長九神山灰?guī)r礦開采爆破試驗研究*

尹岳降，朱子晗，陳 明，劉建程，盧文波，魏 東

(1.中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410004；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

目前堆石壩堆石料和混凝土壩人工骨料開采的主要手段是采用中深孔臺階爆破。與常規(guī)邊坡爆破開挖不同，堆石料的粒徑和級配決定石料顆粒之間的接觸關(guān)系，直接影響到壩體的滲透性和穩(wěn)定性[1]；人工骨料爆破塊度分布直接影響礦巖后續(xù)加工流程的能耗[2]。因此，在堆石料和人工骨料開采過程中，需要對爆破塊度進(jìn)行嚴(yán)格控制，不僅要求減少大塊率，還需要控制粉礦率。

在礦山爆破開采中，礦石塊度分布不均勻和粉礦率偏高是骨料礦山爆破生產(chǎn)環(huán)節(jié)面臨的主要難題。礦山爆破開采巖粉含量偏高不但導(dǎo)致人工骨料后續(xù)的加工能耗及成本增加，而且造成了大量礦石的浪費(fèi)[3]。因此，如何改善礦石爆破塊度的分布，控制粉礦率是骨料礦山開采中亟需解決的問題之一。

目前有很多學(xué)者以及礦山企業(yè)對礦山開采中粉礦形成的原因，影響粉礦率的主要因素及如何減少粉礦率做了大量的研究工作[4-7]。從形成的機(jī)理上看，粉礦的產(chǎn)生是不可避免的，影響礦山開采粉礦率的主要因素有[8，9]：地質(zhì)因素，巖石在未開采前原始狀態(tài)下的固有性質(zhì)如地質(zhì)構(gòu)造、物理力學(xué)性質(zhì)等；爆破因素，爆破參數(shù)、炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆線路等。章征成，韓新平等人針對油母頁巖開采時粉礦率較高的問題進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明[4]，可以通過控制炮孔密集系數(shù)、采用不同的空氣間隔長度、采用孔內(nèi)外延時接力式起爆技術(shù)均可以降低油母頁巖的粉礦率。郭連軍等人進(jìn)行了針對白云質(zhì)灰?guī)r與純石灰?guī)r條件下不同徑向耦合系數(shù)爆破試驗[10]，通過試驗發(fā)現(xiàn)，采用徑向不耦合裝藥可以明顯降低粉礦率。葉海旺、康強(qiáng)等運(yùn)用數(shù)值模擬對比了不同空氣間隔裝藥下的破碎效果差異[11,12]，確定采用空氣間隔裝藥可以改善破碎效果，有效降低粉礦率，針對其研究的采石場條件，采用1 m間隔長度改善效果最為理想。

基于以往的礦山爆破塊度優(yōu)化研究，依托長九神山灰?guī)r礦骨料開采項目，針對料場兩個不同巖性的1#，2#采區(qū)，共進(jìn)行4組爆破塊度分布的現(xiàn)場試驗，采用現(xiàn)場篩分法計算得到各次試驗爆破塊度分布曲線及粉礦率，研究人工骨料開采爆破塊度分布及粉礦率的影響因素，合理爆破參數(shù)確定合適的塊度，控制巖粉含量。

1 工程概況

長九神山灰?guī)r礦是國內(nèi)規(guī)模最大的灰?guī)r礦，礦山位于安徽省池州市西南方向約37 km處。礦區(qū)范圍面積5.14 km2。采用露天爆破開采，生產(chǎn)規(guī)模為7000萬噸/年。設(shè)計采場采出原礦塊度不大于1000 mm。礦山為獨立礦體，相對高差較大，坡角一般為15°～34°，礦區(qū)以灰?guī)r為主，夾少量頁巖，構(gòu)造不發(fā)育，局部巖溶較發(fā)育，巖體完整性較好，硬度3(f系數(shù)一般8～12)，密度2.68 g/cm3，濕度在0.27%～1.05%之間，平均值為0.48%，抗壓強(qiáng)度在36.3～93.4 MPa之間，平均值為64.9 MPa。除二疊系龍?zhí)督M頁巖外，巖體穩(wěn)定性一般。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺和斷層較發(fā)育。礦區(qū)內(nèi)褶皺主要為神山倒轉(zhuǎn)向斜；礦區(qū)內(nèi)斷層主要有北西向(F1、F2、F3)斷層，其次為近東西向斷層(F4、F5)，斷層對邊坡巖體完整性和穩(wěn)定性有一定的影響；巖層產(chǎn)狀較陡，各分層間無構(gòu)造破碎帶，可溶鹽巖主要受節(jié)理裂隙的影響，巖體中等完整，呈塊狀、厚層狀，相互間咬合，結(jié)構(gòu)面具一定的粘合力。礦區(qū)深部巖溶局部發(fā)育，除了具有個別大溶洞外，深部巖溶以小溶洞為主，溶洞發(fā)育地段巖層結(jié)構(gòu)承載力降低，可能出現(xiàn)溶洞上層的巖石坍塌或者掉塊。

現(xiàn)場選取巖性不同的1#，2#兩個采區(qū)作為試驗場地，其中1#采區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育，巖性條件較差，共進(jìn)行了6次試驗；2#采區(qū)節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖性條件較好，共進(jìn)行了2次試驗?，F(xiàn)場典型巖體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)實際生產(chǎn)狀況，長九灰?guī)r礦料場開挖過程中存在爆破塊度分布較均勻，中間粒徑偏小，粉礦率偏高的問題，粉礦率偏高會造成礦山有效利用率下降，影響經(jīng)濟(jì)效益。因此，研究爆破開采后爆破塊度分布及粉礦率含量，找出改善粉礦率最優(yōu)的爆破參數(shù)組合，使開采得到的骨料滿足級配要求，同時降低粉礦率兼顧砂石系統(tǒng)生產(chǎn)效益為本工程的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

2 爆破試驗參數(shù)方案

2.1 試驗概況

針對長九灰?guī)r礦地質(zhì)資料及巖性特征，根據(jù)采區(qū)巖體臨空面的巖石出露情況，選擇無明顯薄弱夾層、破碎帶和溶洞，巖體結(jié)構(gòu)較為完整、原生及次生構(gòu)造盡可能少的典型區(qū)域作為試驗區(qū)。試驗區(qū)選擇1#采區(qū)和2#采區(qū)。1#采區(qū)節(jié)理發(fā)育，巖性較差；2#采區(qū)節(jié)理較發(fā)育，巖性相對較好，具有較強(qiáng)的代表性。在1#采區(qū)共進(jìn)行6次試驗，2#采區(qū)進(jìn)行2次試驗?，F(xiàn)場采用混裝多孔粒裝硝銨炸藥，炸藥密度0.8 g/cm3，爆速2900 m/s；炮孔布置采用梅花形布孔，傾角不小于85度，每次在臺階上靠近臨空面區(qū)域布置三排共12個炮孔；采用單孔單響，孔內(nèi)使用MS11段雷管，孔間使用MS3段雷管傳爆，排間使用MS5段雷管傳爆。

爆破后，采用分層取樣法。在爆堆料爆破孔正前方的上部、中部及下部，以及同排兩個炮孔中間的上部、中部及下部的6個部位取樣。取樣時，扒開爆堆表層2～3m厚的礦料，取爆堆內(nèi)部的礦料，每個部位取約1 m3樣品，利用移動篩分機(jī)及國家標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分分析。移動篩分機(jī)可將毛料樣品初步篩分成120 mm以上，120～60 mm，60 mm以下三組粒徑，再分別在120～60 mm，60 mm粒徑中取樣人工篩網(wǎng)篩分，并根據(jù)篩分結(jié)果繪制級配曲線及計算出粉礦率。其中篩網(wǎng)尺寸采用國家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂(GB/T14684—2011)》，骨料粒徑采用國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T14685—2011建筑用卵石和碎石》。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，直徑4.75 mm以下的礦石定義為粉礦。

2.2 試驗參數(shù)

礦巖爆破塊度分布及粉礦率受多種因素影響，不同的地質(zhì)條件和爆破參數(shù)對其存在較顯著影響[8,9]。在不同的工程中，各個爆破參數(shù)因素的主次關(guān)系會發(fā)生變化。總結(jié)起來，影響礦巖爆破塊度分布及粉礦率的因素主要包括：節(jié)理裂隙間距和跡長、巖體強(qiáng)度、巖體波阻抗、炸藥波阻抗、炸藥單耗、臺階高度、炮孔直徑、炮孔間排距、堵塞長度、微差時間、起爆位置等。故在進(jìn)行試驗時，保持爆破器材、鉆孔傾角、起爆位置保持不變。選擇巖石性質(zhì)存在差異的1#和2#兩個采區(qū)共進(jìn)行4次試驗，1次試驗兩組對照同時進(jìn)行，探究巖石性質(zhì)，炸藥單耗，不同堵塞長度及方式，間排距等爆破參數(shù)對礦巖爆破塊度及粉礦率的影響。

詳細(xì)爆破參數(shù)見表1。試驗均采用混裝多孔粒裝硝銨炸藥，布孔采用梅花形布孔，第一次試驗布孔方式見圖2，其余試驗布孔方式相同。第四次試驗中第5、6組3.2 m堵塞段下部設(shè)置有1.0 m空氣間隔段，具體裝藥結(jié)構(gòu)見圖3所示，其余試驗堵塞采用常規(guī)堵塞方式。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 爆破塊度分布曲線

每一次爆破試驗后，選擇有代表性的區(qū)域進(jìn)行取樣篩分試驗，每組爆破試驗取樣6個點，分別在爆破孔正前方的上部、中部及下部、以及同排兩個炮孔中間的上部、中部及下部。爆破試驗后典型爆堆如圖4所示，典型塊度分布如圖5所示。

根據(jù)現(xiàn)場篩分試驗，得到每一次爆破試驗后的爆破塊度分布曲線，爆破試驗爆破塊度分布曲線圖如圖6所示。由試驗塊度分布曲線可以得知8次試驗爆破后毛料塊度的中間粒徑如表2所示。由圖6和表2可以看出，在同一組試驗中，同一試驗區(qū)域，在其他參數(shù)不變的情況下，適當(dāng)增大炸藥單耗，爆破后巖塊的平均塊度減小。8次試驗爆破平均塊度約在90～150 mm。

表1 神山灰?guī)r礦爆破試驗參數(shù)Table 1 Blasting test parameters of Shenshan limestone mine

表2 爆破試驗塊石中間粒徑值Table 2 Middle particle size of blasting test block

3.2 巖粉含量分析

根據(jù)每次試驗后的篩分結(jié)果，以4.75 mm粒徑為界限，將爆破后粒徑小于4.75 mm的塊石視為巖粉，則每次爆破試驗后爆堆的粉礦率見表3。每次試驗爆破后的毛料取樣在粗碎車間進(jìn)行粗碎，對粗碎后的明粗碎料取樣，按照篩分流程重復(fù)篩分步驟，得到明粗碎料的粉礦率及超細(xì)粉(<0.075 mm)含量如表4所示。

由爆破試驗設(shè)計及表3、表4可知，爆破開采后毛料的粉礦率會直接影響到后續(xù)加工過程中加工半成品料的粉礦率從而影響礦石的利用率，所以在爆破開采時應(yīng)該嚴(yán)格控制爆破后巖粉的含量。4次8組爆破試驗后粉礦率均在4%以下，且只有3組試驗粉礦率超過2%，均滿足開采要求，故爆破參數(shù)設(shè)計比較適宜。對比每次試驗結(jié)果，在同一組試驗中，在其他參數(shù)不變的情況下，隨著炸藥單耗的增大，爆破后的粉礦率都有不同程度的上升，特別是在第1次試驗中，炸藥單耗從0.36 kg/m3增大到0.39 kg/m3，爆破后粉礦率從0.69%上升到3.94%，在爆破開采時，雖然增大炸藥單耗可以減小爆破后巖塊的平均粒徑與大塊率，減少鑿巖機(jī)二次破碎的工作成本，提高鏟裝運(yùn)輸效率，但如果炸藥單耗增加過大，可能會導(dǎo)致粉礦率過大，造成礦石利用率低、成本增大。第4次兩組試驗采用了空氣間隔堵塞，從試驗結(jié)果來看，利用空氣間隔堵塞在一定程度上可以降低爆破后粉礦率與二次加工后超細(xì)粉含量。第3次在2#采區(qū)的試驗，由于2#采區(qū)巖性相對較好，在設(shè)計爆破試驗參數(shù)時，適當(dāng)增大了炸藥單耗以確保爆破后平均塊度及大塊率符合要求，單耗的增大導(dǎo)致粉礦率偏高達(dá)到了3.5%左右，但是在經(jīng)過粗碎后的明粗碎料中<0.075 mm超細(xì)粉含量與其他組試驗相比偏低，可能是巖石自身性質(zhì)較好，在后續(xù)二次加工破碎中不宜粉化，故在巖性較好的2#采區(qū)進(jìn)行開采爆破時，可以適當(dāng)增大炸藥單耗，降低爆破后平均塊度，降低后續(xù)裝車、運(yùn)輸、二次加工能耗，增大經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

表3 爆破試驗粉礦率Table 3 Powder ore rate of blasting test

表4 爆破試驗明粗碎料粉礦率Table 4 Powder rate of open coarse aggregate in blasting test

綜上所述，長九神山灰?guī)r礦開采工程中，1#采區(qū)巖性較差，設(shè)計爆破參數(shù)時可相對降低炸藥單耗在0.33～0.36 kg/m3，將爆破后平均塊度控制在120～140 mm，以防止單耗過高導(dǎo)致巖粉含量過高，造成礦石利用率低，損失經(jīng)濟(jì)；2#采區(qū)巖性相對較好，設(shè)計爆破參數(shù)時可適當(dāng)增大炸藥單耗至0.36～0.39 kg/m3，減小爆破后平均塊度，為后續(xù)流程降低成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。需要指出的是，由于爆破開采是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要結(jié)合具體生產(chǎn)需求對爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而得到最佳的爆破塊度分布。

4 結(jié)論

基于長九神山灰?guī)r礦現(xiàn)場試驗及篩分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計分析，研究了人工骨料開采爆破塊度分布及粉礦率的影響因素，合理爆破參數(shù)確定合適的塊度，控制巖粉含量，得到如下結(jié)論：

(1)地質(zhì)因素和爆破參數(shù)因素均對爆破后塊度分布及粉礦率有重要影響，巖性較差巖體爆破后平均塊度偏小，粉礦率偏高，如不控制爆破開采炸藥單耗，會浪費(fèi)礦石，造成經(jīng)濟(jì)損失。

(2)在其他條件相同的情況下，爆破后平均塊度隨炸藥單耗增大而減小，同時粉礦率上升。雖然平均塊度減小可以降低后續(xù)裝車、運(yùn)輸、二次加工成本，但如果炸藥單耗增大過多，造成粉礦率過大，會造成更大的經(jīng)濟(jì)損失，故在爆破開采時需要平衡塊度分布和粉礦率。

(3)根據(jù)現(xiàn)場試驗的篩分?jǐn)?shù)據(jù)分析，對于巖性相對較差的1#采區(qū)，可控制炸藥單耗在0.33～0.36 kg/m3，爆破后平均塊度120～140 mm；巖性相對較好的2#采區(qū)，可適當(dāng)增大炸藥單耗至0.36～0.39 kg/m3，減小爆破后平均塊度。

(4)對于不同的工程，需要結(jié)合具體生產(chǎn)需求和采區(qū)巖性條件對爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。