地下鋁土礦破碎巖體高效爆破技術研究

黃 丹，陳 何，趙瑤瑤，王 昌，張英君

(1.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160； 2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628； 3.山西華興鋁業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000)

山西省是我國鋁土礦資源賦存大省，隨著淺地表資源消耗殆盡，逐步轉入地下開采。山西省地下鋁土礦為單層薄至中厚緩傾斜礦體，受礦體開采技術條件限制，普遍應用淺眼掘進式房柱法開采[1-2]。鋁土礦巖石堅硬但巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，導致直眼掏槽范圍爆轟氣體作用時間短，無法將巖石有效松動拋擲，掘進進尺受到影響，所以在無法有效提高進尺深度的情況下，常用楔形掏槽減少炮孔數(shù)量及降低炸藥單耗。地下鋁土礦通常采用留設0.3～0.5 m護頂?shù)V的方式對黏土巖類直接頂板進行保護[3]，防止其軟化冒落，但是爆破作業(yè)對護頂?shù)V層造成較大沖擊，同時破碎鋁土礦體中形成不規(guī)整護頂層，增加了頂板失穩(wěn)的安全風險。本文以山西省某地下鋁土礦區(qū)為例，對破碎鋁土礦巖體高效直眼掏槽爆破技術進行了研究。

1 破碎鋁土礦可爆性分級

對于巖石堅硬但較為破碎的鋁土礦巖體，通過研究其可爆性指標，可以判斷爆炸作用下巖體發(fā)生破壞的難以程度。巖體可爆性是工程地質條件和巖石物理力學性質的綜合體現(xiàn)，是選擇合理爆破參數(shù)和評估爆破效果的重要依據(jù)。在鋁土礦巖可爆性分級評價標準[4-6]的基礎上(表1)，應用未確知測度理論建立破碎鋁土礦巖體可爆性評價單指標測度函數(shù)(圖1)[6]，依據(jù)該地下鋁土礦區(qū)巖石力學試驗與巖體質量評價數(shù)據(jù)(表2)，求得鋁土礦巖體的單指標評價矩陣u1。應用信息熵法確定指標權重[7]，可求得鋁土礦可爆性分級評價指標權重為[0.149，0.185，0.180，0.144，0.183，0.159]。

表1 巖體可爆性分級評測標準Table 1 Evaluation criterion of rock-mass blast-ability classification

資料來源：文獻[4]～[6]

圖1 鋁土礦單指標測度函數(shù)Fig.1 Bauxite ore uncertainty measurement function of single index

表2 可爆性分級評價指標數(shù)據(jù)Table 2 Evaluation index data of blast-ability classification

巖性單軸抗壓強度Rc/MPa抗拉強度σt/MPa黏聚力C/MPa彈性模量E/GPa巖石密度ρo/(g/cm3)巖體基本質量指標BQ鋁土礦61.346.3111.7324.592.81414

由求得的指標權重向量和單指標評價矩陣，可求出巖體可爆性分級的多指標綜合測度評價向量：μ=[0.0865，0.0575，0.2792，0.5223，0.0545，0，0]。開展置信度評價，置信度λ=0.5，由多指標綜合測度評價向量和置信度評價準則，從小到大有0.0865+0.0575+0.2792+0.5223=0.9455>λ，從大到小有0.0545+0.5223=0.5768>λ，參照巖石爆破破碎性分級表[6-8]，則鋁土礦的可爆性等級為Ⅳ級，巖體可爆性中等。在淺眼爆破炮孔間距根據(jù)經(jīng)驗公式可合理確定的情況下，巖體可爆性分級對優(yōu)化掘進炸藥單耗和提出掏槽區(qū)加強拋擲方案起到了支撐作用。

2 爆破參數(shù)優(yōu)化

2.1 中心雙空孔超深滯后拋擲直眼掏槽

為了有效解決堅硬破碎巖體直眼掏槽效果較差的問題，提出中心雙空孔超深滯后拋擲直眼掏槽技術。

采用中心雙空孔，增大了掏槽爆破補償系數(shù)，增強爆轟氣體炮孔徑向壓縮和拉伸波破壞作用，使掏槽區(qū)充分破碎；雙空孔超深并孔底裝藥，采用微差爆破滯后掏槽孔引爆，由于傳爆速度制約在25 ms段位時間內，掏槽孔爆破不會阻斷中心空孔傳爆，因此起到了掏槽區(qū)破碎巖石加強拋擲的作用。該技術解決了破碎鋁土礦直眼掏槽巖石破碎不充分，礦巖擠壓無法形成有效自由面的問題。

2.2 光面爆破

應用光面爆破保護鋁土礦護頂層規(guī)整，減小對頂板的沖擊，對控頂安全具有顯著作用[9]。根據(jù)光面爆破原理和巖體動抗壓強度等指標，在炮眼直徑為42 mm時，采用25 mm直徑藥卷，不耦合系數(shù)為1.7。

炮孔間距一般為炮眼直徑的10～20倍，整體性較好的巖石中取大值；鋁土礦層局部節(jié)理裂隙發(fā)育，設計炮孔間距為0.6 m，為炮眼直徑的14.3倍。

周邊孔密集系數(shù)即光面炮孔間距與光爆眼起爆最小抵抗線之比。光面眼起爆最小抵抗線一般為光面層厚度或周邊眼到臨近輔助眼間的距離。實踐表明，當密集系數(shù)為0.8～1.0時爆破后光面效果較好，炮孔間距0.6 m，則光面層厚度為600～750 mm。炮孔密集系數(shù)為0.92～0.95，線裝藥集中度保守設計為350 g/m。

2.3 孔網(wǎng)參數(shù)選擇

礦山選用硝銨炸藥和YT28氣腿式鑿巖機鑿巖爆破，炮孔在2 m深度內均可保證設備的高效作業(yè)。炮孔周邊孔間距通常按照(20～30)倍炮孔直徑選取。在該爆破參數(shù)選擇中，根據(jù)可爆性分級、巖石硬度系數(shù)與崩落孔最小抵抗線關系和巷道掘進炸藥單耗經(jīng)驗值，確定炸藥單耗進而計算一個掘進循環(huán)需要的總裝藥量計算出總炮孔數(shù)目，再按巷道斷面形狀及炮孔功能均勻地布置炮孔。

平巷掘進中，掏槽孔有多種不同的形式，其孔間距也有所不同。周邊孔的孔口至輪廓線的距離一般為100～250 mm。在堅硬巖石中取小值；周邊孔的孔口間距則為500～800 mm，底孔的間距取小值。輔助孔的間距為400～600 mm。

在保證爆破效果的前提下，盡可能地減少炮孔數(shù)目。按巷道斷面和巖石堅固性系數(shù)估算[10]，計算見式(1)。

(1)

式中：N為巷道全斷面炮孔總數(shù)，個；f為巖石堅固性系數(shù)，根據(jù)巖石力學試驗取6.2；S為巷道掘進斷面積，m2。

則炮孔數(shù)目約為24個(不考慮光面爆破時)；由于光面爆破炮孔不耦合系數(shù)高，單孔藥量少，且采用雙空孔掏槽，礦體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，根據(jù)實際情況，炮孔取28個為宜(現(xiàn)場同樣斷面一般炮孔32個)。

綜上，針對礦區(qū)3 m×2.5 m作業(yè)情況，破碎鋁土礦掘進爆破方案及雷管段位情況見圖2。表3為鑿巖爆破參數(shù)。實際中，分段情況可根據(jù)現(xiàn)場不同段位雷管數(shù)量進行調整。

表3 鑿巖爆破參數(shù)表Table 3 Drilling and blasting parameters

3 現(xiàn)場采掘爆破試驗

在礦區(qū)選擇巖體代表性作業(yè)面進行工業(yè)試驗(圖3和圖4)，應用底板鐵質黏土巖進行堵孔，按照上述爆破參數(shù)進行多次爆破施工作業(yè)，爆破效果良好。光面爆破頂板平整(圖5)；爆破進尺1.85 m，炮孔利用率≥90%，單進尺長度提高15%；爆破塊度均勻，現(xiàn)場觀察無超過500 mm大塊；炸藥單耗由0.73 kg/t降至0.58～0.61 kg/t；掘進斷面對照用噴漆圈定的爆破范圍無超采欠挖。

圖2 爆破方案Fig.2 Blasting scheme

圖3 光爆孔現(xiàn)場裝藥結構圖Fig.3 Loaded constitution of the smooth blasting site

圖4 爆破塊度Fig.4 Blasting fragmentation

圖5 試驗前后爆破頂板對比圖Fig.5 Comparison of the roof before and after the blasting test

4 結 論

1) 通過建立以巖石物理特性和巖體質量為指標的未確知測度巖體的可爆性分級模型，評價礦區(qū)破碎鋁土礦可爆性等級為Ⅳ級，為爆破優(yōu)化提供單耗及爆破參數(shù)的設計依據(jù)。

2) 通過中心雙空孔底藥超深滯后引爆加強拋擲技術解決了破碎鋁土礦直眼掏槽困難的問題，在鋁土礦礦體薄、采幅小的情況下，爆破效果明顯優(yōu)于楔形掏槽，同時采用光面爆破保護頂板完整，減小了打孔作業(yè)強度，為鑿巖臺車作業(yè)創(chuàng)造條件。斷面3 m×2.5 m，炮孔深度2.1 m時，有效進尺>1.85 m，炮孔利用率達90%，單進尺長度提高約0.25 m，炸藥單耗由0.73 kg/t降至0.6 kg/t，單進尺炮孔數(shù)減少2個，爆破塊度均勻。除極破碎鋁土礦巖體無法有效鑿巖成孔的巖體中應用楔形掏槽外，均可推廣應用中心雙空孔直眼掏槽高效爆破技術。