劉占全 王德勝 崔 鳳 徐曉東 郭建新 趙 宇

(1.包鋼鋼聯(lián)巴潤(rùn)礦業(yè)分公司,內(nèi)蒙古 包頭 014080;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

金屬露天礦山開采常面臨礦體和巖體混合的爆破條件,一個(gè)爆區(qū)中常有規(guī)模不等的夾巖或巖體中含有一定規(guī)模的小礦體,爆破過程中不可避免地造成破碎礦石和巖石相互混合,破碎礦石混入巖石中將造成礦石損失,而破碎巖石混入到礦石中會(huì)造成礦石貧化。因此在礦(巖)體混合爆區(qū)內(nèi)一次爆破實(shí)現(xiàn)礦石和巖石的有效分離一直是金屬礦山爆破作業(yè)的技術(shù)難點(diǎn)。文獻(xiàn)[1-2]提出了在礦(巖)體混合爆區(qū)的礦(巖)體中部先行起爆,以該起爆點(diǎn)為中心設(shè)計(jì)環(huán)繞中心起爆點(diǎn)的等時(shí)線起爆方式,實(shí)現(xiàn)破碎的礦(巖)石向其起爆中心堆聚,使礦石和巖石分別堆積;但在爆區(qū)內(nèi)礦(巖)體中心無(wú)輔助自由面的條件下,該起爆方式難以保證礦巖破碎效果以及爆堆松散效果,導(dǎo)致電鏟鏟裝困難,因而難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用;文獻(xiàn)[3-4]是中心堆積法在不同礦山的應(yīng)用嘗試。李順波等[5]提出了在礦巖交界處對(duì)孔組100 ms延時(shí)起爆實(shí)現(xiàn)邊界分離的方法,其余炮孔實(shí)施逐孔起爆,這種方法對(duì)于礦巖混合的簡(jiǎn)單爆區(qū)分離效果較明顯,但對(duì)爆區(qū)內(nèi)其余礦石與巖石的有序堆積考慮較少,針對(duì)礦巖混合復(fù)雜爆區(qū)的礦石與巖石有效分離的技術(shù)單一。

現(xiàn)階段,礦巖混合爆區(qū)一次爆破實(shí)現(xiàn)礦石和巖石有效分離是精準(zhǔn)爆破的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前對(duì)于礦巖混合復(fù)雜爆區(qū)的爆破高效分離作用原理、設(shè)計(jì)原則和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的確定尚不明確。本研究針對(duì)巴潤(rùn)礦爆區(qū)中多礦種、眾礦體、巖種復(fù)雜共生,爆區(qū)立剖面和平面圖上礦(巖)體復(fù)雜共存的現(xiàn)象,提出了跨礦巖交界對(duì)孔組有序起爆的多面臨空拋擲分離+礦(巖)體前排孔中部多零點(diǎn)“V”型起爆相結(jié)合的爆破分離技術(shù)方案,通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合確定分離爆破關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),實(shí)現(xiàn)一次爆破礦石和巖石高效分離、有序堆積,提高礦巖混合復(fù)雜爆區(qū)的礦石回收率,降低礦石貧化率,推動(dòng)復(fù)雜礦床精細(xì)開采技術(shù)發(fā)展。

1 礦巖混合爆區(qū)分離爆破技術(shù)難點(diǎn)

復(fù)雜礦巖混合爆區(qū)內(nèi)礦體和巖體的分布形式多樣,大致可以分為3類:①礦(巖)體在露天臺(tái)階立剖面上呈上下分布的似層狀結(jié)構(gòu),這類礦巖分布適合用礦(巖)體的分層穿孔、分層爆破或在礦巖分界層面上實(shí)施分段間隔裝藥爆破技術(shù)進(jìn)行分離;②礦體或巖體在全臺(tái)階立剖面上分布,礦(巖)體獨(dú)立,且具有一定規(guī)模,礦(巖)體在爆區(qū)平面圖上有較規(guī)整、明顯的邊界;③礦(巖)體在臺(tái)階立剖面上全分布,但礦體中局部有夾巖、巖體中嵌有小礦體或礦石品位隨位置不同有差別,需跟據(jù)鉆孔取樣化驗(yàn)結(jié)果確定礦石實(shí)際開采截止邊界范圍。

礦(巖)體混合爆區(qū)高效爆破分離的技術(shù)難點(diǎn)為:①礦巖混合的賦存特性和傳統(tǒng)臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)由臺(tái)階坡面逐排或逐孔起爆拋擲的設(shè)計(jì)原則,使得破碎礦石和巖石不可避免地在爆堆中混合;②相近的礦(巖)石物性和顏色使爆堆中的礦石和巖石目視難以辨認(rèn),實(shí)際出礦過程中的電鏟前取樣化驗(yàn)結(jié)果又嚴(yán)重滯后,無(wú)法對(duì)混合爆堆的精準(zhǔn)出礦提供實(shí)時(shí)技術(shù)指導(dǎo);③似層狀分布礦巖的分層穿孔、分層爆破的施工組織和相應(yīng)鏟裝、運(yùn)輸組織繁瑣,實(shí)際應(yīng)用較困難。為此,本研究針對(duì)金屬礦露天臺(tái)階爆破常見的后兩類礦巖混合爆區(qū)的一次爆破實(shí)現(xiàn)礦巖高效分離、有序堆積的技術(shù)方法進(jìn)行探討,提出如下技術(shù)措施:

(1)礦(巖)體邊界分離爆破技術(shù)?；谧钚〉挚咕€拋擲原理,在跨礦巖邊界同排炮孔中,先同時(shí)起爆毗鄰跨邊界的2個(gè)炮孔,創(chuàng)造兩側(cè)自由面加前排坡面的多自由面條件;然后經(jīng)過長(zhǎng)延時(shí)后同時(shí)起爆跨礦巖分界的2個(gè)炮孔,理論上可以實(shí)現(xiàn)兩孔中間(礦巖交界)的雙側(cè)拋擲和向前拋擲堆聚的目標(biāo),多排礦巖交界處的炮孔有機(jī)協(xié)同作用將形成沿著礦巖邊界的清晰分離溝槽效應(yīng),實(shí)現(xiàn)規(guī)模礦(巖)體的邊界爆破高效分離。

(2)礦巖相互包圍(礦體夾巖或巖體夾礦)的分離爆破技術(shù)。在礦巖相互包圍(嵌入)的爆區(qū),選擇礦(巖)體的似中心部位炮孔作為起爆點(diǎn),以該起爆點(diǎn)為幾何中心,以中心炮孔作為起爆零點(diǎn),設(shè)計(jì)周圍炮孔向該中心起爆點(diǎn)的等時(shí)線毫秒延時(shí)起爆方式,實(shí)現(xiàn)周圍炮孔起爆后向礦(巖)體中心區(qū)域堆聚。

(3)礦(巖)石混合爆堆的無(wú)線射頻指示高效鏟裝技術(shù)。在礦巖邊界炮孔中埋設(shè)無(wú)線射頻BMM信標(biāo),安裝在電鏟上的接收器根據(jù)接收爆堆中BMM信標(biāo)發(fā)出的無(wú)線射頻信號(hào),在夜間等不利條件下按照礦(巖)石的實(shí)際堆積邊界挖掘裝車,解決白天目視難辨礦物或夜間不易辨識(shí)礦(巖)石爆堆的精準(zhǔn)鏟裝難題,提高混合爆堆鏟裝過程中的礦石回收率,降低礦石貧化率。

2 礦巖爆破分離原理

本研究礦巖分離爆破原理可描述為:在跨越礦巖邊界的同排炮孔中,首先起爆毗鄰跨越交界兩側(cè)炮孔的2個(gè)炮孔,這2個(gè)炮孔先起爆后,為跨越交界的2個(gè)炮孔創(chuàng)造兩側(cè)+前排的多面臨空條件;然后經(jīng)過長(zhǎng)延時(shí)后同時(shí)起爆跨越礦巖分界的2個(gè)炮孔,邊界兩側(cè)的礦巖可實(shí)現(xiàn)各自漏斗側(cè)向拋擲分離,在礦巖交界處既形成清晰分離的溝槽,又向前排最小抵抗線方向順序拋擲堆積(圖1)。

圖1 臺(tái)階爆破PFC3D計(jì)算模型Fig.1 PFC3D calculation model of bench blasting

2.1 臺(tái)階爆破模型構(gòu)建

依據(jù)巴潤(rùn)礦現(xiàn)場(chǎng)條件,臺(tái)階高度14.0 m,取模型高21.0m,底部長(zhǎng)36.0m、寬23.0m(圖1)。炮孔直徑310 mm,超深2.0 m,前排底盤抵抗線11.0 m,巖石部位孔間距10.0 m,礦石部位孔間距8.0 m,排間距均為6.0 m,炮孔堵塞長(zhǎng)度6.0～6.5 m,炮孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。

2.2 礦(巖)石物理力學(xué)特性

本研究模型的巖體以白云巖為主,礦石為磁鐵礦,取樣實(shí)測(cè)其物理力學(xué)參數(shù)后,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定礦(巖)體中的節(jié)理、裂隙分布特性,按照霍克—布朗公式修正試驗(yàn)測(cè)定的技術(shù)參數(shù)后獲得的礦(巖)體物理力學(xué)參數(shù)見表1。炮孔裝藥用現(xiàn)場(chǎng)混裝多孔粒狀銨油炸藥,連續(xù)耦合裝藥結(jié)構(gòu),銨油炸藥性能參數(shù)見表2。

表1 礦(巖)體的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of ore(rock)body

表2 銨油炸藥性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of ammonium oil explosives

2.3 臺(tái)階爆破分離模擬結(jié)果分析

礦巖混合爆區(qū)爆破分離的拋擲堆積效果如圖2所示。

圖2 臺(tái)階爆破礦巖分離及堆積效果模擬Fig.2 Simulation of effect of ore and rock separation and accumulation during bench blasting

數(shù)值模擬結(jié)果表明:在跨越礦巖邊界的同排炮孔中先行起爆毗鄰跨越交界兩側(cè)炮孔的1組炮孔,在Δt=110 ms延時(shí)后再同時(shí)起爆跨越礦巖交界兩側(cè)的1組炮孔,爆破后破碎礦(巖)塊的爆堆在其交界處既能形成明顯的溝槽,又各自以設(shè)計(jì)的堆積中心有序堆聚,可實(shí)現(xiàn)礦巖高效分離堆積。

對(duì)巴潤(rùn)礦的不同礦(巖)體組合(板巖、白云巖和云母閃長(zhǎng)巖與磁鐵礦混合的爆區(qū))進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:在礦巖交界部位對(duì)孔組延時(shí)Δt=110～120 ms起爆可以形成邊界處清晰爆破分離;礦(巖)石堅(jiān)硬,對(duì)孔組間的起爆延時(shí)取小值,反之,延期時(shí)間取大值。

3 爆破分離方案設(shè)計(jì)

3.1 爆區(qū)礦巖分布

從臺(tái)階(高度14 m)坡面上觀察試驗(yàn)爆區(qū)的礦(巖)體為立剖面全分布,礦巖空間形態(tài)較復(fù)雜,呈現(xiàn)礦巖互相嵌入狀態(tài)。爆區(qū)內(nèi)主要有白云巖、稀土礦、磁鐵混合礦、含鐵石英巖、板巖等,屬于典型的多礦種、眾礦體、礦巖性質(zhì)差異大的復(fù)雜爆區(qū)(圖3)。對(duì)鉆孔的巖粉取樣化驗(yàn),測(cè)定了礦石的地質(zhì)品位,以此為基礎(chǔ)圈定了礦(巖)體的實(shí)際邊界。鐵礦石和高品位含鐵石英巖直接開采后進(jìn)入選礦流程,稀土礦運(yùn)出采場(chǎng)堆存。

圖3 礦巖混合爆區(qū)精準(zhǔn)起爆時(shí)間和炮孔拋擲方向設(shè)計(jì)(單位:m s)Fig.3 Design of precise initiation time and blasthole cast in mixed blasting zone of ore and rock

3.2 爆破分離方案設(shè)計(jì)

依據(jù)爆區(qū)內(nèi)多礦種、礦(巖)體復(fù)雜共存的實(shí)際條件,本研究設(shè)計(jì)的爆破分離方案為:采用巖石部位炮孔減弱裝藥、礦石部位炮孔加強(qiáng)裝藥;緊鄰跨越邊界的同排2炮孔先起爆,跨越礦(巖)分界線兩側(cè)的炮孔延時(shí)110 ms后同時(shí)起爆,其余炮孔按照“V”型精準(zhǔn)逐孔起爆設(shè)計(jì);礦巖交界的炮孔排間采用200 ms長(zhǎng)延時(shí)起爆技術(shù),具體技術(shù)措施如下。

(1)炮孔布置及裝藥。高品位混合磁鐵礦硬度大、韌性強(qiáng),故本研究裝填密度較高的乳化炸藥,便于克服孔內(nèi)1.0～4.0 m的滲水;白云巖雖然硬度較大,但可爆性好,無(wú)水炮孔裝填現(xiàn)場(chǎng)混制銨油炸藥,最后一排炮孔、礦體后的巖石炮孔采用減弱裝藥。礦石部位采用6.0m×8.0m孔網(wǎng)布置(圖3),巖石部位采用6.0 m×10.0 m孔網(wǎng)布置,炮孔超深2.0 m,炮孔均采用連續(xù)耦合裝藥方式。礦石炮孔堵塞5.5～6.0m,巖石孔堵塞6.5～7.0 m,第一排、最后一排孔和礦體后的巖石炮孔堵塞7.5～8.0 m。設(shè)計(jì)礦體部位平均單耗為1.20 kg/m3,巖石部位炸藥單耗為0.85 kg/m3。

(2)電子雷管精準(zhǔn)延時(shí)起爆。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦(巖)體的縱波傳播速度測(cè)定結(jié)果及類似礦山臺(tái)階爆破巖體的高速攝影觀測(cè)資料[6],孔間延時(shí)取25 ms;依據(jù)本研究數(shù)值模擬及已有成果[7-12],礦巖分界線兩側(cè)雙炮孔同時(shí)起爆,炮孔組間延時(shí) 110 ms,排間延期65 ms,礦體與巖體炮孔前后排間延時(shí)200 ms。

(3)起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)。爆區(qū)東端的巖石區(qū)中部設(shè)1個(gè)起爆點(diǎn),采用“V”型起爆使巖石中部堆積;中部礦石中有3.0～6.0 m寬的夾巖無(wú)法剔除,按照礦石品位及質(zhì)量百分比計(jì)算,夾巖混入礦石中將使礦石的出礦品位降低1.6%,不影響爆區(qū)整體出礦品位≥23%的設(shè)計(jì)目標(biāo),故爆區(qū)中部設(shè)計(jì)另一個(gè)“V”型起爆向其中部堆聚[13-14];西端的稀土白云巖也采用“V”型起爆使其向中心部位堆積,爆后鏟裝運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢枚汛?。全爆區(qū)采用電子雷管精準(zhǔn)延時(shí)起爆,各炮孔起爆雷管并聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò),炮孔起爆時(shí)刻、等時(shí)線及炮孔拋擲方向如圖3所示。

4 礦巖爆破分離效果

4.1 臺(tái)階爆破的堆積效果

爆堆顯示礦巖破碎均勻,表面無(wú)不合格大塊,如圖4所示。

圖4 礦巖混合爆堆分離深凹溝槽實(shí)況Fig.4 Actual situation of separation trench of mixed blasting pile of ore and rock

按設(shè)計(jì)規(guī)劃爆堆在礦巖交界處實(shí)現(xiàn)了預(yù)期拋擲分離,形成了明顯的深凹溝槽,方便電鏟司機(jī)在鏟裝過程中直觀辨識(shí)礦巖?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)形成的溝槽深度為3.5～4.0 m,便于控制出礦過程中礦石和巖石滾動(dòng)互混,為降低礦石貧化率創(chuàng)造了有利條件。

用手持式GPS對(duì)爆堆進(jìn)行測(cè)量,按照1∶50比例繪制的爆堆實(shí)測(cè)等高線如圖5所示。圖5清晰顯示礦石沿著設(shè)計(jì)的等時(shí)線垂直方向拋擲堆聚,礦(巖)石按設(shè)計(jì)的輪廓向各自的中心堆積分離,交界處形成了明顯的溝槽;前后排的礦(巖)石堆聚也顯現(xiàn)出沿爆堆走向的溝槽。通過無(wú)人機(jī)對(duì)爆堆進(jìn)行了三維觀測(cè),結(jié)果見圖6。

圖5 礦巖混合爆堆實(shí)測(cè)等高線Fig.5 Contour of actual measurement of ore-rock mixed blasting pile

圖6中清晰地顯示礦巖邊界的分離溝槽,礦石有序堆聚,巖石和礦石的前后分堆效果明顯;被爆礦巖的破碎效果較好,爆堆松散,表面可見2個(gè)不合格大塊,其余破碎較均勻。經(jīng)過對(duì)電鏟挖掘作業(yè)跟蹤觀測(cè)和統(tǒng)計(jì),不合格大塊率為0.23%,無(wú)根底、巖墻等不良破碎現(xiàn)象。

圖6 礦巖混合爆堆鳥瞰圖Fig.6 Aerial view of mixed blasting pile of ore and rock

4.2 電鏟出礦觀測(cè)及礦石貧化效果

電鏟出礦作業(yè)多用條帶挖掘方式,礦巖混合爆堆在礦石與巖石交界處,松散礦巖以自然安息角堆積坡度向已挖出的空間攤散,將不可避免地造成礦石損失或貧化[15]。試驗(yàn)采用先挖裝巖石,后挖裝礦石的爆堆縱深挖掘作業(yè)方式出礦,使礦巖的界面混入率[16-17]降低了20%左右。

實(shí)際出礦過程中,利用汽車運(yùn)輸靈活的特點(diǎn),將傳統(tǒng)的條帶式出礦改為沿礦巖分界溝槽縱深鏟裝方式,將礦石周邊巖石沿爆堆厚度方向先行鏟裝完畢,再鏟裝礦石。對(duì)爆堆挖掘過程進(jìn)行了全程跟蹤測(cè)定,對(duì)出礦電鏟前礦石進(jìn)行取樣,獲取鏟出礦石的實(shí)際品位,并記錄出礦量。出礦統(tǒng)計(jì)顯示:礦巖復(fù)雜混合試驗(yàn)爆區(qū)的礦石地質(zhì)品位為30.56%,實(shí)際平均出礦品位為30.14%,爆破分離技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)際貧化率為1.83%,根據(jù)《國(guó)土資源部關(guān)于鐵、銅、鉛、鋅、稀土、鉀鹽和螢石等礦產(chǎn)資源合理開發(fā)利用‘三率’最低指標(biāo)要求(試行)的公告》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),巴潤(rùn)礦爆破分離的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到一類礦山礦石貧化損失的管理標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在巴潤(rùn)礦的東、西兩采場(chǎng)分別進(jìn)行了礦巖混合爆破分離現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),部分試驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)結(jié)果表明:①精準(zhǔn)逐孔起爆、多點(diǎn)“V”型起爆和跨礦巖邊界的長(zhǎng)延時(shí)對(duì)孔起爆技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)礦(巖)石有序堆積和礦巖清晰分離;②在其他技術(shù)參數(shù)不變的條件下,以礦(巖)體中部為核心的多“V”型起爆方式組合,使相鄰邊界形成更深、更寬的分離溝槽;③巴潤(rùn)礦φ310mm大直徑深孔臺(tái)階爆破跨礦巖分界的成對(duì)炮孔組間延時(shí)110～120 ms時(shí)起爆,可以取得明顯的礦巖分離效果。

表3 礦巖混合爆區(qū)爆破分離部分試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Part of the test results of blasting separation in ore-rock mixed blasting zone

5 結(jié) 論

(1)金屬礦山礦巖復(fù)雜混合爆區(qū)中,根據(jù)鉆孔巖粉取樣準(zhǔn)確劃分礦巖邊界,采用爆破有序拋擲、分離技術(shù)和無(wú)限信標(biāo)指引的挖裝技術(shù),有助于解決傳統(tǒng)露天爆破礦石損失率和貧化率高的難題,為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜礦床高效低成本開采提供了一種新方法。

(2)在礦巖復(fù)雜混合爆區(qū)中,通過實(shí)施跨礦巖交界的對(duì)孔有序長(zhǎng)延時(shí)起爆和不同礦(巖)體多點(diǎn)“V”型協(xié)同起爆技術(shù),實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜混合爆區(qū)一次爆破精準(zhǔn)分離礦石與巖石的目標(biāo),為實(shí)現(xiàn)露天礦復(fù)雜礦巖混合爆區(qū)準(zhǔn)細(xì)開采提供了參考。

(3)巴潤(rùn)礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明,基于礦(巖)體中心部位的起爆等時(shí)線垂向拋擲和跨礦巖分界線的大延時(shí)對(duì)孔同時(shí)起爆多自由面拋擲技術(shù)及其與之匹配的起爆設(shè)計(jì),對(duì)孔組間延時(shí)110～120 ms可形成礦巖交界清晰的分離溝槽。

(4)汽車運(yùn)輸方式下,沿礦巖分離溝槽的爆堆縱向挖掘出礦方式及爆破分離形成的深凹溝槽減少了礦巖交界處散體的攤堆距離,減少了礦巖互混,復(fù)雜礦巖混合爆區(qū)礦石貧化率≦2%,對(duì)于降低礦山綜合開采成本具有積極意義。

(5)準(zhǔn)確圈定礦巖復(fù)雜混合爆區(qū)的礦巖邊界對(duì)于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分離爆破具有重要意義,進(jìn)一步開發(fā)智能隨鉆技術(shù),在穿孔過程中實(shí)時(shí)提取礦巖的物理力學(xué)特性參數(shù)、實(shí)時(shí)分析礦物組分和含量是解決目前鉆孔取樣工作量大、化驗(yàn)結(jié)果滯后等問題的有效方法。