基于爆破塊度指標(biāo)的采選能耗研究分析

欒 輝

（鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114051）

對(duì)于礦山而言，如何在開(kāi)采時(shí)實(shí)現(xiàn)能量高效利用，是礦山開(kāi)采能耗的研究方向。整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括炸藥破巖的能耗和機(jī)械設(shè)備磨礦的能耗，在礦山資源開(kāi)采過(guò)程中，爆破工序的能耗分配不合理，破磨設(shè)備能量消耗巨大，導(dǎo)致整體能耗過(guò)高。因此提出了能耗前移，以爆代破，以破代磨的方式指導(dǎo)作業(yè)，在礦山開(kāi)采環(huán)節(jié)，常以爆破的方式進(jìn)行開(kāi)采，利用炸藥爆炸的能量對(duì)巖石進(jìn)行做功，根據(jù)能量的傳遞性，尋求以低能高效的形式破碎巖體，以獲取合格的爆破塊度，而后爆破產(chǎn)生的巖塊通過(guò)裝車(chē)、輸送帶等方式運(yùn)輸至選礦廠，此時(shí)若破碎巖塊粒度控制較好，破碎設(shè)備效率顯著提升，所需能耗也因此較低，獲得經(jīng)濟(jì)收益越高，所以基于爆破塊度研究礦石破碎的能耗，對(duì)礦山提高生產(chǎn)效率，提高經(jīng)濟(jì)收益具有重要意義。

1 采礦能耗

1.1 爆破塊度與能耗關(guān)系的研究

爆破作為礦山開(kāi)采的主要手段，爆破階段能量消耗體現(xiàn)在炸藥能量對(duì)巖石做功方面，而不同炸藥能量下所對(duì)應(yīng)爆破效果截然不同，控制炸藥能量耗散有利于巖石的破碎，產(chǎn)生合格細(xì)小巖塊，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益最大化。當(dāng)炸藥能量不足時(shí)表現(xiàn)為大塊率高，對(duì)后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成困難；當(dāng)炸藥能量耗散過(guò)大時(shí)表現(xiàn)為礦粉過(guò)多，不利于資源開(kāi)采利用?？梢?jiàn)塊度與炸藥能耗之間存在一定的關(guān)聯(lián)，用爆破塊度衡量炸藥能量耗散、能量利用率是否達(dá)到要求是評(píng)價(jià)爆破效果的根本途徑。因此開(kāi)展爆破塊度與炸藥能耗的規(guī)律研究，有助于實(shí)現(xiàn)采礦環(huán)節(jié)低能耗高爆破的目標(biāo)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爆破塊度的研究，牛愛(ài)紅[1]通過(guò)魚(yú)骨圖列舉影響爆破因子、對(duì)重要因子進(jìn)行失效模式分析，用全因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)將其主要的影響因素分為巖體性質(zhì)、孔網(wǎng)參數(shù)以及裝藥結(jié)構(gòu)（具體影響因素見(jiàn)表1）。作為爆破對(duì)象的巖體是一種固定屬性的介質(zhì)，其力學(xué)性能是不能改變的，目前室內(nèi)試驗(yàn)為研究塊度與能耗之間的關(guān)系，采取根據(jù)巖石破碎特性，檢測(cè)應(yīng)變率、沖擊能、破碎程度與破碎能效率之間的聯(lián)系[2]。為了獲取準(zhǔn)確可靠的應(yīng)變率、沖擊能采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)，尋求塊度分布與能量耗散之間的關(guān)系，獲取巖石動(dòng)態(tài)破壞時(shí)塊度分布特征[3]。大致可以得出，能量利用率高時(shí)破碎塊度均勻，大塊率小。在室內(nèi)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)爆破采取依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境研究巖體性質(zhì)、孔網(wǎng)參數(shù)和裝藥參數(shù)對(duì)爆破效果的影響，為達(dá)到爆堆集中、塊度均勻、細(xì)小巖塊多的目標(biāo)，需要提升炸藥能量利用率，實(shí)現(xiàn)低能耗高爆破。

表1 影響爆破效果的因素

1.2 爆破塊度分布與能耗測(cè)試

爆破是一個(gè)炸藥釋放能量，巖石吸收能量的過(guò)程，可通過(guò)檢測(cè)爆破塊度分布、大塊率百分比來(lái)評(píng)價(jià)能耗的利用是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

對(duì)此，進(jìn)行爆破之前進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)和分析，考慮最小抵抗線、孔深、孔徑、裝藥結(jié)構(gòu)、孔間延時(shí)、起爆順序等參數(shù)對(duì)爆破塊度的影響，并結(jié)合實(shí)際工程對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的改進(jìn)，確定最優(yōu)炸藥單耗，達(dá)到低能耗、高利用率，產(chǎn)生合格細(xì)小巖塊標(biāo)準(zhǔn)。目前常用K-R（Kuznetsov-Rosin-Rammler）數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，它是一個(gè)通過(guò)建立各種裝藥參數(shù)，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大塊率所對(duì)應(yīng)炸藥單耗的數(shù)學(xué)模型，并且在實(shí)際工程中效果顯著，可以實(shí)現(xiàn)炸藥能量充分利用，將大塊率控制在3%以下[4]。此外為實(shí)現(xiàn)炸藥能量的高效利用，還可以采取分析孔網(wǎng)參數(shù)數(shù)影響的方式，獲取合格爆破塊度。例如在最小抵抗線逐漸增大后，爆破能耗呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，為達(dá)到低能耗高爆破目標(biāo)，在最小抵抗線最優(yōu)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了爆破能耗最低，爆堆質(zhì)量最高，且小于110mm尺寸巖塊占比達(dá)57%，能耗節(jié)省了約2.5倍[5]。在孔間延時(shí)時(shí)間下，爆破能耗同樣呈現(xiàn)出在先升后降的趨勢(shì)，所以確定最佳孔間延時(shí)時(shí)間，可使炸藥能量利用充分，得到分布均勻的爆破塊度，將大塊率控制在6%左右[6]。

爆破工作中，需對(duì)爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷優(yōu)化，具體分析現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)因素對(duì)炸藥單耗的影響，根據(jù)不同工程、同一工程不同作業(yè)階段、不同孔徑對(duì)應(yīng)不同臺(tái)階高度等，確定炸藥選取的側(cè)重點(diǎn)，提出多種優(yōu)化方式，選取最合適的炸藥單耗，實(shí)現(xiàn)塊度均勻，低能耗高爆破量的目標(biāo)。如在某深孔爆破中，利用現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)算出合理孔徑和臺(tái)階高度，在確定炸藥單耗為0.3957kg/m3時(shí)將日均爆破方量達(dá)到了10000m3以上[7]；魚(yú)山工程爆破中，考慮爆破排數(shù)、臺(tái)階高度對(duì)炸藥單耗的影響，在確定炸藥單耗為0.33kg/m3時(shí)將單月開(kāi)挖量達(dá)到了317萬(wàn)m2[8]，在這兩個(gè)爆破工程中，爆破后也呈現(xiàn)出了爆堆集中，塊度均勻，大塊率少的現(xiàn)象，展現(xiàn)出了能量的高效利用。

可見(jiàn)在采礦環(huán)節(jié)，通過(guò)采取相應(yīng)的預(yù)測(cè)與優(yōu)化手段，對(duì)于控制爆破塊度有積極的作用，而大塊度率的降低，爆破塊度均勻的產(chǎn)生，正是能量高效利用的體現(xiàn)，能夠促進(jìn)爆破開(kāi)采節(jié)能降耗的發(fā)展，有利于取得最大化經(jīng)濟(jì)收益。

2 選礦能耗

2.1 爆破塊度對(duì)篩分能耗的影響規(guī)律

在爆破開(kāi)采后，將爆堆巖塊運(yùn)輸至選礦廠進(jìn)行破碎，選礦過(guò)程通常包括初破、中破、細(xì)破、碾磨這幾個(gè)步驟。爆破開(kāi)采后，爆堆巖塊塊度的尺寸大小、塊度分布均勻程度對(duì)選礦廠篩分能耗有著極其重要的影響，具體表現(xiàn)為：

對(duì)粒徑大于10mm的巖塊進(jìn)行初、中破碎篩分，有研究表明，提升爆破質(zhì)量，產(chǎn)生均勻合格的細(xì)小塊度對(duì)選礦廠破碎篩分尤其重要，粒徑在120mm～150mm的巖塊，出磨篩余為20%～30%，粒徑在150mm～200mm的巖塊，出磨篩余為35%～55%[9]。同時(shí)碎巖尺寸整體較大，會(huì)導(dǎo)致小型分級(jí)設(shè)備工作效率低下，一次分級(jí)產(chǎn)量較少，需多臺(tái)設(shè)備同時(shí)工作，對(duì)此需采取使用大型分級(jí)設(shè)備的措施，以提高工作效率，減少工作臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)降低能耗。常用篩分設(shè)備相比較而言，螺旋分級(jí)機(jī)工作效率只有水力旋流器的20%～40%，目前，循環(huán)負(fù)荷載大的螺旋分級(jí)機(jī)逐漸被能耗更低效率更高的水力旋流器取代。采用水力旋流器分級(jí)，分級(jí)效率大約可以提高16.59%，年電耗可以節(jié)約46.64萬(wàn)元[10]。在某選礦廠，采用大型化水力旋流器進(jìn)行分級(jí)研磨，精礦回收率明顯提高，循環(huán)負(fù)荷載大約降低53.93%，年耗電費(fèi)節(jié)省13.6萬(wàn)元，生產(chǎn)成本降低87萬(wàn)元[11]，因此，要降低選礦篩分環(huán)節(jié)的成本就需要調(diào)整爆破塊度，降低塊度粒徑。

2.2 爆破塊度對(duì)入磨能耗的影響規(guī)律

塊度對(duì)于入磨時(shí)破磨設(shè)備能耗的影響也十分顯著，基于破磨設(shè)備生產(chǎn)能力經(jīng)驗(yàn)公式、邦德功指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，考慮磨礦能耗最低原理，可以計(jì)算最佳入磨粒度[12]。不同入磨粒徑與單位能耗關(guān)系（見(jiàn)表2），一般10mm粒徑以下礦石容易通過(guò)破碎倉(cāng)，對(duì)皮帶的沖擊作用較小，因此有利于破碎，耗能也較少。隨著工藝和設(shè)備提升，將入磨粒徑可進(jìn)一步縮小，在5mm粒徑以下時(shí)，單位耗電量可減少5%～10%[13]。從表2不難看出不同粒徑的巖塊對(duì)破碎產(chǎn)量的影響巨大，粒徑越小的巖塊，礦石破碎篩分效率越高，磨礦過(guò)程碎巖返回量越少，機(jī)械設(shè)備工作時(shí)間越少，所消耗的能量便越少。但入磨粒徑并非越小越好，過(guò)小粒徑反而降低磨礦效率，應(yīng)根據(jù)具體設(shè)備選擇最小入磨粒徑，實(shí)現(xiàn)入磨能耗的節(jié)能。

表2 不同破碎機(jī)出料入磨時(shí)破磨主機(jī)單位電耗[13]

2.3 優(yōu)化破磨能耗

礦石破碎后便是磨礦環(huán)節(jié)，磨礦作為整個(gè)選礦廠最耗能的環(huán)節(jié)，單磨礦作業(yè)就消耗了整個(gè)選礦環(huán)節(jié)用能的40%～60%[14]。碎巖尺寸不均勻，入磨粒徑不合格導(dǎo)致磨礦能耗升高，磨礦細(xì)度越細(xì)也會(huì)導(dǎo)致能耗升高，針對(duì)磨礦環(huán)節(jié)能耗問(wèn)題，采取對(duì)應(yīng)的更新工藝設(shè)備措施，以提高生產(chǎn)效率，降低設(shè)備能耗。根據(jù)磨礦過(guò)程能量的耗散規(guī)律，通常以破碎比和磨礦比作為自變量，機(jī)械設(shè)備能耗作為因變量，

來(lái)探尋破碎巖石所需能耗的規(guī)律。通過(guò)試驗(yàn)證明，設(shè)備落后，工藝不完善是造成生產(chǎn)效率低、入磨粒徑不合格、設(shè)備能耗高的主要原因。為降低選礦廠能耗，減小礦石塊度對(duì)選礦的影響，要不斷優(yōu)化施工工藝，更新機(jī)械設(shè)備，推行節(jié)能新工藝和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)磨礦設(shè)備的自動(dòng)化控制，來(lái)降低選礦能耗（見(jiàn)表2）。選礦廠在更新設(shè)備后，可以將將磨礦產(chǎn)量提高2.5%～10%，同時(shí)也可以減少5%～30%的能耗以及3%～5%生產(chǎn)成本[15]。在目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)下，減小人工勞動(dòng)力，完善選礦工藝，更新選礦設(shè)備，是節(jié)能降耗的重要途徑。

表3 選礦廠節(jié)能降耗成功的實(shí)例[16-20]

3 采選破碎能耗系統(tǒng)

整個(gè)礦山開(kāi)采過(guò)程中，能耗分布極不均衡，在磨礦階段，能耗占整個(gè)采選總能耗的75%以上，而爆破環(huán)節(jié)能耗僅占5%～8%[21]。低能高效應(yīng)不僅僅針對(duì)于選礦環(huán)節(jié)，更應(yīng)該貫穿采礦選礦生產(chǎn)，通過(guò)合理的能耗分布達(dá)到總體能耗的節(jié)省。有研究表明炸藥用量影響爆破效果，炸藥量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致爆破后礦粉過(guò)多，不利于資源利用，炸藥量過(guò)少會(huì)導(dǎo)致能量不足形成大塊多，不利于鏟裝、運(yùn)輸、破碎及碾磨等工序的生產(chǎn)效率及能耗。要實(shí)現(xiàn)能耗的均衡，就必須考慮爆破環(huán)節(jié)炸藥能量的利用規(guī)律，控制爆破塊度，這在選礦破碎環(huán)節(jié)，工藝和設(shè)備不變的情況下，能夠有效降低整體能耗。在鞍千礦采選生產(chǎn)中，小臺(tái)階爆破試驗(yàn)通過(guò)提高炸藥單耗，相比較0.21kg/t炸藥單耗，在0.32kg/t炸藥單耗下，炸藥能量得到了最大的利用，大塊率降低程度明顯，由于小塊度的增多，將礦石粒徑破碎至2mm，消耗能量降低了30%[22]。董二虎等[23]以更小的炸藥單耗得到更多的爆破體積，在0.31～0.34kg/m3炸藥單耗下，初、中磨階段能耗降低了30%以上，研磨5min時(shí)研磨質(zhì)量提升了8倍。可見(jiàn)爆破能量利用率高時(shí)爆破塊度尺寸小，對(duì)礦石破碎能耗有著至關(guān)重要影響，是采選整體節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在采礦過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)能量的高效利用，就需要提高炸藥能量利用率，來(lái)減小大塊率的產(chǎn)生，獲取均勻的爆破塊度。在選礦過(guò)程中，爆破塊度尺寸小的巖塊有利于破碎分級(jí)，降低入磨粒徑也可有效降低選礦廠能耗。在此基礎(chǔ)上，選用節(jié)能新設(shè)備，選用先進(jìn)工藝，提高礦巖破碎效率，可大幅降低能耗，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

（2）礦石采選破碎能耗是一個(gè)整體研究對(duì)象，爆破效果的好壞將會(huì)直接影響礦石碎磨能耗，而磨礦耗能占整體能耗的75%以上，為解決采選能耗分布不均勻的現(xiàn)象，提出將能耗前移，提高爆破環(huán)節(jié)能量利用率，來(lái)改善爆破效果，獲取合格爆破塊度，降低大塊率，進(jìn)而降低選礦環(huán)節(jié)破磨能耗。

（3）礦石采選面臨的成本與經(jīng)濟(jì)收益相差仍然很大，盡管目前已有眾多節(jié)能降耗措施，但遠(yuǎn)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)最大化經(jīng)濟(jì)收益，還需進(jìn)一步深入研究工藝、技術(shù)、設(shè)備，實(shí)現(xiàn)節(jié)能突破。