鈣結(jié)礫巖空氣間隔裝藥爆破試驗(yàn)及應(yīng)用

謝 烽，江雅勤，余德運(yùn)，李澤華,高 亭

(北方爆破科技有限公司，北京 100097)

湖山鈾礦位于西南非洲納米比亞境內(nèi)的西部沙漠地區(qū)，其鈾資源儲(chǔ)量位列世界第三，年開采剝離量約1.4億噸。以白崗巖型鈾礦和鈣結(jié)型鈾礦為主。鈣結(jié)礫巖主要分布在爆破區(qū)域表層，鈣質(zhì)或硅質(zhì)膠結(jié)，礫巖成分以花崗巖礫石為主。由于鈣結(jié)礫巖孔隙豐富，造成了爆破能量的損失，因此經(jīng)常在爆堆表層形成大量的大塊如圖1所示。爆后產(chǎn)生的鈣結(jié)礫巖大塊不僅尺寸大，而且數(shù)量多。爆破塊度過大則需要進(jìn)行二次破碎，增加成本的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生粉塵和有毒氣體，污染工作環(huán)境。但是依靠單純地增加改變炸藥單耗雖可以緩解表面大塊率，卻會(huì)造成爆破沖孔能量浪費(fèi)。隨著開采工作強(qiáng)度不斷加大，穿孔成本增加，急需在鈣結(jié)礫巖爆破裝藥結(jié)構(gòu)上進(jìn)行研究?？刂柒}結(jié)礫巖的爆破塊度，不僅可為工程爆破開采控制巖石塊度提供技術(shù)參考，同時(shí)對(duì)保證湖山鈾礦爆破質(zhì)量以及成本控制有著重大意義。

不同礦山工程對(duì)礦石的規(guī)格要求不一，而這些不同規(guī)格的礦石主要依靠爆破開采獲得并有一定的級(jí)配要求。這要求在爆破開采中既要控制大塊率，又要降低粉礦率，為此國內(nèi)外學(xué)者對(duì)空氣間隔裝藥技術(shù)改善塊度問題進(jìn)行了深入研究。早在19世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)學(xué)者 Melnioko提出采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)控制爆破效果[1]?？諝忾g隔裝藥通過延長爆壓作用時(shí)間，增加爆破沖量，提高爆破的有效能量利用率[2]。在露天礦深孔臺(tái)階空氣間隔裝藥爆破中，影響爆破效果的重要參數(shù)有空氣間隔長度與裝填炸藥長度之比，對(duì)于不同巖石巖體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的值[3,4]。為了保證鉆孔的利用率和避免大塊產(chǎn)生[5-9]，空氣間隔長度一般不超過3.0 m，每個(gè)裝藥段都設(shè)起爆體來起爆各裝藥段。

針對(duì)湖山鈾礦位于表層的鈣結(jié)礫巖爆后塊度分布差的問題，嘗試?yán)弥胁靠諝忾g隔裝藥技術(shù)進(jìn)行一系列現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，探討爆破采場(chǎng)合理空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，從而保證鈣結(jié)礫巖爆破塊度及塊度級(jí)配滿足礦山開采的質(zhì)量和進(jìn)隊(duì)要求。

1 空氣間隔裝藥爆破試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

為研究湖山鈾礦鈣結(jié)礫巖混裝炸藥最佳空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了165 mm、251 mm、311 mm三組不同炮孔直徑下中上部空氣間隔裝藥爆破試驗(yàn)，各組試驗(yàn)根據(jù)間隔長度分別將爆區(qū)分為三塊，單耗相同，試驗(yàn)時(shí)使用的空氣間隔袋如圖2所示，孔網(wǎng)參數(shù)如表1所示。

表1 孔網(wǎng)參數(shù)Table 1 Blasting hole parameters

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在爆破現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了炮孔直徑165 mm、251 mm、311 mm三組不同空氣間隔裝藥爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果采用圖像分析法統(tǒng)計(jì)爆后塊度，即每次爆破后用籃球作為參照物拍攝爆堆，利用軟件Split-Desktop3.0對(duì)圖片進(jìn)行處理，塊度分析圖如圖3所示，所得各組試驗(yàn)爆破塊度分析結(jié)果見表2。

表2 各組試驗(yàn)爆破塊度分布結(jié)果Table 2 Distribution results of blasting fragmentation in each group tests

從表2可以看出：

(1)大塊率。在孔徑相同的情況下，不同空氣間隔裝藥爆后大塊率不同。對(duì)于165 mm炮孔，1.5 m間隔時(shí)沒有1000 mm以上的大塊，1 m間隔時(shí)大塊率最高；對(duì)于251 mm炮孔，2 m間隔時(shí)沒有1200 mm以上的大塊，2.5 m間隔時(shí)大塊率最高；對(duì)于311 mm炮孔， 2.5 m間隔時(shí)沒有1200 mm以上的大塊， 3 m間隔時(shí)大塊率最高。

(2)塊度級(jí)配。為提高鏟裝效率，湖山礦對(duì)非礦石區(qū)域爆后塊度級(jí)配有一定的規(guī)定，要求巖石塊度1200 mm以下控制到100%， 600 mm以下控制到90%， 400 mm以下控制到80%?？芍?，對(duì)于165 mm炮孔，1.5 m和2 m間隔時(shí)爆后巖石塊度均符合級(jí)配要求；對(duì)于251 mm炮孔，2m間隔時(shí)塊度符合級(jí)配要求。對(duì)于311 mm炮孔，2.5 m間隔時(shí)塊度符合級(jí)配要求；其余工況下，爆后巖石塊度均不符合級(jí)配要求。

綜合考慮三種炮孔孔徑爆后大塊率和塊度級(jí)配情況，各得到一組較合理的空氣間隔裝藥長度。對(duì)于165 mm炮孔，宜取1.5 m間隔；對(duì)于251 mm炮孔，宜取2 m間隔；對(duì)于311 mm炮孔，宜取2.5 m間隔。

三種不同孔徑下的爆后塊度分布如圖4～6所示，三種合理間隔裝藥爆后塊度分布如圖7所示。

從圖4～圖6可以看出：三種孔徑下，塊度范圍與塊度占比組成的曲線均是呈整體上升趨勢(shì)，曲線上升的陡緩反映了爆后巖石塊度級(jí)配情況。當(dāng)塊度從400 mm以下過渡到600 mm時(shí)，其上升趨勢(shì)很明顯；當(dāng)塊度從600 mm以下過渡到1200 mm的過程中，上升逐漸減緩。說明巖石的塊度越大占比越少，塊度級(jí)配越好，可知三種孔徑下對(duì)應(yīng)的合理空氣間隔與通過表2所得結(jié)論一致，即孔徑165 mm、251 mm、311 mm分別對(duì)應(yīng)的合理間隔為1.5 m、2 m、2.5 m。由此可見，隨著炮孔孔徑增大，空氣間隔可以適當(dāng)增加，這為大型礦山爆破開采使用大孔徑裝藥提供了可靠依據(jù)。 由圖7可見，在試驗(yàn)范圍內(nèi)， 251 mm炮孔2 m間隔是最合理的空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)。

2 m空氣間隔裝藥爆后塊度分布如圖8所示?？梢钥闯?，空氣間隔均為2 m時(shí)，251 mm孔徑的炮孔，爆后塊度分布更好。這是因?yàn)檎ㄋ巻魏南嗤?65 mm小直徑炮孔填塞過低，導(dǎo)致爆炸沖孔嚴(yán)重，能量損失大，破碎半徑小，孔口位置過度破碎，有效做功能量低；311 mm炮孔直徑過大，填塞過大，炸藥重心低，炮孔上層炸藥少，導(dǎo)致頂部出現(xiàn)大塊。由此可見，炸藥單耗和空氣間隔長度相同時(shí)，填塞高度對(duì)爆后塊度也有一定的影響。

2 工程應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

鈣結(jié)礫巖待爆區(qū)位于納米比亞湖山鈾礦，巖石由鈣結(jié)礫巖和花崗巖組成，表層 5m為鈣結(jié)礫巖，爆區(qū)及巖石分布情況如圖9所示。爆區(qū)臺(tái)階高 15 m，超深1.5 m，孔距為6 m，排距為7 m，孔徑251 mm，炮孔內(nèi)裝填現(xiàn)場(chǎng)混裝銨油炸藥。為便于進(jìn)行對(duì)比，將爆區(qū)分為左右兩部分，其中左半?yún)^(qū)域?yàn)檫B續(xù)裝藥，右半?yún)^(qū)域?yàn)殚g隔裝藥，布孔情況如圖10所示。間隔裝藥結(jié)構(gòu)的堵塞長度為3.5 m?？諝忾g隔裝藥以2 m的空氣間隔袋將藥柱分上、下兩部分，使炸藥高度提高，用以破碎上部鈣結(jié)礫巖，底部裝填8 m炸藥，上部裝填3 m。把空氣柱長度與裝填炸藥長度之比定義為空氣間隔比例，則其值為18%。

2.2 應(yīng)用結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)爆后效果如圖11所示。整體看來，兩種裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果相近，爆堆松散，大塊少，不用進(jìn)行二次爆破，爆堆高度低，方便裝運(yùn)。右半部分采用空氣間隔的爆后塊度好于左半部分連續(xù)裝藥的部分，這是因?yàn)榭諝忾g隔裝藥在同等裝藥量下上段炸藥重心高，恰好能對(duì)表層鈣結(jié)礫巖進(jìn)行有效破碎。將爆破區(qū)域每隔一個(gè)開采排班后的開挖面進(jìn)行塊度分析，結(jié)果如表3所示，單孔炸藥成本對(duì)比如表4所示。

從表3可以看出，采用間隔裝藥后沒有出現(xiàn)1 m以上大塊，兩者爆后的級(jí)配情況均符合鏟裝要求，間隔裝藥爆破后塊度及級(jí)配情況均略好于連續(xù)裝藥。因此，利用空氣間隔技術(shù)處理鈣結(jié)礫巖爆破塊度的方法是行之有效的。

由表4可以看出，間隔裝藥比連續(xù)裝藥單孔可節(jié)省炸藥81.15 kg，節(jié)約炸藥成本43.01美元。對(duì)于湖山鈾礦這樣的特大型礦山，通過采用空氣間隔裝藥調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)后，每年可節(jié)省炸藥近200 t，節(jié)約成本近10萬美元，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

表3 爆后塊度分布結(jié)果Table 3 Results of blasting block distribution

表4 單孔炸藥成本對(duì)比Table 4 Cost comparison of single hole explosive

3 結(jié)論

根據(jù)以上試驗(yàn)及工程應(yīng)用情況，可得出以下結(jié)論：

(1)在鈣結(jié)礫巖爆區(qū)空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，炮孔孔徑增大，空氣間隔可以適當(dāng)增加，這為大型礦山爆破開采使用大孔徑裝藥提供了可靠依據(jù)。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，空氣間隔相同時(shí)，炸藥單耗相同，不同炮孔孔徑下填塞高度對(duì)爆破塊度也有一定的影響。

(3)從工程應(yīng)用情況來看，空氣間隔裝藥與連續(xù)裝藥爆破效果相近，采用間隔裝藥后沒有出現(xiàn)1 m以上大塊，兩者爆后的級(jí)配情況均符合鏟裝要求，間隔裝藥爆破后塊度及級(jí)配情況均略好于連續(xù)裝藥。采用空氣間隔裝藥既降低了單孔炸藥量，同時(shí)又改善了爆破質(zhì)量，明顯減少了鈣結(jié)礫巖大塊。可見，利用空氣間隔技術(shù)改善鈾礦鈣結(jié)礫巖爆破大塊是非常有效的，不僅能節(jié)省爆破成本，又能保證爆破效果利于鏟裝，這對(duì)于大型礦山進(jìn)行鈣結(jié)礫巖爆區(qū)爆破具有非常重要的意義。