巴潤鐵礦超大區(qū)爆破方案設(shè)計與實踐

師文強 顧春雷 張 波

(內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司)

近年來，大區(qū)爆破以建設(shè)速度快、勞動效率高、綜合經(jīng)濟效益好等特點，在大型露天礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用。但是，全國大型露天鐵礦數(shù)量不多，且傳統(tǒng)的大區(qū)爆破已能夠滿足日常生產(chǎn)需要，因此增大爆區(qū)規(guī)模的爆破技術(shù)的研究與應(yīng)用并未得到足夠重視。在包鋼集團不斷增長的鋼鐵生產(chǎn)用礦需求的大背景下，巴潤鐵礦決定采用超大區(qū)爆破技術(shù)。超大區(qū)爆破即單個爆區(qū)爆孔數(shù)量、一次用藥量、爆破范圍等參數(shù)均較傳統(tǒng)大區(qū)爆破大。為進一步提高巴潤鐵礦的礦石生產(chǎn)能力，本研究通過對大區(qū)爆破技術(shù)方案進行設(shè)計與應(yīng)用。

1 工程概況

巴潤鐵礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，礦區(qū)屬于干燥氣候區(qū)，該礦設(shè)計原礦生產(chǎn)能力為1 500萬t/a，采剝總量為11 250萬t/a。礦區(qū)鈮礦、稀土、鐵等多種金屬共生，礦體南北寬約1 km，東西長10 km，呈向斜構(gòu)造，在向斜兩翼分布有南北2個礦帶，相距200～500 m，由東向西開始兩礦帶逐漸變寬。白云鄂博西礦礦體主要產(chǎn)于中元古界白云鄂博群哈拉霍疙特巖組中，形態(tài)雜亂。爆區(qū)位于東采場北幫1 536段30#～37#線(圖1)，巖性以白云巖、板巖和含鐵圍巖為主，結(jié)構(gòu)致密堅固，層理和節(jié)理不發(fā)育，硬度f=8～10，爆破難易程度為中等。該爆區(qū)長度為630 m，寬度為60～150 m。

圖1 爆區(qū)位置示意

2 爆破方案設(shè)計

爆破方案設(shè)計原則是最大限度的將爆區(qū)內(nèi)總裝藥量在時間和空間上分散開，大幅降低爆破振動影響，每一排爆孔按照爆破設(shè)計的延時間隔順序起爆，為下一排炮孔起爆創(chuàng)造新的自由面。此外，所在爆區(qū)的地質(zhì)條件，也是影響爆破效果的重要因素之一，直接影響了爆破范圍大小、爆破方法、爆破礦石總量以及爆破后的鏟裝作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境布置等。

2.1 炸藥單耗

本研究根據(jù)礦巖普氏系數(shù)、裂隙發(fā)育程度、斷層控制情況確定炸藥單耗，并根據(jù)爆破礦巖風(fēng)化狀態(tài)、弱面分布等實際情況進行適當(dāng)增減[1]。爆區(qū)中已掘好的炮孔應(yīng)充分考慮巖層裂隙充水因素，為避免水孔中的炸藥被水浸泡失效或炸藥懸浮而使得炸藥重心提高，因此從安全和便于裝藥角度，水孔應(yīng)裝乳化炸藥，干孔應(yīng)裝銨油炸藥[2]。

2.2 孔網(wǎng)參數(shù)

爆區(qū)鉆孔設(shè)備采用310牙輪鉆機，故鉆孔直徑為d=310 mm。抵抗線W的計算公式為

W=(25～40)d.

(1)

本研究W=8～12 m。

孔距a和排距b的計算公式為

a=mW，

(2)

b=asin45° ，

(3)

式中，m為鄰近系數(shù)，一般取0.8～2。

臨近系數(shù)m值的大小根據(jù)礦巖性質(zhì)、起爆方式、對爆破塊度的要求進行確定。礦巖較堅硬難爆，應(yīng)取小值，反之，應(yīng)取大值。爆區(qū)礦巖較為堅硬，爆破難易程度為中等，因此m取1。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，取a=10～11 m，b=6～8 m。

炮孔孔深h應(yīng)根據(jù)抵抗線以及臺階高度進行適當(dāng)調(diào)整，計算公式為

h=(0.1～0.2)W.

(4)

當(dāng)巖石松軟時，h取較小值；反之，h取較大值，由于爆區(qū)巖石較為堅固，且考慮到現(xiàn)場鉆機鉆桿長度為18 m，為施工方便，h=2 m。為提高成孔率、保證鉆機起落和進尺安全，常將炮孔布置成垂直孔，有利于鉆機穿孔作業(yè)并改善爆破效果[3]。

爆破藥量Q的計算公式為

Q=kqabH，

(5)

式中，q為炸藥單耗，kg/m3；H為臺階高度，m；k為各排孔的礦巖阻力作用的增加系數(shù)，一般取1.1。

經(jīng)過巴潤鐵礦多年經(jīng)驗以及現(xiàn)場礦巖條件，巖石堅固性系數(shù)f=12，結(jié)合表1可知，相應(yīng)的炸藥單耗q=0.74 kg/m3。

表1 單位炸藥消耗量q取值 kg/m3

2.3 布孔方式及孔網(wǎng)參數(shù)

爆區(qū)采用三角形布孔方式，區(qū)內(nèi)巖性較復(fù)雜，穿孔深度為14 m，炮孔直徑310 mm，設(shè)計孔網(wǎng)參數(shù)為11 m×6 m(a×b)，平均超深2 m，在爆區(qū)靠東側(cè)區(qū)域，巖性出現(xiàn)明顯變化，該含有少量混合礦，該部位孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計為10 m×6 m(a×b)。爆區(qū)相關(guān)爆破參數(shù)設(shè)計取值見表2。

表2 爆區(qū)相關(guān)爆破參數(shù)

2.4 起爆方式和裝藥結(jié)構(gòu)

由于爆區(qū)規(guī)模較大，且爆區(qū)后側(cè)已揭露的臺階巖性為碳質(zhì)板巖，相較其他部位來說較不穩(wěn)定，為減少單次起爆的最大起爆藥量，有效降低爆破振動，確保采場邊坡穩(wěn)定性[4-5]，爆區(qū)設(shè)計采用高精度逐孔起爆技術(shù)進行爆破。在相同孔深和孔徑的條件下，間隔裝藥結(jié)構(gòu)的總裝藥量比連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)小，因此也更能有效減少爆破振動。由裝藥結(jié)構(gòu)對爆破振動影響的相關(guān)研究表明，減振效果由好至差的裝藥結(jié)構(gòu)依次為空氣間隔裝藥、水間隔裝藥和無間隔裝藥。根據(jù)礦山減振和降本增效需要，不同地段采用不同裝藥量、不同填塞長度。根據(jù)礦山地質(zhì)條件等因素，爆區(qū)爆破采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)(圖2、圖3)，初步設(shè)計為：①13 m區(qū)域底部裝藥650 kg，填塞高度6.5 m；②15 m區(qū)域底部裝藥800 kg，填塞高度7 m；③16 m區(qū)域底部裝藥950 kg，填塞高度6.5 m。

圖2 炮孔裝藥示意

圖3 爆區(qū)裝藥及網(wǎng)絡(luò)連接示意

2.5 施工現(xiàn)場管理

(1)臨近邊坡鉆孔。為使得爆區(qū)在爆破過后的最終邊坡穩(wěn)定可靠，在臨近最終邊坡界限處已提前實施預(yù)裂爆破，在靠近爆區(qū)最終邊界處應(yīng)嚴(yán)格控制孔底標(biāo)高。

(2)臨空面坡腳根底預(yù)處理。對臨空面坡腳根底進行預(yù)處理可以為超大區(qū)爆破提供良好條件，根據(jù)巴潤鐵礦實際情況，需在爆破前采用液壓破碎機配合挖掘機進行預(yù)處理。

(3)現(xiàn)場裝藥技術(shù)措施。裝藥前需測量炮孔中水深，對含水孔應(yīng)用乳化炸藥，無水孔應(yīng)用銨油炸藥。在裝藥過程中，爆區(qū)負(fù)責(zé)人應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求確保炮孔中裝藥符合設(shè)計要求。

(4)合理堵塞長度。為有效控制爆破飛石，應(yīng)按照爆破設(shè)計要求進行炸藥填塞和炮孔填塞，填塞長度一般為平均抵抗線的1.3倍。填塞過后，應(yīng)用木桿逐一進行搗鼓并檢查填塞質(zhì)量。

(5)現(xiàn)場施工管理時應(yīng)提前考慮到爆破后的渣滓無法及時清運外排的情況，爆破過后，爆堆除前排向前沖出外，大部分留在原地，要求爆破后不能留有根底，否則不僅會增加后期破碎費用，而且為平整場地帶來困難。

(6)爆區(qū)南側(cè)靠近邊坡，施工時應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求控制臨近邊坡的孔底標(biāo)高及裝藥結(jié)構(gòu)和密度，確保邊坡穩(wěn)定。

(7)由于爆區(qū)面積大，故應(yīng)確保導(dǎo)爆管連線系統(tǒng)穩(wěn)定，多次檢查后方可實施爆破。

3 爆破危害控制及防治措施

3.1 飛石安全管控

飛石是造成露天礦開采過程中安全事故的主要原因之一，同時也是超大區(qū)爆破過程中應(yīng)著重關(guān)注的因素。造成飛石的原因有很多，當(dāng)炮孔內(nèi)裝藥量較多時，便會導(dǎo)致填塞長度達(dá)到設(shè)計要求，在此情況下，很容易出現(xiàn)飛石現(xiàn)象；當(dāng)爆區(qū)中巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育完全時，炮孔與裂隙發(fā)生貫通，并且鉆孔最小抵抗線估計出現(xiàn)重大失誤時也會造成飛石現(xiàn)象發(fā)生[6-7]。

綜合上述各種飛石現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，飛石預(yù)防措施主要有[8]：①采用加壓砂包填堵孔口，加壓砂包是露天礦爆破過程中防治飛石的有效手段之一，在孔口設(shè)置加壓砂包可以有效防治飛石現(xiàn)象發(fā)生，可以避免因炮孔虛塞導(dǎo)致沖炮現(xiàn)象發(fā)生；②合理確定最低抵抗線位置，在爆區(qū)內(nèi)抵抗線相對薄弱的位置采取措施，主要方法是堵塞巖粉，在裝藥前技術(shù)員應(yīng)認(rèn)真檢查每一個炮孔，查看炮孔和裂隙以及孔與孔之間是否出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，若出現(xiàn)該現(xiàn)象應(yīng)立即堵塞該段炮孔。

3.2 爆破振動安全管控

爆破產(chǎn)生的振動效應(yīng)也是露天礦山開采過程中造成間接安全事故的主要原因之一，嚴(yán)重危害了露天邊坡和周邊建筑物的穩(wěn)定。由于地震波在傳播過程中受到多種因素影響，因此，爆破地震波傳播過程十分復(fù)雜。露天礦山爆破不可避免的會產(chǎn)生爆破振動，因此應(yīng)將爆破振動控制在爆破振動危害效應(yīng)影響范圍內(nèi)，即振速、頻率以及安全距離應(yīng)符合露天礦山安全標(biāo)準(zhǔn)。為減小爆破振動，可采取的措施主要有減小爆破源頭單響藥量、阻隔減弱爆破應(yīng)力波傳播、改變爆破應(yīng)力波傳播方向等[1,9]。

(1)爆破振動對構(gòu)筑物的影響。計算公式為

RDZ=KDZQ1/3，

(6)

式中，RDZ為爆破安全距離，m；KDZ為修正系數(shù)，一般取6。

(2)對周邊建筑物的安全距離。計算公式為

RZ=KZQ1/3,

(7)

式中，KZ為修正系數(shù)，一般取4。

綜上分析，本研究爆破振動危害的預(yù)防措施主要有：①盡可能將爆區(qū)內(nèi)的總裝藥量在時間和空間上分散開，限制一次爆破的最大用藥量；②選擇適當(dāng)?shù)难b藥結(jié)構(gòu)，炮孔中裝藥結(jié)構(gòu)對最終的爆破振動影響較大，一般來說，間隔裝藥的總裝藥量小于連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)的總裝藥量，故而采用間隔裝藥方式有助于減少爆破振動。

4 爆破效果

4.1 爆破振動

本研究選擇由TCS～B3型三軸振動速度傳感器、低噪聲屏蔽信號電纜和TC～4850N型無線網(wǎng)絡(luò)測振儀組成的監(jiān)測系統(tǒng)對該礦大區(qū)爆破振動速度進行監(jiān)測。TCS-B3型速度傳感器頻率范圍為5～300 Hz，攜帶方便，適用于戶外監(jiān)測，并可長期保存所記錄的數(shù)據(jù)，使用十分方便。按照需要重點監(jiān)測的邊坡位置，在距離爆心180，290，345，420 m平臺上共布設(shè)了4個監(jiān)測點(表3)。

表3 振動測試基本參數(shù)

爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：各質(zhì)點的峰值振動速度為1.018 9～2.736 9 cm/s，滿足《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)對于邊坡保護的速度要求，小于國家標(biāo)準(zhǔn)允許的振動速度5～9 cm/s。已測出的爆破振動主頻率最小為8.4 Hz，最大為20.5 Hz，可見爆破振動不會與邊坡、建筑物發(fā)生共振。因此，該爆破振動不會對爆區(qū)邊坡及附近建筑物造成影響。

4.2 大塊率

大塊率是衡量爆破效果的最主要指標(biāo)，也直接影響了后續(xù)鏟裝作業(yè)。本研究爆破由于采用斜線起爆方式，會在先爆孔和后爆孔2個方向產(chǎn)生爆轟作用。采用三角孔布孔方式可以極大彌補炮孔排與排之間的應(yīng)力降低從而使得破碎效果不理想的缺陷。采用毫秒微差起爆方式，可以使得分推效應(yīng)大大增加，同時也使得補償空間大大增加。根據(jù)現(xiàn)場資料統(tǒng)計，大塊率約10%，可滿足后期鏟裝要求。

4.3 爆破后沖作用

由于前排孔最先沿著自由面方向起爆，形成主動位移區(qū)，該區(qū)域為后排炮孔提供了新的爆破自由面，產(chǎn)生的爆力方向主要朝著自由面方向?qū)Ρ瑓^(qū)內(nèi)的巖石產(chǎn)生破碎作用，根據(jù)現(xiàn)場分析，爆破后沖作用較小。

4.4 爆破成本

現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，超大區(qū)爆破有助于減少施工次數(shù)，減少因爆破影響周圍采場作業(yè)的時間，避免爆區(qū)鏟裝接替不及時的現(xiàn)象發(fā)生。區(qū)內(nèi)爆破量為173萬t，消耗炸藥量為412 t，炸藥單耗為238 g/t，較傳統(tǒng)爆破降低了炸藥單耗10%、節(jié)約穿孔米道13%、爆破成本1.08元/t，較采場平均開采成本降低了15%。綜合計算，本研究爆破施工直接降低了成本約70萬元。

5 結(jié) 語

以巴潤鐵礦為例，為進一步提高該礦生產(chǎn)能力，設(shè)計并采用了超大區(qū)爆破技術(shù)方案。實踐表明：超大爆區(qū)爆破有助于增加一次爆破量，減少全年爆破次數(shù)，且通過合理設(shè)置爆破參數(shù)后，不僅可以將爆破振動影響、大塊率爆破后沖作用控制在安全允許范圍內(nèi)，還可以降低每噸原礦的開采成本，對于實現(xiàn)礦山企業(yè)降本增效大有裨益。