抛掷爆破在剥离工程中的应用与优化

何慧明 王洪军 郭 瑞

(北京科技大学土木与环境工程学院)



抛掷爆破在剥离工程中的应用与优化

何慧明 王洪军 郭 瑞

(北京科技大学土木与环境工程学院)

为减小剥离成本，依据工程实际条件进行抛掷爆破设计，确定了合理的台阶参数、孔网参数，并对爆破网络进行了优化，在仅使用普通导爆管雷管的基础上实现了逐孔起爆，取得了明显的经济与安全效益，可为类似工程提供参考。

抛掷爆破 爆破网络 台阶参数 孔网参数

在现代矿产开采和各类岩石剥离工程中，采掘、铲装和运输3个环节紧密相连，在整个工程体系中有着重要的地位，决定了整个体系的运行成本。为减小剥离成本，自上世纪60年代起，抛掷爆破技术越来越多地应用于露天岩土剥离工程[1-2]。抛掷爆破通过适当增加钻爆费用，能将30%～65%爆破方量直接抛入采空区，从而较大幅度地降低铲装和运输费用，使综合剥离成本降低30%以上，还能加快剥离工程速度，具有明显的高效性和经济效益。本文详尽分析了抛掷爆破的各种影响因素，以优化抛掷爆破效果[3-6]。

1 工程概况

在首云矿业公司岩柱露天剥离工程中，岩柱北端为已闭坑的原露天采坑，坑底标高-18 m，坑内有皮带与地面破碎站相连。为了降低爆破岩体的铲装和汽车运输成本，在临近露天坑的南边坡(标高150 m)适当宽度范围内，采用抛掷爆破技术，适度提高炮孔装药量，以露天矿坑为自由面，将部分岩石爆破直接抛向露天坑，其余岩石经反铲倒装甩入露天坑，经坑内皮带运至地面破碎站。抛掷爆破如图1所示。

图1 台阶抛掷爆破示意

首云铁矿地下采场目前处于生产阶段，距离爆破区域距离约260 m，需严格控制爆破振动，避免对地下井巷造成影响。综合各因素，该矿单次爆破用药量限制在10 t以下，以单孔单响为宜。

2 爆破参数设计

爆破设计应充分体现工程的目的和要求，考虑机械设备配备情况、技术力量和类似工程经验，结合该爆破工程的特点和周边环境情况，满足工程质量、成本、进度、安全的要求。

2.1 台阶参数

根据McDonald等[7]在Rietspruit露天矿进行的多组试验研究，得出抛掷率P与H/B呈线性关系，即

(1)

台阶宽度一定时，提高台阶高度或者台阶高度确定时，减小台阶宽度，可提高抛掷率。台阶高度受现场条件与矿山钻孔设备与铲运机械等条件的限制，因此一般应首先确定台阶高度。台阶高度确定后，采用小的台阶宽度即窄采场可有效提高抛掷率，但采用宽采场具有铲运效率高、炸药单耗小、二次处理量小等优点。所以抛掷爆破经济效益的综合评价不仅仅是追求更高的抛掷率，应在兼顾提高抛掷率和宽采场优点的基础上确定合理的H/B值。矿山常用的H/B值为0.7～1.0。

另外，台阶高度H及采掘带宽度B的确定还应综合考虑矿山生产设备条件、采场地形条件以及其他限制条件。该工程限制单次爆破用药量不超过10 t，由

qV<10 000 ，

(2)

(3)

式中，q为炸药单耗，取0.7 kg/m3；V为单次爆破台阶体积，m3；L为台阶长度，m。

综合式(2)、式(3)及合适的H/B值，确定台阶高度H=15 m，台阶宽度B=15～20 m，台阶长度L=48～64 m。

2.2 炮孔角度

抛掷爆破中宜采用倾斜炮孔，倾斜炮孔相比垂直炮孔，台阶下半部分抵抗线更小，且台阶大部分岩石能以仰角抛射，可增强爆破的破碎效果，提高抛掷率，如图2所示。

图2 垂直与倾斜炮孔爆破抛掷示意图

此外，倾斜炮孔还具有以下优点：①有利于爆炸能量在岩石中传播，提高能量利用率；②爆破后的台阶边坡相对更稳定,提高了生产安全性；③单个炮孔长度增加，可装更多炸药，因而在相同炸药单耗下，可适当增加孔距、排距以减小钻孔成本。

倾斜炮孔多为70°～80°，若角度再减小将加大钻孔难度，降低钻孔效率，且不利于装药，容易造成炮孔堵塞。根据露天坑边坡条件，确定炮孔角度α=70°，与边坡角平行。

2.3 孔 径

大孔径炮孔在提高生产能力、减少钻爆成本方面显示出其优越性。但在炸药单耗一定时，采用大孔径势必增加孔距、排距，而使抛掷难度加大，所以抛掷爆破中孔径一般小于270 mm。考虑到该工程一次爆破量较小及首云矿山现有的钻孔设备条件，孔径确定为150 mm。

2.4 炸药单耗

合理的炸药单耗q应根据岩石硬度和爆破块度的要求，参照B.H.库图涅佐夫岩石爆破性分级表和岩石爆破破碎性分级表选取，在某些情况下，用工程类比法来确定也是可行的。在台阶抛掷爆破中，炸药不仅要对岩石进行破碎，还要尽可能将其抛掷出去，因此需要的炸药单耗要高于一般爆破。

岩柱抛掷爆破区域岩石主要由斜长片麻岩、碱长片麻岩组成，并与普遍花岗混合岩化，致密完整。在以往常规台阶爆破时，炸药单耗为0.45～0.50 kg/m3，抛掷爆破应适当增加单耗，取0.70 kg/m3左右是较为合理的。

2.5 填塞长度

为了减少炮孔堵塞段的大块率，同时保证爆破时不冲孔，提高炸药爆炸的能量利用率，炮孔的堵塞长度为

(4)

式中，Ls为填塞长度，m；D为炮孔直径，取0.15 m。

计算得Ls=4.5 m。

2.6 最小抵抗线

最小抵抗线W的大小对破碎度与抛射速度产生影响，不宜过大。

(5)

式中，W为最小抵抗线，m；qL为线装药密度，kg/m，经现场实测统计，qL=13.5 kg/m。

计算得W=3.99 m，排距b应小于3.99 m。

2.7 密集系数

在总药量一定的情况下，合理的排距、孔距可以改善抛掷爆破效果。近年来在台阶爆破广泛采用小抵抗线、大孔距的炮孔布置方式，密集系数常在2.0以上，能有效改善岩石破碎度，减小根底率，一定程度上也能增强抛掷效果。在高台阶(H>30)抛掷爆破中，当1.451.6时，抛掷率开始下降[5]。结合工程实际条件，拟取m=1.5～2.0，炮孔超深为1 m。

Q=qabH ,

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，Q为单个炮孔装药量，kg；a为孔距，m；b为排距，m；L为炮孔长度，m；m为密集系数。

由式(6)～式(9)计算，初步确定a=6.0 m，b=3.5 m。

2.8 微差时间

利用逐孔起爆技术让同排炮孔间以及排间均实现微差爆破，可使爆破振动显著减小，降低大块率，还能取得较好的抛掷效果。合理的延期时间应与炮孔的孔距、排距有关，且一般排间延期时间较同排孔间延期时间要大。但延期时间也不宜过长，否则先爆炮孔的爆炸会对后排炮孔产生破坏，使其发生不连续爆轰等有害效应。综合国内外经验,孔间延时间隔tk=9～25 ms、排间延时间隔tp=75～200 ms为宜。

3 爆破网络连接

高强度、高精度导爆管雷管因其误差小、可靠性高等优点而在逐孔起爆网络中的应用日益广泛。考虑到成本控制与矿山现有爆破器材，拟用普通导爆管雷管通过合理设计实现逐孔起爆的效果。

根据台阶参数与孔网参数，台阶布置5排炮孔，每排布置约10个炮孔，三角形布孔。采用孔内高段位导爆管雷管下孔，孔外低段位导爆管雷管捆绑复式传爆网络。第一排到第五排孔内依次使用MS11，MS12，MS13，MS14，MS15段雷管，地表连接雷管使用MS2段雷管，利用网络“排间段差、孔间接力”的延时差组合，使相邻的炮孔均有一定的起爆时间间隔，达到实际逐孔起爆的效果。考虑到孔内起爆雷管导爆管在地表的剩余长度，将5排炮孔分为2组。网络连接示意见图3。

图3 网络连接示意

第一个雷管起爆时，孔外连接雷管已经全部传爆结束，无需考虑爆破引起的岩石错动对网络的破坏。为进一步提高网络可靠性，应注意以下两点：①孔内使用双雷管，孔外采用双网络双雷管连接;②连接雷管用碎石覆盖，以免雷管碎片打断导爆管。

4 结论与建议

(1)结论。①爆破振动小，对井下正常生产没有造成影响，边坡稳定安全;②爆破抛掷率为30%～40%，综合剥离成本较传统爆破方式可降低25%～30%;③采用逐孔起爆可降低根底率、大块率，从而减少了二次破碎量，有明显经济效益;④在一定的单次爆破量内，通过合理网络设计，使用普通导爆管雷管，可达到与高强度、高精度导爆管雷管相当的起爆效果与可靠性。

(2)建议。①抛掷爆破中的第一排孔的抛掷效果对后排的抛掷有重要影响，可合理增加其装药量或减小其抵抗线;②最后一排和侧面一列孔可适当减小装药量或采用空气间隔器分段装药，以减小后冲和侧冲。

[1] 潘井澜.抛掷爆破在露天台阶式采矿中应用的探讨[J].化工矿山技术，1992(6)：1-4.

[2] 张幼蒂，傅洪贤，王启瑞，等.抛掷爆破与剥离台阶开采参数分析——露天矿倒堆剥离开采方法系列论文之四[J].中国矿业大学学报，2003(1)：30-33.

[3] 李克民，张幼蒂，傅洪贤.露天煤矿抛掷爆破参数分析[J].采矿与安全工程学报，2006(4)：423-426.

[4] 郭昭华.露天煤矿抛掷爆破技术研究与应用[J].煤炭工程，2008(1)：31-35.

[5] 李祥龙.孔距、排距对高台阶抛掷爆破抛掷率的影响[J].北京理工大学学报，2011(11)：1265-1269.

[6] 马 力，李克民，丁小华，等.抛掷爆破岩体抛掷距离影响因素研究[J].工程爆破，2013(s1)：50-53.

[7] Grippo A P.How to get more cast per blast[J].Coal Age，1984，89(12)：63-69.

2016-06-20)

何慧明(1992—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。