露天铁矿爆破数值模拟设计

王 瑜，戴兴宇，赵俊英，董训波

(鞍钢集团矿业设计研究院，辽宁 鞍山 114004)

0 引 言

爆破是露天矿山开采过程中的重要工艺之一，其费用约占露天开采总生产成本的15%～20%[1]，现在露天铁矿爆破工程技术人员通过CAD软件、Word软件进行岩土工程爆破设计，这种设计方式主要依据设计人的经验进行，不能预测爆破效果、爆破成本高、工作量大、效率低，无法满足露天铁矿现场精细化生产要求。随着矿山产量逐年增加，爆破规模、频率也逐年增加，爆破振动及飞石对采场边帮和采场周围建筑、设备的影响也不断加剧，新的安全环保问题也随之产生，需要寻找新的设计方法保证爆破质量，降低爆破振动影响[2-3]。

利用计算机软件技术改善岩土工程爆破设计，解决传统人工设计中难以实现的技术难题，可以将工程技术人员从繁重的绘图、计算等设计工作中解放出来，投入到创新性工作当中去[4]。

1 Surpac软件爆破设计模块

Surpac软件是Gemcom(金康)国际矿业软件公司推出一款功能强大，为采矿工程专业服务的大型三维矿山软件。

Surpac软件爆破设计模块含有起爆方式动画演示；计算爆破矿、岩量；储存根据岩体、矿体参数，确定爆破孔网设计参数和爆破孔装药结构，从而进行爆破分区；预测爆破影响范围；计算爆破过程中的各种参数：飞石距离(m)、爆破振动影响(cm/s)等，以便实现安全生产等多种功能[5]。

2 爆破数值模拟设计

2.1 测量数据导入

AutoCAD格式的测量数据可以直接由Surpac软件读取，并可自动生成带坐标的平面图，便捷高效，降低工程技术人员的劳动强度。Surpac软件还可根据测量数据、人工处理建立三维地形，生动直观。

2.2 爆破设计选项

首先，对钻孔选项、装药选项、矿岩分类、爆破方式选项进行设定。钻孔选项确定钻孔直径及测量单位、钻孔设备编号。装药选项确定炸药、雷管、起爆弹型号、质量、成本、延时方式、延时时间等。爆破方式确定起爆顺序、延时等。矿岩分类是根据爆破不同种矿、岩试验，来确定应对爆破不同种矿、岩的爆破孔网设计参数和爆破孔装药结构，为预测爆破效果做准备，该选项参数包括岩石描述、密度、孔隙率、岩石的波阻抗、岩石的强度特征、连接间距、粉末率、超孔距、排距、间距、爆破圆锥角、每个单位长度的打孔成本。

图1 爆破设计选项

2.3 矿、岩分穿分爆

软件具备用闭合多边形指定岩石类型功能，将一个闭合多边形的第一个属性设定为岩石类型，在爆破设计选项为该岩石类型设定爆破孔网参数，通过被指定岩石类型的闭合多边形来划分采场爆破区域，这样就可以实现矿、岩分穿分爆，如图2所示。根据划分后采场爆破区域确定爆破设计方案，爆破设计方案参数包括：爆破栅格、爆破设置、抵抗线/间距、多边形抵抗线/间距、爆破布置、孔顺序、炮眼标高、底部高程、钻孔设置，如图3所示。

图2 矿、岩分穿分爆

2.4 爆破方案动画演示

炮孔装药确定钻孔装药结构，钻孔装药结构包括填塞物段、炸药段，炸药段中含有炸药类型、雷管类型、雷管位置、雷管数量、起爆弹类型、延时设置，设置起爆方式，如图4所示。起爆方式：排间微差起爆、斜线起爆、直线掏槽起爆、间隔孔起爆，如图5所示，设置结束后，可以采用动画对起爆方式进行演示，如图6所示。

2.5 逐孔起爆参数优化

露天矿山爆破普遍采用逐孔起爆或同段起爆，以求控制单响药量振动。最新版本的Surpac软件爆破设计模块具备逐孔起爆参数优化功能，先设定首启爆破孔、起爆顺序、爆破过程中的各种影响参数；再将单孔药量、延期时间按一定步距设定在某区间内；最后模拟起爆，获得满足爆破影响参数要求下的优化爆破设计参数。

图3 矿、岩分穿分爆爆破设计模式

图4 炮孔装药

图5 起爆方式

图6 爆破动画演示

2.6 爆破影响范围

通过爆破数值模拟可以计算出飞石距离(m)、爆破振动影响(cm/s)、大块率(%)。这些爆破影响数据可做为安全生产的依据，是传统人工设计所无法获得的，如果这些爆破影响数据，不满足安全生产需要，可调整爆破设计参数，重新计算爆破影响数据，简单方便。

2.7 最终报告

在爆破设计中选择确定真实的爆破边界线，确定爆破量，爆破器材消耗量及爆破成本，这些都以最终报告形式自动生成，无需人工查询预算成本再累加计算。

图7 爆破实体

3 矿山爆破应用实例

3.1 卡拉拉铁矿采场概况

卡拉拉铁矿项目鞍钢集团投资建设海外矿山之一，位于西澳大利亚的中西部，位于杰尔顿港以东220 km，佩斯(Perth)北偏东北大约500 km处，该地区在历史上是一个著名的铁矿业中心。卡拉拉磁铁矿可通过采、选工艺生产出高的铁精矿。采矿为常规的露天开采，年产1 960万t原矿。卡拉拉矿床含有矿化作用形成的原生铁，是以磁铁矿为主形式存在的条带状铁矿层。精矿通过长244 km，直径500 mm的矿浆管线从卡拉拉运送到杰尔顿港。

图8 卡拉拉(Karara)铁矿位置简图

采用传统人工设计爆破参数，卡拉拉铁矿段高12 m、15 m，双并段开采时，一次爆破段高为24 m、30 m，孔径310 mm，超深1.5 m，填塞长度4 m，孔距7 m，排距8 m，前排抵抗线7 m，爆破时不根据矿、岩类型划分爆破区域。爆破质量主要存在的问题是存在根底，大块率高，达到7%～9%；爆破飞石距离、爆破振动影响无法控制，对采场边坡、建筑物、设备造成损坏。

3.2 矿、岩类型

卡拉拉铁矿矿、岩结构致密，容重大，抗压强度高，吸水率小，抗冻性，耐磨性和耐久性好，矿石按自然类型分有磁铁石英岩、赤铁石英岩，岩石上盘以千枚岩为主，下盘以玄武岩为主。矿石的单轴抗压强度为210.13 MPa，岩石千枚岩的单轴抗压强度为108.17 MPa，岩石玄武岩的单轴抗压强度为110.42 MPa。

3.3 应用实例

借鉴澳大利亚铁矿生产经验，将Surpac软件爆破设计模块应用于卡拉拉铁矿最低水平的开段沟生产中。将卡拉拉铁矿大量的参数数据如上所述输入软件中。调整各爆破设计参数及使用逐孔起爆参数优化功能，通过数值模拟计算爆破影响范围指标方向平均值最大，来预测爆破设计的爆破效果，如表1。

表1 数值模拟计算爆破影响范围指标方向最大平均值

在爆破现场进行爆破测试，获得3个测点的爆破影响范围指标方向平均值最大，如表2。对比表1和表2,预测数值与实际数值两者的差距在10%以内。

表2 实际爆破测试方向平均值最大数据统计表

从爆堆揭露的岩块观察，清晰地反应出采用Surpac爆破设计模块设计后的区域大块率明显降低，可见爆破质量得到明显改善，如图9、图10所示。

图9 未数值模型设计的爆堆

图10 数值模拟设计的爆堆

4 结 论

(1)使用矿业工程软件surpac爆破设计模块进行数值模拟爆破设计，操作简单容易，易学易懂，提高了工作效率，降低工程技术人员的劳动强度，且可建立健全爆破数据库。

(2)通过计算爆破后大块率，可以预测爆破质量，如果预测爆破效果不满足生产要求，可以调整各爆破设计参数，降低大块率，这可降低处理大块成本，提高生产效率。

(3)计算爆破影响范围指标飞石距离、爆破振动影响，优化爆破方案，有利于现场安全生产管理。且逐孔起爆参数优化功能可以在一定条件下，实现智能优化。

[1] 王 青，史维祥.采矿学[M].北京：冶金矿业出版社，2007.

[2] 汪惊奇，邱朝阳.基于surpac软件的露天爆破设计[J].铜业工程，2014(2):36.

[3] 邓鹏宏，王海龙，孙运峰.弓长岭露天铁矿爆破方案的模拟优选[J].金属矿山，2016(5):6.

[4] 兰 振.计算机辅助软件在露天矿爆破设计中的应用[J].中国钼业，2017, 41 (2):16-20

[5] Gemcom(金康)国际软件公司.GEMCOMSURPA矿业软件帮助文档[M].北京：Gemco(金康)国际软件公司，2008.