陳五九，張德明，王玉富

(1.安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，六安 237471；2.湖南中大設(shè)計院有限公司，長沙 410083)

近來年，隨著我國地下采礦裝備水平的大力提升，采用大直徑深孔爆破法對低品位大型礦體的礦石崩落技術(shù)在國內(nèi)得以廣泛應(yīng)用，該方法爆破工序簡單，回采周期短，爆破規(guī)模大，生產(chǎn)能力高，是大型礦山比較青睞的采礦方法之一[1，2]。然而，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)大，邊幫高是其顯著特征，再加上大規(guī)模的爆破作用，邊幫控制較困難，實際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)采場高邊幫的超、欠挖現(xiàn)象，這不僅影響礦山的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，還會產(chǎn)生極大的安全隱患[3，4]。實踐經(jīng)驗表明：對地下采場實施控制爆破技術(shù)，可有效控制爆破后高邊幫的形狀及完整程度，提高礦柱的穩(wěn)定性，但對控制爆破的參數(shù)大多是借助理論分析、數(shù)值模擬、半經(jīng)驗法等手段進(jìn)行獲取，而其受諸如地質(zhì)因素、材料因素和人為因素等多方面影響，難以準(zhǔn)確獲得相關(guān)參數(shù)，直接應(yīng)用其研究結(jié)果風(fēng)險較大[5-9]。因此，選擇合適區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗是改變爆破技術(shù)，獲取爆破參數(shù)的最直接也是最有效的方法之一，其研究成果往往可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中。

1 試驗背景

張莊鐵礦是特大型地下鐵礦山，主要為石英磁鐵礦體，堅硬完整，普氏硬度系數(shù)f=15～16，一直采用大直徑深孔爆破進(jìn)行礦石崩落回采，見圖1。其爆破參數(shù)主要為：炮孔直徑φ165 mm，裝φ140 mm藥卷乳化炸藥，一步回采時采場寬度15 m，中間炮孔孔網(wǎng)參數(shù)3 m×3 m，邊孔孔距2 m，與中間炮孔間距2.5 m，距采場邊界0.5 m；均采用間隔裝藥方式，邊孔裝藥量較中間孔低30%～40%，綜合單耗超過0.4 kg/t。

圖 1 階段空場采礦方法示意圖Fig. 1 Schematic diagram of stage empty mining method

由于一步回采時對邊幫并未實施有效的控制爆破技術(shù)，僅降低單孔裝藥量，導(dǎo)致邊幫參差不齊，超挖現(xiàn)象明顯，嚴(yán)重影響二步回采時爆破工作的實施，同時二步回采時又有大量充填體崩落，造成礦石的大量貧化。目前礦山為了進(jìn)一步降低采切工程量，提高回采效率，將新中段高度由60 m提高到90 m，隨采場高度的增加，一步礦房回采時的原巖礦柱穩(wěn)固性進(jìn)一步削弱，為保證采場作業(yè)安全，降低礦石損失與貧化，提高原巖邊幫的完整程度，應(yīng)對邊幫實施有效的控制爆破技術(shù)，采用傳統(tǒng)的方法獲得爆破參數(shù)不足以解決礦山現(xiàn)有的實際問題，必須通過理論分析并開展爆破工業(yè)試驗研究，獲得適合張莊鐵礦的邊幫控制爆破方式及相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。

2 控制爆破方式及參數(shù)分析

2.1 控制爆破方式選擇

一步回采時深孔爆破主要控制對象為原巖邊幫，確保爆破后原巖邊幫的完整性，為采場充填和二步回采提供良好的邊幫控制條件，減少充填體不規(guī)則形狀的產(chǎn)生現(xiàn)象，進(jìn)而削弱充填體因自身形狀產(chǎn)生垮落現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)一步降低貧化率，故可在原巖邊幫處實施的控制爆破技術(shù)主要有預(yù)裂爆破和光面爆破兩種，兩者的主要技術(shù)區(qū)別是與主爆孔的起爆順序不同[10,11]。

由于，前期進(jìn)行預(yù)裂爆破探索性試驗結(jié)果表明，受地質(zhì)結(jié)構(gòu)弱面和大藥量主爆區(qū)爆破共同影響，不同孔間距和不同線裝藥密度下預(yù)裂爆破均無法取得較好的爆破效果，因此考慮試驗采用光面爆破技術(shù)對一步回采原巖高邊幫的完整性進(jìn)行控制。

2.2 控制爆破參數(shù)分析

考慮到礦山目前采用的鉆機型號和鉆孔深度，鉆進(jìn)165 mm孔徑時的孔偏斜率較低，因此定型孔徑165 mm；同時考慮到鉆孔施工方便和采場實際寬度限制，主爆孔參數(shù)已定型，故光爆孔距邊幫0.5 m，距主爆孔2 m，根據(jù)經(jīng)驗光面爆破的不耦合系數(shù)一般在2～3為宜[12,13]，故采用70 mm藥卷乳化炸藥進(jìn)行裝藥[14]，不耦合系數(shù)2.36。

因此，需要通過爆破試驗確定的參數(shù)主要是炮孔間距和線裝藥密度，兩者成正比關(guān)系，而一般情況下光面爆破需采用藥串間隔裝藥方式，為了簡化試驗方案與過程，可先固定其中一個參數(shù)，探尋合理的另一參數(shù)。相比于線裝藥密度，孔間距是較為容易固定的參數(shù)，為方便鉆孔施工，可按1/2主爆孔排距施工光爆孔，其值為1.5 m，同時70 mm藥卷乳化炸藥單長0.5 m，單重2 kg，最大線裝藥密度為連續(xù)裝藥時的4 kg/m。因此，可據(jù)此下調(diào)裝藥量，試驗合理的線裝藥密度[15-17]。

3 爆破工業(yè)試驗過程及結(jié)果

3.1 光面爆破試驗設(shè)計

在張莊礦705采場試驗光面爆破，分別按70 mm藥卷間隔10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm 、70 cm和80 cm 進(jìn)行裝藥爆破試驗，炮孔布置及編號規(guī)則見圖2。由于光面爆破需與主爆孔同次毫秒微差起爆(微差間隔時間大于50 ms)，而礦山主爆孔設(shè)計采用兩梯段爆破方式(見圖3)，故炮孔單長50 m，梯段爆破高度25 m，每次爆破2排8個主爆孔和8個光爆孔，每組參數(shù)爆破4次，具體單次爆破參數(shù)見表1?？變?nèi)全長敷設(shè)導(dǎo)爆索，單側(cè)4個光爆孔同段起爆，孔網(wǎng)參數(shù)及起爆順序見圖4?？椎着c孔口均進(jìn)行堵塞，孔口堵塞長度3 m，孔底堵塞長度1 m。

表 1 單次試驗爆破參數(shù)Table 1 Upper trapezoidal hole arrangement and initiation network

圖 2 光面爆破工業(yè)試驗炮孔布置(單位：m)Fig. 2 Layout of blasting holes for smooth blasting industrial test(unit：m)

圖 3 兩梯段爆破示意圖(單位：m)Fig. 3 Schematic diagram of two-bench blasting(unit:m)

圖 4 光面爆破孔網(wǎng)參數(shù)及起爆順序(單位：m)Fig. 4 Parameters and initiation sequence of smooth blasting (unit：m)

3.2 光面爆破試驗過程

整個采場的所有炮孔按設(shè)計參數(shù)全部施工完畢并完成切割槽爆破后，對炮孔進(jìn)行孔深和偏斜率測定，滿足要求后進(jìn)行本次爆破試驗。按不同線裝藥密度共進(jìn)行了8組試驗，首先在切割槽北側(cè)的兩側(cè)邊幫處分別按藥卷間隔30 cm和60 cm進(jìn)行裝藥爆破，再在切割槽南側(cè)的兩側(cè)邊幫處分別按藥卷間隔40 cm和50 cm進(jìn)行裝藥爆破，觀察爆破效果后再決定其他區(qū)域的爆破參數(shù)。

(1)裝藥

由于在進(jìn)行深孔爆破時，采場底部的“V”型嵌溝已通過中深孔爆破施工完成，故每個炮孔底部處于臨空狀態(tài)，裝藥時需先將自制混凝土托盤利用鐵絲懸吊放入孔底，再利用礦渣進(jìn)行孔底堵塞，見圖5和圖6。所有炮孔底部堵塞完成后，先進(jìn)行主爆孔裝藥工作，采用140 mm藥卷間隔裝藥，間隔器采用1.2 m長竹筒，同時進(jìn)行光面爆破藥串制作，按設(shè)計藥卷間隔距離將炸藥捆綁在導(dǎo)爆索和鐵絲上，在孔口處利用短鋼筋和竹筒拉緊鐵絲進(jìn)行懸吊，防止導(dǎo)爆索手拉破壞，同時導(dǎo)爆索適當(dāng)增加長度便于捆綁起爆雷管，見圖7。當(dāng)光爆孔的單孔裝藥量超過25 kg時，人工裝藥較為困難，可分兩段裝藥，每段單獨敷設(shè)導(dǎo)爆索并用鐵絲懸吊[18]。所有炮孔裝藥完成后進(jìn)行孔口堵塞工作，方式與孔底堵塞一致，先下放混凝土托盤，再填入礦渣。

圖 5 光爆孔與主爆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of charge structure for smooth blasting hole and main blasting hole

圖 6 自制混凝土托盤Fig. 6 Self-made concrete pallet

(2)連網(wǎng)

裝藥完成后由民爆公司組織爆破工程技術(shù)人員按設(shè)計段位將兩發(fā)導(dǎo)爆管雷管深入孔口內(nèi)20 cm捆綁在導(dǎo)爆索上，再封口堵塞，最后將導(dǎo)爆管雷管采用簇連方式連接至與主爆孔起爆網(wǎng)絡(luò)，共同組網(wǎng)起爆。

(3)爆后檢查

試驗區(qū)域爆破完成后隔班進(jìn)行爆破檢查，觀察爆破效果，將信息反饋于試驗技術(shù)人員，并進(jìn)行下次爆破試驗的爆破參數(shù)修正。

3.3 光面爆破試驗結(jié)果

(1)第一組爆破試驗

本組爆破試驗在切割槽北部G1區(qū)域進(jìn)行30 cm間隔距離裝藥，G2區(qū)域進(jìn)行60 cm藥卷間隔距離裝藥，爆破后G1區(qū)域邊幫有一定超挖，G2區(qū)域邊幫有起伏性超欠挖現(xiàn)象。

(2)第二組爆破試驗

本組爆破試驗在切割槽南部G1區(qū)域進(jìn)行40 cm間隔距離裝藥，G2區(qū)域進(jìn)行50 cm藥卷間隔距離裝藥，爆破后兩側(cè)邊幫均較為平整。

(3)第三組爆破試驗

本組爆破試驗在北部G1區(qū)域進(jìn)行20 cm間隔距離裝藥，G2區(qū)域進(jìn)行40 cm藥卷間隔距離裝藥，G1區(qū)域邊幫超挖現(xiàn)象更為明顯，而G2區(qū)域邊幫出現(xiàn)了超挖現(xiàn)象，由此判斷無需進(jìn)行10 cm間隔距離裝藥試驗，合理的裝藥間距應(yīng)在30 cm以上。

(4)第四組爆破試驗

本組爆破試驗在南部G1區(qū)域進(jìn)行40 cm間隔距離裝藥，G2區(qū)域進(jìn)行60 cm藥卷間隔距離裝藥，G1區(qū)域仍存在一定超挖現(xiàn)象，而G2區(qū)域則出現(xiàn)了少量欠挖現(xiàn)象。

(5)第五組爆破試驗

本組爆破試驗繼續(xù)在南部G1區(qū)域進(jìn)行30 cm間隔距離裝藥，G2區(qū)域進(jìn)行70 cm藥卷間隔距離裝藥，G1區(qū)域相比于第一組試驗超挖現(xiàn)象也愈發(fā)明顯，而G2則出現(xiàn)明顯的欠挖現(xiàn)象，由此可推斷，按70 mm藥卷裝藥的光面爆破合理的裝藥間隔距離應(yīng)在40～60 cm之間，線裝藥密度2.4～1.6 kg/m，間隔距離80 cm的試驗方案則不再進(jìn)行。

(6)第六組爆破試驗

由于主爆孔采用140 mm藥卷裝藥，為簡化裝藥，降低難度，在北側(cè)加做140 mm藥卷(G1區(qū)域)和70 mm藥卷(G2區(qū)域)對比試驗，均按線裝藥密度2.0 kg/m進(jìn)行裝藥，爆破后發(fā)現(xiàn)，70 mm藥卷裝藥區(qū)域邊幫較為平整，而140 mm藥卷裝藥區(qū)域雖具有相同的線裝藥密度，但超挖現(xiàn)象也較為明顯，見圖8。由此可判定140 mm藥卷不適合張莊礦對邊幫進(jìn)行光面控制爆破的要求。

(7)試驗總結(jié)

每次下部25 m第一梯段爆破后對上部剩余炮孔進(jìn)行了復(fù)測，復(fù)測結(jié)果顯示：炮孔完整程度較好，不影響上部25 m炮孔第一梯段爆破時的裝藥工作；孔深基本維持在25 m左右，個別炮孔存在后帶現(xiàn)象，但孔深均超過22 m，整體爆破控制效果較好，降低了由于后帶現(xiàn)象導(dǎo)致大塊率產(chǎn)生的可能性。

每次爆破后的出礦過程中對出礦塊度進(jìn)行觀察，礦石整體較均勻，平均塊度為300 mm，經(jīng)統(tǒng)計大塊率低于8%，較試驗之前的15%顯著降低，見圖9所示。另外，整個采場出礦完成后進(jìn)行三維掃描，掃描結(jié)果顯示按70 mm藥卷裝藥，間隔距離50 cm的爆破區(qū)域光面爆破效果最好，整體邊幫輪廓線與設(shè)計值相差較小，見圖10。故可推斷在邊幫處采用70 mm藥卷裝藥的光面控制爆破技術(shù)后，大塊率沒有增加，控制爆破效果較好，減少了超挖現(xiàn)象引起的大塊礦石自然垮落。因此，可確定1.5 m孔間距時，張莊礦合理的光面爆破線裝藥密度為2.0 kg/m。

圖 8 光面爆破后效果圖Fig. 8 Smooth blasting effect

圖 9 試驗前后爆破塊度對比圖Fig. 9 Contrast diagram of blasting fragmentation before and after test

圖 10 空區(qū)掃描結(jié)果圖Fig. 10 Empty area scanning result

4 結(jié)語

通過多組光面爆破試驗并分析爆破試驗結(jié)果，針對在張莊鐵礦巖石硬度大的孔深高的特點，一步回采時對高邊幫實施光面控制爆破技術(shù)可有效控制主爆破對邊幫的損傷，提高邊幫的完整性程度，同時采用165 mm孔徑、70 mm裝藥直徑、1.5 m孔間距、2 kg/m線裝藥密度是較為合理的光面爆破參數(shù)，該技術(shù)在其他采場進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。所總結(jié)的爆破施工技術(shù)經(jīng)驗及主要參數(shù)可為類似礦山提供借鑒。