露天煤礦臺(tái)階爆破合理超深試驗(yàn)研究

劉紅巖，王 文，鄒宗山，張光雄

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250100；3.保利民爆哈密有限公司，新疆 哈密 839000)

中深孔臺(tái)階爆破因其安全性好、生產(chǎn)效率高、開(kāi)采能力大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于露天礦山的巖石剝離。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于中深孔臺(tái)階爆破效果的好壞不但與礦山地質(zhì)條件有關(guān)，還與鉆孔參數(shù)(如炮孔間排距、孔徑、超深等)和爆破工藝參數(shù)(如炸藥性質(zhì)、裝藥方式、起爆位置和起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等)密切相關(guān)，因此煤破效果難以保障[1-6]。根底率是評(píng)價(jià)露天臺(tái)階爆破效果的重要指標(biāo)，目前工程上常采用炮孔超深的方法來(lái)改善臺(tái)階底部巖石的破碎問(wèn)題，但是超深值的合理選取仍是一個(gè)亟待解決的難題。如果炮孔超深過(guò)大，不但會(huì)造成鉆孔和炸藥浪費(fèi)，增大地震效應(yīng)，還會(huì)對(duì)臺(tái)階底板造成過(guò)度破碎；相反，如果超深過(guò)小，則容易產(chǎn)生根底，影響鏟裝效率[7]。很多學(xué)者分別采用試驗(yàn)、理論及數(shù)值計(jì)算等方法對(duì)露天臺(tái)階爆破的合理炮孔超深展開(kāi)深入研究[8-13]。陳晶晶等[8]以河南經(jīng)山寺露天鐵礦近千次的深孔臺(tái)階爆破實(shí)踐為例，認(rèn)為在爆破參數(shù)及其他因素基本合理的情況下，通過(guò)局部加大超深、在不同地質(zhì)條件下改變炮孔密集系數(shù)m值、采用V型起爆技術(shù)等措施，可以有效減少根底，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。李建軍[9]以中鋁山西分公司石灰石鐵礦露天爆破作業(yè)為例，對(duì)根底產(chǎn)生的各種原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了多種預(yù)防根底的方法如選擇合理的孔網(wǎng)參數(shù)、微差起爆時(shí)間及合理布置炮孔等。張鵬強(qiáng)[10]根據(jù)炮孔深度的幾何關(guān)系和利文斯頓爆破漏斗理論建立了炮孔超深的理論計(jì)算公式，認(rèn)為合理的炮孔超深與巖石變形能系數(shù)、炮孔線裝藥密度、爆破類型和底盤抵抗線等均有關(guān)。黃剛等[11]針對(duì)東溝鉬礦臺(tái)階爆破中出現(xiàn)的根底問(wèn)題，假定炸藥單耗不變，采用數(shù)值模擬研究了相關(guān)因素對(duì)根底的影響，發(fā)現(xiàn)底盤抵抗線影響最大、炮孔超深次之，排距影響最小。張?jiān)甑萚12]采用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)有超深和無(wú)超深兩種工況下的臺(tái)階爆破進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)超深對(duì)被爆巖石的有效應(yīng)力和主應(yīng)力均有較大影響?；魰詡13]通過(guò)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究表明雙利礦山14 m臺(tái)階爆破采用下部藥柱底端先起爆，而后上部藥柱在頂端起爆，且中間空氣間隔4 m、超深1.5 m的爆破參數(shù)可使得臺(tái)階底部平整、無(wú)明顯根底。

由此可以看出，露天礦山臺(tái)階爆破中炮孔超深的合理選取至關(guān)重要，而且與礦山具體的地質(zhì)條件和鉆爆參數(shù)密切相關(guān)。為此，本研究針對(duì)新疆哈密市吉郎德煤礦露天深孔臺(tái)階爆破存在的主要問(wèn)題即大塊率高、根底率現(xiàn)象嚴(yán)重、爆破效果差等問(wèn)題展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，以優(yōu)化其爆破參數(shù)，改善爆破效果，進(jìn)而降低礦山開(kāi)采成本，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。

1 礦山臺(tái)階爆破概況

吉郎德煤礦位于新疆哈密市巴里坤縣城北西約140 km，現(xiàn)已探明煤礦資源儲(chǔ)量2.3億t，其中露天可采儲(chǔ)量1.48億t，設(shè)計(jì)規(guī)模2.0 Mt/a，服務(wù)年限63 a。2011年11月開(kāi)工建設(shè)，2013年7月投產(chǎn)。目前土巖剝離及資源開(kāi)采均采用露天臺(tái)階爆破、單斗挖掘機(jī)—卡車工藝，生產(chǎn)剝采比為9.71 m3/t。

礦田地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)大的區(qū)域性斷層穿過(guò)礦區(qū)，但三、四級(jí)結(jié)構(gòu)面普遍發(fā)育。礦區(qū)巖石類型主要為表層砂礫土、泥巖、砂巖，其質(zhì)量密度ρ=1.9～2.73 g/cm3、單軸抗壓強(qiáng)度σt=30～60 MPa、粘聚力c=0.26～13.1 MPa、內(nèi)摩擦角φ=15°～34.2°，巖石硬度系數(shù)f=2～4.5。

臺(tái)階爆破參數(shù)為：臺(tái)階高度12 m、臺(tái)階坡面角85°、鉆孔直徑120 mm、鉆孔深度13 m(其中超深1 m)、鉆孔傾角90°、底盤抵抗線為3.2 m、間排距為5 m×4 m的梅花型布孔。采用電子雷管微差起爆，各炮孔微差起爆時(shí)間統(tǒng)一設(shè)定為孔差25 ms、排差50 ms。裝藥方法為首先在鉆孔底部裝入少量炸藥，而后放入用導(dǎo)爆索牽引的電子雷管，并繼續(xù)裝藥，最后約3.5 m用鉆孔巖屑堵塞。炸藥采用銨油炸藥(無(wú)水)或乳化炸藥(有水)。

2 鉆孔超深計(jì)算方法及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 鉆孔超深計(jì)算方法

目前常用的露天礦山臺(tái)階爆破鉆孔超深計(jì)算方法見(jiàn)表1。由表1可知，該礦山合理的鉆孔超深取值范圍為0.32～4 m，范圍較大。

表1 臺(tái)階爆破鉆孔超深計(jì)算方法

為了保證達(dá)到爆破效果的同時(shí)盡可能地減小爆破震動(dòng)對(duì)高邊坡穩(wěn)定性的影響，按照松動(dòng)爆破進(jìn)行設(shè)計(jì)。此時(shí)藥柱的破裂半徑與爆破漏斗的爆破作用半徑相等，即Rp=R，松動(dòng)爆破如圖1所示。

圖1 松動(dòng)爆破

那么由爆破漏斗的幾何關(guān)系可知：

式中，n為爆破作用指數(shù)，為了便于后續(xù)礦石的鏟裝，應(yīng)盡可能達(dá)到最好的松動(dòng)爆破效果，即加強(qiáng)松動(dòng)爆破，此時(shí)n可取為0.75～1[20]，該礦山更傾向于松動(dòng)爆破，取n=0.75～0.9。

常用鉆孔超深計(jì)算方法如圖2所示，即當(dāng)孔底至臺(tái)階底部的距離最小時(shí)，可保證不出現(xiàn)根底，此時(shí)β=90°，相應(yīng)地炸藥利用率最高[21]。

圖2 鉆孔超深計(jì)算

根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論，此時(shí)藥柱底部可看作長(zhǎng)度為x的集中藥包爆炸產(chǎn)生的破裂半徑Rp等于其相應(yīng)的臨界埋深Lc，即有[22]：

式中，C為線裝藥密度；Eb為變形能系數(shù)，m/kg1/3，其與巖石的變形耗能有關(guān)。

由式(1)(2)可得：

若此x段長(zhǎng)度裝藥中心置于底盤平面，則相應(yīng)的超深應(yīng)為：

該工程中各相關(guān)參數(shù)取值為：n=0.75～0.9，Wd=3.2 m，C=12 kg/m；根據(jù)文獻(xiàn)[22]給出的經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)于砂巖，Eb建議取為1.5 m/kg1/3。將上述參數(shù)代入式(4)可得：h=0.79～0.99 m。

該工程目前采用的鉆孔超深1 m時(shí)，出現(xiàn)了超挖現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致下一個(gè)臺(tái)階平整度變差，因此結(jié)合上述理論計(jì)算結(jié)果，擬將鉆孔超深減小至0.8 m。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 1380平臺(tái)

首先選擇1380平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示，根據(jù)上述孔網(wǎng)參數(shù)計(jì)算確定該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)共需布置鉆孔87個(gè)。試驗(yàn)中取鉆孔超深為0.8 m，與原超深為1 m情況對(duì)比，其余參數(shù)同前。爆破后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)清理，利用GPS對(duì)該試驗(yàn)平臺(tái)上的99個(gè)點(diǎn)以2 m×2 m的間距進(jìn)行高程測(cè)量，并繪制高程3D圖；同時(shí)利用式(5)計(jì)算各高程數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差以評(píng)價(jià)爆破后平臺(tái)底盤的平整度：

圖3 兩種超深條件下爆破后的1380平臺(tái)

式中，Δ為標(biāo)準(zhǔn)差，m；n采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)；hi各采樣點(diǎn)高程，m。

圖4 兩種超深下1380平臺(tái)底盤高程差

表2 兩種超深下1380平臺(tái)高程對(duì)比

2.2.2 1392平臺(tái)

圖5 兩種超深條件下爆破后的1392平臺(tái)

圖6 兩種超深下1392平臺(tái)底盤高程差

表3 兩種超深下1392平臺(tái)高程對(duì)比

2.2.3 其他平臺(tái)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)1380和1392平臺(tái)的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用0.8 m的鉆孔超深的爆破效果略優(yōu)于鉆孔超深為1 m的情況，雖然有時(shí)二者均能取到不錯(cuò)的爆破效果，但使用0.8 m的超深更節(jié)省鉆孔工程量和炸藥。下面為了檢驗(yàn)0.8 m的鉆孔超深在不同平臺(tái)的爆破效果，進(jìn)行了14次現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)。上述實(shí)驗(yàn)伋據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度進(jìn)行，涉及從上到下多個(gè)平臺(tái)，且同高度平臺(tái)處巖石也不盡相同，因此也采用了不同的孔網(wǎng)參數(shù)，因而具有很強(qiáng)的代表性。西幫1284南區(qū)爆破后的平整度較高，其高程誤差在0.4～0.7 m，爆破效果特別理想；西幫1320緩沖平臺(tái)爆破后相對(duì)比較平整，兩側(cè)略有起伏，平整度良好，其高程差在0～0.3 m，爆破效果比較理想；西幫1332內(nèi)坡爆破后相對(duì)比較平整，呈兩邊高中間低形態(tài)，平整度良好，其高程差在-1～-0.6 m，爆破效果比較理想；西幫1344北區(qū)爆破后底盤相對(duì)比較平整，呈左略低右略高形態(tài)，平整度良好，其高程差在-0.8～-0.4 m，爆破效果比較理想；西幫1356南區(qū)前爆破后相對(duì)比較平整，平整度較高，其高程差在-0.3～0 m，爆破效果特別理想；西幫1356南區(qū)后爆破后相對(duì)比較平整，平整度較高，其高程差在-0.3～0 m，爆破效果特別理想；西幫1356中部爆破后相對(duì)比較平整，但左上角有明顯根底，平整度一般，其高程差在-0.3～0.2 m，爆破效果一般；西幫1380北區(qū)爆破后相對(duì)比較平整，但右上與右下角有明顯根底，平整度一般，其高程差在-0.4～0.3 m，爆破效果一般；西幫1380南區(qū)、西幫1404北區(qū)、南幫1416西區(qū)右、南幫1416西區(qū)中、南幫1416西區(qū)左、西幫1416內(nèi)坡等6個(gè)平臺(tái)爆破后均相對(duì)比較平整，其高程差分別為-0.2～0.2 m，0～0.2 m，0.1～0.5 m，0.2～0.5 m，0～0.4 m，0～0.2 m，爆破效果理想。

總之，上述14個(gè)平臺(tái)中僅有西幫1356中部與西幫1380北區(qū)有小部分區(qū)域存在較小的突出根底，但大體還是比較平整，爆破效果也勉強(qiáng)符合要求，其余平臺(tái)的爆破效果均比較良好。因此，使用0.8 m的炮孔超深適用于絕大部分平臺(tái)，而對(duì)于底部平臺(tái)，可依然使用原1或1.2 m的超深。

14次爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，可以看出最大高差僅為0.639 m，且大部分平臺(tái)的最大高差均在0.4 m以下，且標(biāo)準(zhǔn)差僅有3個(gè)平臺(tái)大于0.1 m，所以總體爆破效果好。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)通常要求平均高程與設(shè)計(jì)高程之間的高差在0.5 m以內(nèi)。14次實(shí)驗(yàn)中，共有11次實(shí)驗(yàn)符合此標(biāo)準(zhǔn)，其中1332南部中區(qū)和1344北區(qū)是平均高程低于設(shè)計(jì)高程且超過(guò)合理誤差范圍內(nèi)，由于相比于原超深，此次屬于降超深，則更好地減小了高差，故0.8 m的超深依然具有優(yōu)越性。1284西幫南區(qū)的平均高程高于設(shè)計(jì)高程且超過(guò)合理誤差范圍內(nèi)，故0.8 m的超深不太適用于該平臺(tái)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，該平臺(tái)的高程最小，且位于整個(gè)礦坑最底部，故在靠近礦坑底部的幾個(gè)平臺(tái)不太適用0.8 m的超深，而對(duì)于礦坑中部和上部平臺(tái)，使用0.8 m的超深均能起到降本增效的效果。這可能是由于隨著平臺(tái)高程的減小，巖石強(qiáng)度及堅(jiān)固性增加，炮孔底部夾制作用變大，因而0.8 m的超深有些偏小，因而應(yīng)采用較大的鉆孔超深。

表4 14次爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總 m

3 結(jié) 論

針對(duì)吉郎德煤礦露天深孔臺(tái)階爆破中存在的高根底率問(wèn)題，擬采用調(diào)整鉆孔超深的方法進(jìn)行解決。為此，首先在對(duì)常用的鉆孔超深計(jì)算方法進(jìn)行回顧的基礎(chǔ)上，并結(jié)合相應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果，將目前采用的鉆孔超深由1 m減小為0.8 m，而后在14個(gè)平臺(tái)上開(kāi)展了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)鉆孔超深采用0.8 m時(shí)，85%以上的平臺(tái)爆破后的最大高差均在0.4 m以下，有效地降低了根底率，爆破效果良好，同時(shí)還降低了鉆孔工程量及炸藥用量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但是對(duì)于高程較低的平臺(tái)如 1284西幫南區(qū)平臺(tái)，0.8 m的鉆孔超深偏小，這可能是由于隨著平臺(tái)高程的降低，巖石強(qiáng)度增加，炮孔底部夾制作用變大所致，此時(shí)應(yīng)加大鉆孔超深。