急傾斜薄礦體中深孔預(yù)裂爆破開采技術(shù)研究

黨建東，闞忠輝，董凱程，陳 剛

(1.安徽銅冠(廬江)礦業(yè)有限公司，安徽 廬江 231500； 2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

沙溪銅礦主礦體厚大，主要采用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法開采。對于主礦體周圍的薄礦體主要利用淺孔留礦空場嗣后充填采礦法開采。對于薄礦體開采而言，常用的有淺孔留礦法和削壁充填采礦法。上述兩種采礦法在國內(nèi)外應(yīng)用得較為普遍，但人員設(shè)備都要直接進(jìn)入采場內(nèi)作業(yè)，作業(yè)安全性較差，開采的效率較低，貧化損失率指標(biāo)難以控制[1-2]。同時，采用淺孔留礦法開采需要施工大量的人行天井及聯(lián)絡(luò)道，施工難度大，作業(yè)過程存在較高的安全風(fēng)險。

對于薄礦體開采技術(shù)，國內(nèi)眾多礦山及科研機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了大量的研究探索，總體來說是采用小孔徑、小藥量、控制爆破的方法，嘗試采用中深孔爆破的方式盡可能減少采切工程量，提高回采率，控制回采的邊界。另外，針對部分品位較高的礦體，通過擴(kuò)大采場寬度，控制總體的貧化率，以提高回采的綜合經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。針對礦山的開采條件研究制定相應(yīng)的技術(shù)方案，開展針對性的薄礦體開采技術(shù)研究與工程應(yīng)用，亦為其它類似礦山薄礦體開采提供參考。

1 急傾斜薄礦體開采條件分析

沙溪銅礦急傾斜薄礦體主要賦存在主礦體周邊，礦體的平均厚度為1～2 m，礦體傾角約70°，礦巖硬度大，穩(wěn)固性極好。通過現(xiàn)場開采形成的采空區(qū)分析，階段高度60 m采空區(qū)穩(wěn)定性極佳，為后續(xù)階段開采提供了良好條件。

目前開采主要利用主礦體形成的開拓系統(tǒng)，但采用淺孔留礦法開采面臨的最大問題是：高階段人形天井施工難度極大，人員作業(yè)安全保障性差。另外，由于礦體厚度較薄，開采過程采場邊界難以控制，因此造成的礦石貧化率較高，采場出礦的品位偏低。采用淺孔落礦需要施工大量的聯(lián)絡(luò)巷工程，落礦的效率偏低。

礦體RQD平均值83%，單孔最大值91%，單孔最小值77%；頂板(±10 m)RQD平均值81%，單孔最大值88%，單孔最小值68%；底板(±10 m)RQD平均值82%，單孔最大值89%，單孔最小值70%?？傮w巖體較完整，巖石質(zhì)量較好。從現(xiàn)場工程來看，巷道頂板穩(wěn)固光滑，節(jié)理構(gòu)造不發(fā)育。

2 中深孔預(yù)裂爆破技術(shù)

預(yù)裂爆破可實現(xiàn)在爆破開挖區(qū)和保留區(qū)之間預(yù)先形成一條孔間貫通的裂縫，使爆破區(qū)爆破時產(chǎn)生的應(yīng)力波傳到預(yù)裂縫時，部分被反射掉，從而減少透射到保留區(qū)應(yīng)力波的強(qiáng)度，達(dá)到減振并保護(hù)保留區(qū)的目的。同時，主爆區(qū)巖體爆破后產(chǎn)生的裂縫向保留區(qū)貫通時被切斷，從而使保留區(qū)巖體更加完整，遭受爆破區(qū)破壞影響范圍控制到最小[5]。對于薄礦體開采而言，如何控制小采幅采場開采過程中的開采邊界，對貧損指標(biāo)的控制非常關(guān)鍵。通過研究中深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，對采場內(nèi)礦巖進(jìn)行預(yù)分離，為后續(xù)的礦體爆破開采提供條件。對于中深孔預(yù)裂爆破開采薄礦體，重點是選擇炮孔參數(shù)及起爆方式，礦體開采前形成礦巖間的預(yù)裂縫，以對后期薄礦體的開采控制形成有利條件。

2.1 預(yù)裂孔不耦合系數(shù)

采用炮孔不耦合裝藥，炸藥起爆后爆生氣體在孔內(nèi)形成空氣柱，再通過裂縫進(jìn)行擴(kuò)展。不耦合裝藥爆破可以有效減少炸藥爆破后粉碎區(qū)的范圍，提高爆生氣體對外擴(kuò)展作用，在光面爆破、預(yù)裂爆破中應(yīng)用較為廣泛。不耦合系數(shù)的大小直接關(guān)系到孔內(nèi)炸藥爆破后能量傳播和預(yù)裂縫形成效果，影響到爆炸能量的傳播和預(yù)裂縫形成狀況，而預(yù)裂縫形成的狀況直接關(guān)乎主爆區(qū)爆破減震及裂縫擴(kuò)展控制的效果。為了達(dá)到良好的預(yù)裂縫減震和控制爆破的效果，礦巖界限處布置的預(yù)裂孔爆破后既要形成裂縫，使得礦巖有效分割，又不能在礦巖界限處形成粉碎圈。因此，孔壁上初始沖擊壓力要小于巖石動態(tài)抗壓強(qiáng)度大于巖石動態(tài)抗拉強(qiáng)度[6]，即：

σtd≤Pc≤[σcd]

(1)

σcd=N·ND·[σc]

(2)

式中，σtd為動態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa，其值隨加載應(yīng)變率變化很小，在巖石工程爆破的加載應(yīng)變率范圍內(nèi)，可以取σtd=σt，σt為巖石的單軸靜態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa；σcd為動態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa。N是抗壓強(qiáng)度提高系數(shù)，一般取7～10，軟巖取大值，硬巖取小值，沙溪銅礦巖體強(qiáng)度很高(如表1所示)，因此N取7；ND是巖石動態(tài)強(qiáng)度提高系數(shù)；σc是巖石單向靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa；PC為環(huán)形不耦合柱狀裝藥在預(yù)裂炮孔中爆炸后對孔壁施加的強(qiáng)沖擊載荷，MPa。

表1 礦巖主要巖石力學(xué)參數(shù)

按照上述理論公式可以計算出預(yù)裂爆破炮孔的不耦合系數(shù)，當(dāng)采用耦合裝藥的時候，不耦合系數(shù)設(shè)為1，實際工程參考理論計算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計。

2.2 炮孔間距

對于薄礦體開采預(yù)裂爆破而言，礦巖界限處布置的柱狀不耦合炸藥爆炸后，爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波首先作用于孔壁形成初始裂隙圈，孔內(nèi)產(chǎn)生的爆生氣體膨脹擠入孔壁內(nèi)的初始徑向裂縫及原巖裂隙，使初始裂縫得到不同程度的擴(kuò)展，最終使孔與孔之間相互貫通，形成孔間的預(yù)裂縫，達(dá)到爆破預(yù)裂的效果。由于爆破后產(chǎn)生的粉碎區(qū)對爆生氣體的擴(kuò)展影響不大，孔間距應(yīng)滿足爆破后炮孔之間的貫通，使爆生氣體擴(kuò)展裂隙達(dá)到設(shè)計要求。在進(jìn)行預(yù)裂爆破參數(shù)工程設(shè)計時，孔間距和不耦合系數(shù)是實現(xiàn)預(yù)裂爆破效果最重要的參數(shù)，其參數(shù)的確定一般依賴于理論研究、工程類比、經(jīng)驗公式以及現(xiàn)場試驗等方法[6-7]。

沙溪銅礦開拓系統(tǒng)采用的階段高度為60 m，依據(jù)礦山開采條件及設(shè)備配比情況，薄礦體開采擬采用直徑65 mm炮孔、2#巖石炸藥，由于粉狀炸藥施工過程中難以實現(xiàn)不耦合裝藥，設(shè)計采用全長耦合裝藥。

在參考礦山前期理論計算數(shù)據(jù)及生產(chǎn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，確定沙溪銅礦薄礦體開采預(yù)裂爆破炮孔的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。炮孔孔徑為65 mm，炮孔長度10 m左右，炮孔的間距為0.5 m。采用2#巖石炸藥，全長耦合裝藥。為保證孔內(nèi)炸藥起爆效果，孔內(nèi)全長鋪設(shè)導(dǎo)爆索，多孔同時起爆。炮孔布置見圖1。

圖1 礦巖界限預(yù)裂炮孔布置平面圖Fig.1 Pre-splitting blast-hole layout plan of ore-rock boundary

3 薄礦體開采方案

傳統(tǒng)的薄礦體開采一般采用淺孔留礦法或削壁充填法開采。傳統(tǒng)采礦方法具有一定的適用性且在國內(nèi)外應(yīng)用較多[8-9]，本文創(chuàng)新提出邊孔預(yù)裂后自然崩落采礦方法，以提高回采效率及控制貧損指標(biāo)。采礦工藝如圖2、3所示。

1—礦柱；2—分段巷道；3—中段運輸巷道；4—崩落礦石圖2 采礦方法剖面圖Fig.2 Mining method profile

1—礦巖界限；2—預(yù)裂孔；3—正?？讏D3 炮孔布置圖Fig.3 Blasting hole layout

沿礦體高度方向上劃分中段和分段，沿礦體走向方向上劃分礦房及礦柱。采場的上部及下部為中段巷道，中段巷道內(nèi)部留設(shè)數(shù)個分段巷道。中段巷道及分段巷道均與脈外斜坡道聯(lián)通，鑿巖在脈內(nèi)的分段巷道，出礦水平位于中段巷道。采場的長度20～50 m，間柱寬度為3～8 m。分段高度5～20 m，階段高度15～60 m。由采場中段向兩端或一端向另一端開采，分段爆破、階段出礦。鑿巖巷道內(nèi)施工上向或下向中深孔，中深孔爆破礦巖界限的預(yù)裂孔及落礦炮孔。采場炮孔爆破分為兩個步驟，預(yù)裂炮孔的爆破超前中間破巖炮孔一個步距，步距的寬度為3～5 m。首先是起爆礦巖界限的預(yù)裂炮孔，形成分離礦巖的預(yù)裂縫，同時為阻斷中間炮孔爆破對周圍圍巖的影響。預(yù)裂縫形成后，中間破巖炮孔爆破使得炮孔之間以及礦體內(nèi)部的構(gòu)造互相貫通，改變堅硬礦體的穩(wěn)固性狀況，使其產(chǎn)生自然崩落。礦巖預(yù)裂分離后，中間炮孔爆破落礦。采場底部采用平底底部結(jié)構(gòu)并布置相應(yīng)的出礦進(jìn)路，落礦后通過中段運輸水平布置的出礦進(jìn)路鏟運至溜井或運至主礦體運輸系統(tǒng)。

通過分段鑿巖巷道施工上向或下向中深孔，每排炮孔的數(shù)量根據(jù)礦體厚度或者采場寬度確定。預(yù)裂孔兩排，布置在礦體兩側(cè)的礦巖交界面處，炮孔間距為0.5 m，用以對礦巖進(jìn)行預(yù)裂爆破，形成礦巖的預(yù)分離。中部炮孔布置2～3 排，采用平行布置的方式，炮孔排距為1.0 m，中間孔爆破后，孔與孔之間通過爆破方式聯(lián)通，改變礦石自身穩(wěn)固性狀態(tài)，與礦體周邊圍巖進(jìn)行分離后形成自然崩落。

炮孔直徑45～65 mm，孔內(nèi)填裝粉狀或粒狀銨油炸藥，炮孔全長鋪設(shè)導(dǎo)爆索。爆破時，預(yù)裂孔先響，形成礦巖預(yù)切割，中部炮孔后響，形成礦石自然崩落。預(yù)裂孔爆破時多孔同時起爆，每次同段起爆的炮孔個數(shù)為3～5 個，形成孔間的貫通。采場中部的炮孔采用微差爆破的方式，前排先響、后排后響。雷管與導(dǎo)爆索連接，孔內(nèi)導(dǎo)爆索與主導(dǎo)爆索連接后形成起爆網(wǎng)絡(luò)。

薄礦體一般規(guī)模較小，且邊角礦體一般距離主礦體較遠(yuǎn)。因此薄礦體采場開采結(jié)束后，盡可能采用封閉或非膠結(jié)充填，對主礦體或相鄰礦體開采有影響的區(qū)域采用尾砂膠結(jié)充填。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

薄礦體采礦方法研究最重要的目的是提高開采效率，控制貧損指標(biāo)，降低開采成本。本文提出的采礦方法一方面通過預(yù)裂爆破控制薄礦體開采邊界，同時利用中深孔落礦提高采礦效率。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析評價，分析淺孔留礦法、削壁充填法各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，充分評估研究提出技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)可行性，同時為方案的進(jìn)一步優(yōu)化提供借鑒[8-10]。

從表2可以看出，淺孔留礦法、削壁充填法、預(yù)裂自然崩落法3種方法中，預(yù)裂自然崩落法采用礦巖界限預(yù)裂孔的方式對礦巖進(jìn)行預(yù)分離，其貧損指標(biāo)控制最好。同時，采用中深孔落礦，采礦效率及采礦成本指標(biāo)控制方面具有明顯的優(yōu)勢。

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Table 2 Technical-economic indicator

5 結(jié)論

對沙溪銅礦傾斜/急傾斜薄礦體采礦方法進(jìn)行研究，提出邊孔預(yù)裂后自然崩落采礦方法并對相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析對比論證，得到以下結(jié)論：

1)預(yù)裂自然崩落法采用礦巖界限處的炮孔預(yù)裂、礦體內(nèi)炮孔爆破改性后自然崩落落礦的方式，有利于開采過程中貧化損失的控制。

2)利用中深孔落礦，大幅減少采切工程量，提高采礦效率，降低采礦成本。

3)預(yù)裂孔的孔徑根據(jù)理論研究計算并在實踐中進(jìn)一步優(yōu)化，推薦65 mm炮孔全長耦合裝藥的炮孔間距為0.5 m。在生產(chǎn)實踐中探索不同巖性及巖體質(zhì)量條件下預(yù)裂爆破的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

4)本文研究的采礦方法由于需要施工中深孔，對炮孔的精度要求較高，因此主要適用于急傾斜礦體，后續(xù)需要對不同產(chǎn)狀的礦體加強(qiáng)研究，增強(qiáng)其應(yīng)用的廣度及適用性。