王 昌,張圓堂,姚 達,朱建軍,黃 丹

(1.山西華興鋁業(yè)有限公司, 山西 呂梁 033000;2.中國鋁業(yè)股份有限公司, 北京 100082;3.北京礦冶研究總院, 北京 100160)

山西省呂梁地下鋁土礦山為緩傾斜薄礦體,礦體平均厚度1.85 m,鋁土礦普式系數(shù)為13～15,礦體直接頂板為黏土巖、硬質耐火黏土礦,存在礦體硬頂板軟特點。井下采礦過程中在斷面尺寸3 m×2.5 m采用鉆爆法利用YT28氣腿式鑿巖機進行采礦,在布孔形式上采用楔形掏槽工藝[1-3]崩落礦石。由于礦體節(jié)理較發(fā)育,斜孔掏槽雖然破巖作用較好,但實際生產(chǎn)中,斜孔掏槽鉆孔的角度在空間上難以掌握;炮孔深度受巷道掘進寬度或高度的限制,因而影響到每個掘進循環(huán)的進尺;掏槽參數(shù)與巷道斷面和炮孔深度有關;爆堆分散,巖石拋擲距離較大,易打壞設備,且影響裝巖效率。以山西省呂梁市某地下鋁土礦區(qū)為例,優(yōu)化爆破工藝采用直眼掏槽[4]替代傳統(tǒng)楔形掏槽爆破技術進行研究。

1 破碎鋁土礦可爆性分級

應用信息熵法[5-6]確定指標權重,得到礦石可爆性分級評價指標權重為: 〔0.149 0.185 0.180 0.144 0.183 0.159〕。計算過程如下:

=0.679

(1)

=0.841

(2)

=0.816

(3)

=0.654

(4)

=0.833

(5)

=0.721

(6)

V=V1+V2+V3+V4+V5+V6=4.544

(7)

W1=V1/V=0.679/4.544=0.149

(8)

W2=V2/V=0.841/4.544=0.185

(9)

W3=V3/V=0.816/4.544=0.180

(10)

W4=V4/V=0.654/4.544=0.144

(11)

W5=V5/V=0.833/4.544=0.183

(12)

W6=V6/V=0.721/4.544=0.159

(13)

利用上述計算方式,得出巖體可爆性分級的多指標綜合測度評價向量:

μ1=〔0.0865 0.0575 0.2792 0.5223 0.0545 0 0〕

取置信度λ=0.5,得知鋁土礦的可爆性等級為Ⅳ級,可爆性為中等類型。

2 現(xiàn)場爆破工藝情況

井下鋁土礦采用常規(guī)楔形掏槽進行爆破作業(yè),斷面布置30個孔,釬桿長度2 m,孔深1.8 m現(xiàn)有爆破效率1.5 m/進尺,炸藥消耗約24 kg,同樣炸藥單耗0.73 kg/t礦;圖中波浪線以下漸變?yōu)榈V體底板,過渡明顯,底板軟弱破碎,礦體底板也還有品位,但A/S較低;標示線以上,礦體節(jié)理裂隙發(fā)育。掌子面巖體質量差,不利于破巖,在利用楔形掏槽時,爆破效果不佳。

圖1 爆破試驗掌子面

3 爆破參數(shù)優(yōu)化設計與控制爆破技術

3.1 掏槽爆破

巷道掘進爆破效果取決于掏槽爆破的效果,掏槽孔的炮孔利用率決定了巷道掘進的炮孔利用率。因此,合理選擇掏槽方式及其爆破參數(shù),使巖石完全破碎以形成潔凈的槽腔,是決定巷道爆破效果的關鍵。

掏槽方式的選擇,主要決定于巷道斷面、巖石性質、巖層地質條件和循環(huán)進尺要求等因素。掏槽方式按掏槽孔的方向可分為斜孔掏槽、直孔掏槽和兩者相結合的混合掏槽。斜孔掏槽雖然破巖作用較好,但實際生產(chǎn)中,斜孔掏槽鉆孔的角度在空間上難以掌握;炮孔深度受巷道掘進寬度或高度的限制,因而影響到每個掘進循環(huán)的進尺;掏槽參數(shù)與巷道斷面和炮孔深度有關;爆堆分散,巖石拋擲距離較大,易打壞設備,且影響裝巖效率,所以,直孔掏槽應用較為廣泛,但直孔掏槽炮孔數(shù)目較多,炸藥消耗較高,需要對整個爆破斷面孔網(wǎng)參數(shù)進行綜合設計,調(diào)節(jié)爆破效果,降低綜合單耗。

直孔掏槽的特點是所有的掏槽孔均垂直于工作面,且互相平行,空孔為裝藥孔提供自由面和補償空間。直孔掏槽分為龜裂掏槽、桶形掏槽和螺旋掏槽。龜裂掏槽適用于工作面有較軟的夾層或接觸帶相交的情況;桶形掏槽應用廣泛,大、中、小斷面均可采用;螺旋形掏槽適用于較均質巖石,且人工鑿巖布孔隨意性較大,所以原則上擬采用桶形掏槽。

掏槽眼為后續(xù)的破巖提供自由面和補償空間,在滿足要求的前提下,其鑿巖與裝藥應盡量簡單,布孔個數(shù)應盡量縮減,故設計雙空孔型和五星掏槽兩種方案,優(yōu)先選用雙空孔型[7]。

表1 常用桶形掏槽炮孔布置及參數(shù)表

3.2 爆破參數(shù)優(yōu)化

擬采用YT28型氣腿式鑿巖機鑿巖,炮孔直徑均為42 mm。礦區(qū)現(xiàn)場炸藥采用規(guī)格為長度300 mm、直徑32 mm、重300 g的乳化炸藥。

1)炮孔深度

炮孔深度簡稱孔深,是指孔底到工作面的垂直距離,而沿炮孔方向的實際深度叫炮孔長度。孔深的大小不僅影響掘進工序的工作量和完成各工序的時間,而且影響爆破效果和掘進速度,是決定每班掘進循環(huán)次數(shù)的主要因素。

表3 普通型孔徑的炮孔深度參考值

炮孔深度可以按照任務要求或掘進循環(huán)組織,選取不同的經(jīng)驗公式計算;于公式中涉及具體施工組織要求的時間節(jié)點和炮孔數(shù),現(xiàn)初步研究階段無法確定,故根據(jù)上表考慮巖石堅固性系數(shù)(f=9.9)和掘進斷面尺寸確定炮孔深度為1.80 m。

2)單位炸藥消耗量

在實際生產(chǎn)中,應根據(jù)國家定額或工程類比法選取單位炸藥消耗量數(shù)值,通過在工程實踐中不斷加以調(diào)整。下表為巖石堅固性系數(shù)與巷道斷面決定的每米巷道炸藥消耗量經(jīng)驗值。

表4 巷道掘進每米巷道炸藥消耗量經(jīng)驗值

3)抵抗線與炮孔間距

最小抵抗線不僅與炸藥性能和巖石性質相關,還與自由面的大小有關。研究表明:在自由面不受限制條件下,形成標準爆破漏斗的最小抵抗線為W,則在自由面寬度B=2W時,形成的破碎漏斗已經(jīng)接近標準爆破漏斗。自由面的寬度大于2W時,崩落孔的最小抵抗線可參考表5的經(jīng)驗數(shù)值選取。

表5 崩落孔最小抵抗線參考數(shù)值

參考表5,且考慮巖體較為破碎,硝銨炸藥爆力相對較大,確定崩落孔最小抵抗線為0.6 m。

炮孔間距的確定一般是根據(jù)一個掘進循環(huán)所需要的總裝藥量計算出總炮孔數(shù)目后,再按巷道斷面的大小及形狀均勻地布置炮孔。周邊孔距輪廓線的距離選取100 mm;周邊孔孔間距選取700 mm。輔助孔間距為520 mm。

4 炮孔爆破參數(shù)

4.1 炮孔深度

掏槽眼采用釬桿長度為2.2 m,孔深為2 m;輔助眼和周邊眼采用釬桿長度2 m,孔深1.8 m。

4.2 炮孔直徑

淺眼落礦試驗中現(xiàn)場炸藥采用規(guī)格為長300 mm、直徑32 mm、重300 g的乳化炸藥,相應的炮孔直徑為42 mm。

4.3 爆破斷面積

S=D×H

(14)

式中:S為爆破斷面面積,單位為m2;D為掌子面巷道采高,單位為m;H為掌子面巷道寬度,單位為m。

公式(14)中,D=3 m,H=2.5 m,S=3×2.5=7.5m2

4.4 炮孔數(shù)目[8]

(15)

式中:N為掌子面炮孔數(shù)量,單位個;f為巖石堅固性系數(shù),選定6.1;S為掌子面斷面面積,單位m2。

經(jīng)計算炮孔數(shù)目設計為24個,考慮實際布孔情況,現(xiàn)場炮孔數(shù)量調(diào)整為26個。

4.5 炮孔布置方式和起爆順序

在掘進巷道中,設計采用雙空孔超深直眼掏槽方式[9-10]對中心礦體進行拋擲,掏槽眼、輔助眼與周邊眼均采用直眼鑿巖。

掏槽眼2 m(超深),輔助眼和周邊眼長度為1.8m。設計起爆順序、段位情況見圖2。起爆順序依次為1-2-3-4-5,鑿巖爆破參數(shù)情況見表6。

圖2 菱形中心雙空孔超深直眼掏槽設計

空孔和其它炮孔裝藥結構見圖3、圖4。

圖3 空孔裝藥示意圖

圖4 其他炮孔裝藥示意圖

4.6 現(xiàn)場采掘爆破試驗

爆破后實測掘進進尺1.76 m,炮孔利用率97.7%;礦石體重2.8 kg/m3,崩落礦巖量約38.7 t,消耗炸藥78卷23.4 kg,爆破形成輪廓線規(guī)整,無超采欠挖現(xiàn)象。

經(jīng)過爆破試驗檢驗、驗證爆破技術經(jīng)濟指標:

1)3 m×2.5 m小斷面炸藥單耗0.61 kg/t,原小斷面炸藥單耗約0.73 kg/t。

2)采用直眼掏槽較楔形掏槽鑿巖勞動強度低,鑿巖效率高;新爆破方案小斷面炮孔個數(shù)26個,較現(xiàn)有炮孔布置少4個。

3)鉆孔深度1.8 m,爆破進尺1.76 m,炮孔利用率97.7%。

4)爆破塊度均勻,無粉礦和超過500 mm的大塊。

5)爆破形成的輪廓線規(guī)整,無超采欠挖現(xiàn)象。

中心空孔和其他炮孔裝藥結構如下:

5 結 論

1)中心雙空孔超深起爆拋擲直眼掏槽在小斷面掘進中優(yōu)于斜眼掏槽,有限斷面內(nèi)一次進尺長、破巖量大,打孔作業(yè)強度、時間降低,掏槽方式便于統(tǒng)一標準化作業(yè),塊度控制較好。

2)采用雙空孔型直眼超深掏槽爆破法,作業(yè)面斷面3 m×2.5 m,直眼掏槽眼孔深2 m(超深),輔助眼和周邊眼孔深1.8 m,爆破現(xiàn)場實現(xiàn)炸藥單耗0.61 kg/t,較原楔形掏槽炸藥單耗縮小0.12 kg/t,爆破進尺1.76 m,炮孔利用率97.7%,無粉礦和超過500 mm的大塊,通過此次現(xiàn)場試驗得出:在緩傾斜薄礦體利用雙空孔直眼掏槽替換常規(guī)楔形掏槽采礦時,各項爆破技術指標得到了明顯提升。

3)通過此次現(xiàn)場試驗,充分證明直眼掏槽在巷道掘進中的可行性,優(yōu)點大于缺點,以后研究方案將重點在布控數(shù)量和裝藥量上進一步進行優(yōu)化,提

升工作效率,增大該菱形雙空孔直眼掏槽落礦爆破工藝在井下開拓、采切工程巷道掘進的推廣性和應用性。