及現場試驗得出前排抵抗線，即爆區間隔為2.5～2.7 m，爆區首排中間孔采用3個76 mm 炮孔形成束狀孔效應，等效為具有更大抵抗線的大直徑炮孔，這樣可以保證前爆區后沖不會影響后續炮孔，且采場基本沒有大塊，爆破效果良好。