無底部結(jié)構(gòu)下向中深孔逐孔微差起爆技術(shù)研究及應(yīng)用

李延龍，申燕元

(1.中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司； 2.益陽市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站)

引 言

中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司謙比希銅礦(下稱“謙比希銅礦”)位于贊比亞銅帶省基特韋市謙比希鎮(zhèn)，是中國在境外投資開發(fā)的第一座有色金屬礦山。謙比希銅礦主要由主礦區(qū)、西礦區(qū)和東南礦區(qū)3個礦區(qū)組成。東南礦區(qū)礦體傾角緩、厚度薄、埋深大，上覆巨厚的含水層，且地表有當(dāng)?shù)刂饕芳捌渌匾牡孛嬖O(shè)施需要保護(hù)，開采難度大[1]。東南礦區(qū)設(shè)計產(chǎn)能為330萬t/a，為保證產(chǎn)能，謙比希銅礦為東南礦區(qū)引進(jìn)了先進(jìn)的采礦設(shè)備和系統(tǒng)以提高礦山生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提升安全水平。其中，出礦設(shè)計采用無人駕駛自動化出礦系統(tǒng)，保證出礦作業(yè)在安全前提下高效完成。由于東南礦區(qū)礦體特殊的賦存形態(tài)，經(jīng)研究決定采用以下幾種采礦方法：①分層進(jìn)路采礦法，礦體厚度6～12 m時，采用此采礦方法。②中深孔充填采礦法，根據(jù)礦體厚度的不同，將此方法分為2種：厚度12～20 m，上分層采用進(jìn)路采礦法，下分層采用下向中深孔采礦法；厚度大于20 m，采用上向中深孔采礦法，在采場底部設(shè)計的鑿巖巷內(nèi)施工上向中深孔，采場頂部設(shè)計支護(hù)巷，頂板使用錨索和錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。③全面采礦法，即房柱采礦法，厚度小于6 m，采用礦房礦柱布置[2]。

上分層進(jìn)路采礦法、下分層下向中深孔采礦法回采工藝是將同一采場分為兩步驟進(jìn)行回采，上分層采用雙臂鑿巖臺車進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，頂板采用錨網(wǎng)和錨索支護(hù)，下分層采用中深孔鑿巖臺車施工下向中深孔。根據(jù)設(shè)計的采場劃分，上分層一般為9.0 m×5.0 m(寬×高)的斷面，采場頂板為礦體頂板；下分層采場高為礦體厚減去上分層高，寬度與上分層一致，采場底板為礦體底板。上分層采場采用掘進(jìn)法，采場底板平整度易控制；而下分層采用下向中深孔施工，采場底板平整度難以把控，不平整的底板極大影響了自動化鏟運(yùn)機(jī)出礦效率，且對設(shè)備損耗較大，增加出礦成本。為解決上述問題，通過前期不斷探索研究，借鑒露天礦的臺階爆破，決定采用下向中深孔逐孔微差起爆技術(shù),現(xiàn)場應(yīng)用取得較好的效果。

1 工程概況

東南礦區(qū)是謙比希銅礦3大主礦區(qū)之一，東西長6 km，南北寬5 km，面積30 km2，礦床類型為大型沉積型銅礦床。礦床具有礦石品位高、礦體分布范圍廣、礦化帶分布規(guī)律性強(qiáng)等特點，資源儲量較大。該礦山為新建礦山，是中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司大型銅礦原料基地，采用豎井開拓方式，建設(shè)規(guī)模為330萬t/a。礦體為層控型礦體，與圍巖一并經(jīng)受褶皺作用，總體走向NW，基本與褶皺構(gòu)造軸向一致，傾向NE，傾角5°～20°，屬于緩傾斜中厚礦體，平均厚度為9.63 m，礦體沿走向、傾向延伸較穩(wěn)定。上盤圍巖是以泥質(zhì)石英巖為主的淺變質(zhì)巖層，埋深497.15～986.45 m，厚度為13.98～102.50 m，巖石結(jié)構(gòu)致密、完整；下盤圍巖為礫巖和石英巖，埋深576.77～1 022.45 m，厚度為4.27～43.83 m，礫巖由各種圓形至次棱角狀的礫石構(gòu)成，膠結(jié)致密，下盤巖石均堅硬、完整。

東南礦區(qū)礦巖質(zhì)量穩(wěn)定性分級為：礦化板巖均屬于Ⅲ或Ⅳ級巖體，上盤石英巖和下盤石英巖均屬于Ⅱ級 巖體，基底花崗巖和下盤礫巖均屬于Ⅱ級巖體；同一類型的巖體質(zhì)量存在一定的差異，是由于同類巖體的賦存條件不同所致[3]。

2 下向中深孔回采工藝

2.1 采場參數(shù)

設(shè)計采場沿走向布置，采場長80.0 m，寬9.0 m，高為礦體厚度減去上分層回采凈高，采完后的采場上分層為下分層中深孔施工和裝藥的通道，中深孔切割槽區(qū)布置在采場端部，采聯(lián)為出礦通道，采場無底部結(jié)構(gòu),具體布置見圖1。

圖1 下向中深孔采場布置示意圖

2.2 采準(zhǔn)切割工程

采準(zhǔn)切割工程主要包括鑿巖硐室、切割槽、出礦通道。通過在采場兩端布置的穿脈或斜坡道施工采場聯(lián)絡(luò)道作為出礦通道，采聯(lián)長8.0 m，斷面規(guī)格(寬×高)為4.5 m×5.0 m，設(shè)計采聯(lián)坡度控制在12 %以內(nèi)(包括12 %)，切割槽布置在采場端部，與采聯(lián)相通，斷面規(guī)格(寬×高)為5.0 m×4.5 m，長為9.0 m。

2.3 鑿巖工藝

采用SANDVIK DL431中深孔鑿巖臺車施工炮孔，在采完后的上分層采場鉆鑿下向平行中深孔，鉆孔直徑為76 mm，炮孔深度為剩余礦體厚度，炮孔排距為1.625 m，孔距為1.825 m，每排布置5個炮孔，根據(jù)設(shè)備鉆鑿邊幫孔空間要求，邊孔距邊幫0.85 m。所有炮孔在施工時使用孔口管保護(hù)孔壁。

2.4 回采順序

在上分層鉆鑿槽孔，首先使用毫秒微差雷管起爆槽井，槽區(qū)中間孔爆破補(bǔ)償空間為下部槽區(qū)和上分層采場，槽區(qū)邊孔的爆破補(bǔ)償空間為中間、下部槽區(qū)及上分層，邊孔礦石拋擲方向為中間，槽區(qū)爆破后，正常排向槽區(qū)進(jìn)行側(cè)崩。自動化鏟運(yùn)機(jī)通過穿脈或斜坡道進(jìn)入下分層采聯(lián)出礦，礦石倒至布置在分段運(yùn)輸平巷或采準(zhǔn)斜坡道旁的采區(qū)溜井，然后再通過礦卡或電機(jī)車將礦石運(yùn)至主礦石溜井。

3 自動化出礦需具備條件

根據(jù)《中色非洲礦業(yè)有限公司謙比希銅礦東南礦區(qū)采選工程初步設(shè)計說明書》，東南礦區(qū)所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)全部圍繞自動化出礦系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，因此，東南礦區(qū)能否順利實現(xiàn)達(dá)產(chǎn)，自動化出礦能否成功應(yīng)用是關(guān)鍵，而其中下向中深孔采場中自動化鏟運(yùn)機(jī)出礦要順利進(jìn)行需具備以下條件：

1)設(shè)備配備自動化系統(tǒng)，已于SANDVIK采購。

2)生產(chǎn)區(qū)域需具有穩(wěn)定獨立網(wǎng)絡(luò)，目前生產(chǎn)區(qū)域大部分已有網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

3)下向中深孔采場爆破后無根底、大塊少、底板較平整。

其中,條件3)是目前東南礦區(qū)亟需研究解決的，這也是本文中提到的爆破技術(shù)。

4 下向中深孔逐孔微差起爆技術(shù)

4.1 炮孔參數(shù)

在下向中深孔爆破過程中借助毫秒微差導(dǎo)爆管雷管，通過合理的微差時間組合，使炮孔由起爆點按順序依次起爆，每個炮孔的起爆都是相對獨立的，前一個炮孔為后一個炮孔創(chuàng)造了一個自由面，相鄰炮孔間的礦巖在移動過程中會發(fā)生相互碰撞擠壓，使巖石進(jìn)一步破碎，從而能夠保證較好的爆破塊度。

1)炮孔直徑及深度。采用SANDVIK DL431中深孔鑿巖臺車鉆孔，鉆孔直徑為76 mm，設(shè)計孔口管段孔徑為89 mm，長度為40 cm，孔口管長度60 cm。掏槽區(qū)中間布置4個大空孔，直徑為127 mm，孔口部分使用巖渣堵塞。

2)炮孔其他參數(shù)。

(1)最小抵抗線。因正常排自由面為垂直面，且炮孔為下向平行中深孔，因此最小抵抗線等于排間距，根據(jù)如下經(jīng)驗公式計算[4-5]：

W=25D

(1)

式中：W為最小抵抗線(m)；D為炮孔直徑(mm)。

經(jīng)計算：W=1.9 m。

(2)炮孔排間距。根據(jù)孔間距a=1.1W，則孔間距為2.1 m；排間距與最小抵抗線一致，為1.9 m。

(3)炮孔深度(hp)及超深(h)。炮孔深度hp=10 m。根據(jù)h=0.2W，炮孔超深取0.4 m；為了保證底板平整度，設(shè)計時將超深加深至0.8 m。

(4)邊孔及最后一排起爆孔徑向不耦合系數(shù)。采用的PVC管直徑為60 mm，因此徑向不耦合系數(shù)為1.27。

(5)爆破補(bǔ)償空間。由于槽區(qū)和上分層已完全形成，爆破補(bǔ)償空間充足，符合爆破補(bǔ)償空間>30 %的要求。槽區(qū)和正常排炮孔設(shè)計分別見圖2和圖3。

圖2 槽區(qū)炮孔設(shè)計示意圖

圖3 正常排炮孔設(shè)計示意圖

4.2 裝藥爆破

1)裝藥。裝藥全機(jī)械化，采用GETMAN公司的裝藥臺車，炸藥使用AEL公司的混裝乳化炸藥，與敏化劑在現(xiàn)場進(jìn)行混合。槽區(qū)中部與下部采聯(lián)穿透的孔裝藥前，孔底先使用制作的孔底填塞器填塞，槽區(qū)炮孔采用耦合連續(xù)裝藥，槽區(qū)孔填塞長度2.0 m。正常排中間炮孔采用連續(xù)耦合裝藥；邊孔和最后一排起爆孔采用連續(xù)不耦合裝藥，起到保護(hù)邊幫、防止后沖破壞其他炮孔的作用，使用直徑小于炮孔直徑的PVC材質(zhì)管實現(xiàn)不耦合裝藥，PVC管管底封口，不耦合裝藥孔在裝藥時將裝藥管塞入PVC管底，然后放至孔底。正常排填塞長度為2.5 m，所有起爆孔采用孔底起爆。裝藥結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

2)爆破器材。孔內(nèi)使用長延期導(dǎo)爆管雷管，延期時間為500 ms，孔口使用17 ms、25 ms孔間延期和42 ms、65 ms排間延期雷管，主起爆雷管使用數(shù)碼雷管，其中某次爆破主要的爆破器材見表1。

表1 主要爆破器材

3)爆破網(wǎng)絡(luò)。爆破連線從一端開始按照設(shè)計網(wǎng)絡(luò)逐次串聯(lián)，起爆網(wǎng)絡(luò)為起爆電纜-數(shù)碼雷管-孔口延期雷管-孔內(nèi)延期雷管。爆破網(wǎng)絡(luò)見圖5。

圖5 爆破網(wǎng)絡(luò)示意圖

5 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

東南礦區(qū)第一個下向中深孔爆破采場在南采區(qū)，采用的爆破方法是逐孔微差起爆技術(shù)，由于篇幅限制，本文選取其中一個采場的某一次爆破效果進(jìn)行說明。

5.1 采場情況

1)裝藥孔設(shè)計。東南礦區(qū)南采區(qū)756-2MU-6號采場中深孔第一次爆破，爆破區(qū)域為1P～5P，φ76 mm下向平行中深孔共計25個，總孔深200.1 m，排間距1.8 m，孔間距1.825 m。

2)采場地質(zhì)。該采場巖石為常見的典型礦化板巖，黑色、灰黑色至淺灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀、層狀、似層狀構(gòu)造，與上下盤圍巖呈整合接觸，礦體分布較穩(wěn)定、連續(xù)，局部發(fā)育少量節(jié)理及裂隙，傾向NE70°，傾角15°～25°。上盤圍巖為一套以黃鐵礦化、黃銅礦化板巖及泥質(zhì)石英巖為主的淺變質(zhì)巖，與礦體整合接觸，巖石結(jié)構(gòu)致密、堅硬、完整，平均抗壓強(qiáng)度100 MPa，RQD值97 %，巖體質(zhì)量中等。

下盤圍巖主要為礫巖、石英巖及長石石英巖，其中局部礫巖缺失，礦體直接覆于下盤石英巖之上，巖石結(jié)構(gòu)致密、堅硬、完整，平均抗壓強(qiáng)度90 MPa，RQD值98 %，巖體質(zhì)量中等。

3)采場支護(hù)情況。目前，上分層頂板已全部采用錨網(wǎng)支護(hù)，6L采聯(lián)頂板采用錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。

5.2 爆破方案

1)裝藥結(jié)構(gòu)。使用現(xiàn)場混裝炸藥。采用連續(xù)耦合裝藥方式，裝藥孔25個。底部裝1發(fā)雷管和起爆彈，孔口填塞長度2.5 m，透孔孔底填塞長度0.5 m。裝藥結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 現(xiàn)場爆破試驗裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

2)起爆方式。采用逐孔微差起爆技術(shù)，AEL高精度導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)500 ms同段雷管，孔外、孔間采用17 ms和25 ms雷管延遲，排間采用42 ms和65 ms雷管延時。爆破網(wǎng)絡(luò)連接見圖7。

圖7 爆破網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

3)起爆順序：以采空區(qū)為自由面和補(bǔ)償空間，補(bǔ)償系數(shù)大于30 %，滿足本次爆破自由空間需求，首爆孔為1-2號孔。

4)爆破參數(shù)及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。經(jīng)統(tǒng)計,爆破參數(shù)和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分別見表2和表3。

表2 爆破參數(shù)

表3 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

5.3 爆破效果

東南礦區(qū)自動化鏟運(yùn)機(jī)設(shè)計出礦效率1 200 t/臺班，該采場采用自動化鏟運(yùn)機(jī)出礦，共2個班出完，具體出礦情況統(tǒng)計見表4。

表4 自動化出礦情況統(tǒng)計

由表4可知，東南礦區(qū)自動化出礦效率與設(shè)計目標(biāo)值還有差距，其主要原因有以下幾點：

1)設(shè)計出礦效率是基于交接班出礦作業(yè)不停止的情況下得出的，而東南礦區(qū)剛開始使用自動化系統(tǒng)，很多條件不完善，暫時達(dá)不到設(shè)計出礦效率。

2)由于剛開始運(yùn)行自動化系統(tǒng)，系統(tǒng)與設(shè)備和生產(chǎn)組織都在磨合期。

3)現(xiàn)場存在交叉作業(yè)，沒有完全實現(xiàn)區(qū)域性自動化出礦。

雖然實際使用總出礦效率未達(dá)到設(shè)計目標(biāo)值，但是每小時作業(yè)量100 t，即平均為10鏟，已經(jīng)較接近設(shè)計目標(biāo)每小時出礦效率，能順利完成自動化出礦，除了網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備的保證，最主要且最關(guān)鍵的是爆破效率，如大塊率、底板平整程度。從現(xiàn)場爆破后的效果看，大塊較少，平均為1 %～2 %，出礦完成后對底板進(jìn)行了跟蹤，底板、爆破面及兩幫均較平整，具體情況見圖8。

5.4 技術(shù)優(yōu)勢

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用效果，采用逐孔微差起爆技術(shù)進(jìn)行作業(yè)，具有以下幾方面的優(yōu)勢：

1)預(yù)控頂下向鑿巖逐孔起爆工藝能夠預(yù)先有效支護(hù)礦房頂板，保證了礦房內(nèi)作業(yè)人員安全，減少了事故發(fā)生概率，同時大幅提高了礦房產(chǎn)能，提高了采礦效率。

2)爆破連線只采用4～5個不同段別的孔口延期雷管按逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)連接方式串聯(lián)，裝藥連線作業(yè)簡單易操作，不易出錯。

3)采用逐孔微差起爆技術(shù)，單響藥量一般為1～2個裝藥孔的藥量，可減小爆破振動帶來的地壓活動，對采場邊幫和頂板擾動減弱，同時減少因此帶來的地壓活動，尤其是地表有居民的地下礦山。

4)逐孔微差起爆技術(shù)由于礦巖間碰撞次數(shù)增加，進(jìn)而可改善爆破塊度，降低大塊率，減少二次爆破次數(shù)，降低炸藥消耗，從而降低爆破成本。

5)預(yù)控頂中深孔逐孔微差起爆工藝減少在采空區(qū)作業(yè)時間，爆破后采場爆破面、兩幫及底板較平整，有利于自動化設(shè)備充分發(fā)揮其出礦效率，提高生產(chǎn)效率和礦山綜合效益。

6 結(jié) 論

1)逐孔微差起爆后效果明顯，與普通排間微差爆破相比，實施逐孔微差起爆時，先爆炮孔為后爆炮孔創(chuàng)造更多的自由面，爆破應(yīng)力波反射充分，從而充分利用炸藥能量的疊加作用，炸藥用量最經(jīng)濟(jì)、合理，產(chǎn)生的爆破振動也最小。

2)預(yù)控頂下向鑿巖逐孔微差起爆工藝減少了爆破振動對采場邊幫的影響，提高出礦過程的安全性，且改善爆破塊度，降低大塊率，降低炸藥消耗的同時提高鏟運(yùn)機(jī)出礦效率，最主要是解決了采場爆破后底板不平整的難題，保證鏟運(yùn)機(jī)連續(xù)作業(yè)，降低設(shè)備損耗，保證了鏟運(yùn)機(jī)在出礦過程中的安全性、連續(xù)性和高效性，滿足東南礦區(qū)自動化出礦的生產(chǎn)需求，因此，可應(yīng)用于礦山正常生產(chǎn)。

3)通過現(xiàn)場應(yīng)用可發(fā)現(xiàn)，逐孔微差起爆后采場爆破面、兩幫較平整，底板基本無根底，底板也較平整，有助于自動化設(shè)備充分發(fā)揮其出礦效率，為實現(xiàn)礦山達(dá)產(chǎn)目標(biāo)打下基礎(chǔ)。