2011, Vol. 2引用本文 |
| 某石灰岩矿中深孔爆破参数优化研究 |  [PDF全文] |
2. 广东省冶金建筑设计研究院，广州 510080
2. Guangzhou Metallurgy and Architecture Institute of Mining Design and Research, Guangzhou 510080, China
某石灰岩矿山是由两个石灰岩矿山整合而成，矿区面积0.4415km2，开采深度+20~-25m标高.该矿山分东、西两个矿区，设计生产规模40万t/a，东、西采区各20万t/a.东矿区为露天开采，采用公路汽车开拓运输.西矿区为地下开采，采用斜坡道、汽车开拓运输.原采矿方法为浅孔房柱法，浅孔崩矿，挖掘机装矿，自卸式汽车运输.矿块垂直矿体走向布置，每个矿块划分成矿房、间柱和顶柱3个部分.矿房宽15m，长80~100m，高12m.连续间柱宽15m，顶柱厚20m.间柱和顶柱为永久性矿柱，不予回采，采空区不处理.浅孔房柱法普遍存在工人劳动强度大，生产效率低，通风条件差等缺点.因浅孔房柱法矿房生产能力小，凿岩爆破工作频繁，粉尘污染大，严重影响工人身体健康.在空场条件下作业，顶板控制难度大，容易引起冒顶、片帮，经常发生岩石冒落造成财产损失和人员伤亡事故，存在一些不安全隐患.因此，通过对矿山现有实际情况的分析, 选定了预切顶下向平行中深孔房柱法作为新的采矿方法，并在该矿得到了运用[1].解决了生产能力小，安全因素差的缺陷，极大地提高了矿山的生产效率和安全状况.
1 开采技术条件矿床赋存于下二叠统栖霞组（P1q）的碳酸盐岩地层中，呈厚层状产出，其产状与地层构造一致.矿体为北东-南西走向，倾向南东-北西，倾角45~49°，矿体沿走向长1060m，宽250~490m，厚度16.85~114.17m.矿区的灰岩属下二叠统栖霞组灰岩，主要岩性为灰黑色中厚层状灰岩，生物碎屑灰岩及白色大理岩.矿石结构致密，矿层厚度较大，连续完整，节理裂隙不发育.矿石单轴抗压强度62.2~63.6MPa，平均62.9MPa.矿石岩质完整新鲜，为坚硬岩石，工程性能良好，工程地质条件简单.
中深孔爆破试验采场位于西矿区+10m中段、0号勘探线以东斜坡道左侧附近.矿岩为灰岩和大理岩，矿岩坚硬稳固，坚固系数f＝5~10.矿房长60m，宽15m.矿房分两层回采，上分层高8m，下分层高10m.先用浅孔落矿回采上分层，留出8m×15m切顶空间，作为中深孔凿岩爆破回采下分层的工作平台.在矿房端部开切割槽，规格2.5m×15m，作为中深孔爆破的自由面和补偿空间.中深孔爆破试验采场结构示意图见图 1.
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| 图 1 中深孔爆破试验采场结构示意图 |
2 中深孔爆破参数优化研究
影响爆破作用的因素很多, 归纳起来主要有3个方面：岩石特性、炸药性能、爆破参数.其中爆破参数中的孔网参数、装药结构、爆破网络、起爆顺序等对爆破作用的影响最为主要[2]，另外孔径、孔深、超深、抵抗线、孔距、排距、堵塞长度、单位炸药消耗量等参数，又是直接影响爆破质量的最重要因素.参数间的合理搭配牵涉到炸药能量的时空分布和合理利用，对企业提高效率，降低成本有重要的作用[3].
本次爆破选用2#岩石乳化炸药、非电导爆管雷管起爆.采用多排微差爆破技术和预裂爆破技术，减少同段药量，减小爆破震动和对矿柱的破坏作用.大块矿石用液压挖掘机配置的液压碎石锤在工作面进行2次破碎.
2.1 爆破参数的初步确定 2.1.1 孔径(d)及炮孔深度(L)由于矿体很规则并在采准工程量不很大时, 可采用平行孔布置[4].穿孔采用TamrockRanger600液压潜孔钻机，钻孔直径(d):Ф=79mm.钻孔方式为垂直平行炮孔，孔深(L)按下式计算：
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式中：L为钻孔深度，/m；H为台阶高度，H取10m；h为炮孔超钻深度，h=（8~12）d, /m；（h＝（8~12）d＝10×0.079m≈0.8m）; α为倾斜孔角度，α取90°.
2.1.2 底盘抵抗线（Wd）底盘抵抗线（Wd）按下式计算：
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式中：H为台阶高度，H取10m；k为与岩石坚固性有关的系数，取0.65；d为钻孔直径，d取79mm.
2.1.3 排距（b）与孔距（a）设计采用梅花形布孔，其排距、孔距分别为：
排距：
孔距：
式中：m为炮孔邻近系数，m=0.7~1.3.
2.1.4 填塞长度(L2)填塞长度按下式计算：
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式中：Z为填塞系数，垂直孔Z=0.7~0.8，斜孔Z=0.9~1.
2.1.5 单位炸药消耗量（q）参照露天矿深孔微差爆破单位炸药消耗量计算公式：
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式中：γ为矿岩的容重，t/m3；f为岩矿的普氏硬度系数；
按矿岩坚固系数f=5~10和矿山生产经验选取，q=0.35~0.5kg/m3，取0.5.
2.1.6 单孔装药量计算及验算（1）单孔装药量计算（Qk）
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式中：Qk为单孔装药量，kg；其它符号意义同前.
（2）装药量验算(Qky)
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式中：Qky为验算的单孔装药量，kg；d为药卷直径，mm，△为装药密度，kg/dm3，2#岩石炸药△=0.95~1.2kg/dm3；
经计算可知，Qk<Qky，满足装药条件要求.
2.1.7 装药结构.主炮孔孔底先装3条Ф70mm乳胶药卷（4.5kg），再放起爆药包，采用连续装药结构；预裂炮孔采用导爆索连接，将Ф70mm药卷沿纵轴线剖开捆绑在导爆索上，采用间隔装药结构，每个预裂炮孔装药量为8~12kg.
2.1.8 起爆网络（1）微差间隔时间（△t）[5]
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式中：W为抵抗线，m；C0为岩体中弹性纵波速度，m/s；K1为系数，取23；CP为裂缝扩展速度，m/s；S为为破裂体移动距离，0.08~0.1m；V为破裂体移动的平均速度，m/s.
经计算，合理的微差时间△t＝20ms.因此回采根据炮排数采用1~30段导爆管.
（2）起爆顺序.微差爆破技术的应用, 在国内外有较长的历史, 对于合理微差间隔时间的确定, 前人也总结了不少经验[6].中深孔爆破采用多排孔微差爆破，相邻两段时间间隔25~50ms.装药结构为连续装药，孔口用孔渣堵塞.采用非电起爆网络，每个炮孔装两个导爆管雷管起爆加强药包，一段雷管接力网路，接力同路采用蔟联(俗称一把抓)方式激爆，导爆索与组合雷管的联结用黑胶布缠绕不少于5层[7]，起爆方式为孔底起爆.中深孔布置及起爆网络示意图见图 2.
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| 图 2 中深孔布置及起爆网络示意图 |
2.2 爆破参数的优化研究 2.2.1 正交试验设计
由于受采场结构参数、采矿方法的要求或设备条件的制约，许多参数已经确定，如孔径、孔深、超深、装药结构等[8].由于深孔爆破的各个参数是相互影响的，因此，应用正交试验法，根据试验矿山的具体情况选择了如下因素水平.试验研究选择抵抗线、孔排距、堵塞长度这3个爆破效果主要影响参数进行优化试验研究，确定其合理取值和最佳搭配.
由于爆破作用的几个主要影响因素如抵抗线、孔排距、堵塞长度等都有较大取值范围，为使其有充分的代表性，在各取值范围内，取较小、较大、中间3个数据[9]，底盘抵抗线Wd取2.4m，2.8m，3.2m3个水平；孔距a取2.8m，3.0m，3.2m3个水平；填塞长度L取1.8m，2.0m，3.2m3个水平.据此确定为3因素3水平试验，采用L9（34）正交表，见表 1.
| 表 1 正交试验表 |
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2.2.2 现场试验及结果
正交表中列出9组试验，根据这9组试验的因素组合，在试验采场进行了9次中深孔爆破试验.爆破效果用大块率、粉矿率、延米炮孔爆破量进行考核.试验结果见表 2.
| 表 2 正交试验爆破效果统计表 |
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2.2.3 试验结果分析
根据表 1、表 2中的数据，进行单一指标的极差分析，即计算每一指标中各因素各水平的和K1、K2、K3及其平均值k1、k2、k3与极差R，从中确定出较优水平, 并划分出各因素的主次顺序，结果见表 3.
| 表 3 爆破效果分析表 |
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设A代表底盘抵抗线，B代表孔距，C代表填塞长度，从表 3中极差R可以看出，就对爆破大块率的影响程度而言，R1>R2>R3，即底盘抵抗线影响最显著, 孔距次之，填塞长度再次之.对粉矿率而言，R1>R3>R2，是底盘抵抗线的影响最显著, 填塞长度次之, 孔距再次之.对延米炮孔爆破量而言，R3>R1>R2，即填塞长度孔距影响最显著, 底盘抵抗线次之，孔距再次之.
图 3中指标k1、k2、k3为纵坐标，因素水平为横坐标.经对比分析，爆破参数：最小抵抗线W为2.8m；孔底距为3.0m；填塞长度为2.0m时，爆破效果为最优.
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| 图 3 因素–指标图 |
3 爆破震动测试
现场爆破过程中采用NUBOX6016型仪器进行数据采集，分析爆破震动结果，确定了空气冲击波、有害气体及炮烟等危害因素的防治.
3.1 爆破震动安全校核按照质点震动速度计算公式：
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则安全距离计算公式[10]：
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允许药量计算公式：
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式中：V为地表质点振速，cm/s；Q为同段雷管起爆的单响药量，kg；R为保护物与爆破中心的距离，m；K，α为与地质、地形有关的系数，取K=150, α=1.5.
《爆破安全规程》（GB6722－2003）规定矿山巷道安全允许振速为15~30cm/s，深孔爆破地震频率10~60Hz.本次设计对矿山巷道取v=10cm/s进行控制，安全距离与单响药量关系见表 4：
| 表 4 安全距离与单响药量关系表 |
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3.2 爆破震动实测情况
爆破震动采用NUBOX6016型仪器进行震动测试.
（1）测试结果（见表 5）.
| 表 5 爆破震动测试结果 |
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（2）结果分析
① 本次爆破共装炸药504kg，分7段起爆，最大单段药量为75kg；
② 本次爆破测到震动速度为：
测点1：25cm/s（即主爆炮孔后方）；测点距离起爆中心7.6m，爆带后裂1.5m，同一截面全振频往后，振速作用较大；
测点2：2.4cm/s（即岩石立柱另一面），测点布置在岩石立柱另侧面，因主爆堆两侧采取预裂（减振）孔爆破，分段分层起爆，振速对岩石立柱作用较小.
③ 参照《爆破安全规程》有关规定，矿山巷道的最大安全震动速度为15~30cm/s（10~100Hz），所以本次爆破震动对岩石矿柱支撑是安全的.
4 结束语（1）通过采用预裂爆破与微差控制爆破技术，有效地控制了爆破震动和空气冲击波对两侧矿柱及顶板的破坏影响，经过多次爆破试验，并且对两侧矿柱进行了震动检测，结果符合安全要求.
（2）在试验中采用正交爆破试验进行优化, 取得了中深孔凿岩爆破效果为最优的爆破参数:底盘抵抗线为2.8m;孔距为3.0m;填塞长度2.0m.
（3）采用中深孔爆破每次爆破崩落矿量达2000余t，是原手风钻浅孔单次爆破量的5倍，钻孔爆破成本由原来的4.3元/t，降低到3.7元/t，铲装运效率提高了4倍，降低了矿山综合成本，取得了较显著成绩，同时减少作业人员在顶板下作业的时间，矿山安全得到进一步改善.
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