基于SURPAC的诱导冒落开采爆破参数优化

周颜军 任凤玉 何荣兴 刘 洋

（东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819）

爆破效果对矿山生产意义重大，其主要与炮孔参数、抵抗线、孔底距、边孔角、炮孔密集系数等爆破参数的合理性有关。爆破参数的不合理将会导致大块率高、眉线破坏严重、矿石的损失贫化过大、隔墙和悬顶等现象的发生［1］。针对这些问题，许多矿山采取了不同的应对措施来改善爆破效果：广西那林金矿矿岩破碎、易凿易爆的特点，采用类比法对凿岩爆破参数进行优化；金山店铁矿张福山矿区采用无底柱分段崩落法开采，针对生产中悬顶和大块率高，矿石实际回收利率低的问题，根据崩落矿岩放出椭球体参数进行了一系列物理模型放矿试验并结合矿山实际生产情况，进行了中深孔爆破的炮孔参数优化研究［2-4］；文献［5-6］针对北铭河铁矿大块率高，眉线破坏严重，爆破隔墙事故时有发生等问题，通过改进装药结构和现场工业试验对现有爆破参数进行优化，取得了良好的爆破效果。因此合理地选择爆破参数，是保证设计方案回采效果的关键。

本研究针对辽宁日兴矿业有限公司柏杖子金矿100-9#矿体爆破参数进行优化，并按选取的合理炮孔参数，利用SURPAC软件中中深孔爆破设计功能，对每条回采进路进行中深孔爆破设计，优化爆破效果和矿石回收指标，指导矿山生产，提高生产效益。

1 100-9#矿体开采现状

1.1 概述

柏杖子金矿100-9#号矿体属于蚀变花岗岩型矿体，设计开采矿段分布在103～104勘探线之间，赋存标高+267～+373 m。矿体呈带状、局部囊状分布，连续性较好，延长57～141 m，主矿层厚度7.5～66.8 m。矿体走向北东，倾向南东，倾角60°～73°。矿体比较破碎，稳定性差，矿体内部存在位置难以确定的复杂采空区。此外，矿体上盘的102-11N#和102-11#2个采空区及其周围较小空区的影响（图1），致使100-9#矿体处于高应力状态。综合各项因素，最终提出多分段协同诱导冒落开采方案（图2）进行开采。

开采时底部双堑沟与沿脉进路同步施工，利用双堑沟拉开空间诱导上部矿体自然冒落，同时下盘沿脉进路自上而下多分段同时快速施工，将矿体与下盘围岩切开，阻止冒落拱的形成，加快矿石的冒落进程。该方案是通过下盘沿脉进路的切帮回采，不断切断冒落拱的拱角，保证了右侧矿石的不断冒落，切帮完成后，将矿体与下盘采准工程分开，起到了为下盘采准工程卸压的作用。随着冒落区矿石的不断冒落，冒落后形成的采空区逐渐接近并大于上盘围岩的冒落跨度，诱导上盘围岩的自然冒落，冒落的围岩形成覆盖岩层。

1.2 问题分析

100-9#矿体的回采爆破借鉴了传统中深孔爆破设计方式，根据本矿山相邻矿区采场爆破参数，通过在回采进路中做几个剖面进行中深孔爆破的设计，并将其爆破参数应用于整条回采进路中。根据现场调研结果来看，目前的爆破方式主要存在“悬顶”（如图3（a））、大块率高（如图3（b））和矿石的贫化等问题。

底部双堑沟与下盘沿脉拉底工程同步施工时，回采进行至靠近矿岩交界处炮孔边孔角很难适应矿体的变化是造成以上问题的主要原因。且炮孔边孔角和孔底到爆破边界距离与爆破的边界条件密切相关［7］，柏杖子金矿100-9#矿体进路正常回采时的爆破边界条件如图4所示。炮排平面内的边界约束条件可分为3类：回采爆破所形成的边界（DE）、由回采进路所形成的边界（BC、CD）、实体壁边界（AB、EF等），这3类边界对爆破的约束阻力各不相同。

柏杖子金矿100-9#矿体位于山体的浅部，地应力较小且以垂直应力为主，巷道松动圈的厚度较小，但由于同样受爆破振动的影响，根据工程类比法推断，巷道松动圈的厚度可达0.8～1.2 m。因此，由巷道形成的爆破边界，可认为有0.8～1.2 m厚的表层已经发生了松动［8］。该松动层的存在，使该边界的爆破阻力大为减小，从而对爆破力度的要求大为降低。具体说，对位于孔口边界HI，可适当增大炮孔的不装药长度，以节省炸药；对位于孔底部位的巷道边界（BC、CD），可适当加大孔底距边界面的长度，以使其沿该方向的爆破阻力与抵抗线方向协调［9-11］。边界布孔参数如表1所示（其中炮孔总长度122 m，装药长度100 m，炮孔利用率为82%）。炮孔布置方案见图5。

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2 爆破参数的优化

SURPAC软件中深孔爆破设计是通过在建立的矿体三维模型和实测后建立的进路三维模型中，沿着进路每隔1个炮孔排距做1个剖面，在每个剖面中进行中深孔爆破的设计，能够很好地解决图3中2个问题。而且矿体三维模型可以在采准施工中，根据采准工程揭露的矿体边界，进行修改，确保建立的矿体三维模型最接近实际矿体形状，使设计的中深孔更好地适应矿体［12］。

2.1 矿体三维模型的建立

根据矿山现有的勘探线资料、已有各中段水平图和剖面图切出的平面图，即可在SURPAC中生成100-9#矿体三维矿体模型，如图6所示。

2.2 三维矿房的构建

无底柱分段崩落法一般菱形布置进路，扇形中深孔爆破的分间矿体形态近似为菱形。利用SURPAC中建立巷道实体模型的方法，建立菱形分间爆破实体模型（图7）。

当采场结构参数发生变化时，需要调整扇形中深孔的炮孔参数，以保证进路负担的菱形分间实体能够全部崩落回采。当进路靠近矿岩边界时，在保证矿石能全部被崩落回收的前提下，尽量不崩落围岩，以免造成矿石的过早贫化，因此布置炮孔时必须掌握好矿体边界的变化。为了很好地控制矿岩边界，采用SURPAC中实体模型相交运算功能，按方案选取的进路布置参数和炮孔边孔角建立每条靠近矿岩交界处的进路所负担的分间形态（图8）。

将该方法应用于靠近矿体边界的进路中，便能快速获得该进路所负担的实际爆破分间结构尺寸（图9）。该方法可以将矿体边界的变化转化为实际矿房的边界变化，控制回采的矿岩边界，避免由于炮孔设计不到位而导致靠近围岩的部分矿体不能崩落，造成矿石的损失，同时避免设计的炮孔深入到下盘围岩，使围岩混入矿石中，造成矿石的过早贫化［13］。

此外，靠近矿岩交界处的沿脉进路，由于矿岩边界的影响，相邻分段中回采进路的水平间距很难按设计选取间距布置，不可避免地出现相邻分段之间相邻进路的水平距离偏离所选取的间距，当相邻进路水平间距大于选取的间距时，分段之间回采矿房不相切，而在分段之间留下悬顶块体（图10）。

为了保证分段之间能够爆透，构建了加高矿房（如图11），该加高矿房仅处于矿房的一侧，与采准后矿体相交运算后，另一侧截取的矿体没有变化，而仅是将上下分段之间需要加长炮孔才能崩落的矿体回采出来。该加高矿房主要针对在矿体下盘布置的单斜式沿脉进路采矿方案，为获取实际矿房而构建的。

沿巷道中线做进路实体和实际矿房实体的纵剖面，剖面间距为中深孔炮孔排距（图12）。扇形中深孔的设计可以在每个剖面中进行，这样就能够保证炮孔很好地适应矿体形态的变化。炮孔爆破时避免围岩的混入，以及减少因炮孔设计不到位而造成的靠近围岩部分的矿石不能崩落引起的矿石损失。SURPAC软件进行中深孔爆破设计时，需要提前设置好相关参数，以便需要时可以从数据库中将相应位置已设计好炮孔数据调出，指导生产工作。

2.3 利用SURPAC进行中深孔爆破设计

利用SURPAC中实体相交运算并保留公共部分的功能，将标准矿房与加高矿房相配合使用，与各进路上部矿体进行相交运算，便能得到各进路需要负担的实际矿房的结构尺寸（图13）。后续进行炮孔设计时，便可以对每个分段的实际矿房做纵剖面，并且剖面间距为炮孔排距1.6 m，这样可以为每排炮孔设计提供实际矿房的剖面，保证了炮孔设计到位。

采用这种方式设计的爆破效果（图14），保证了爆破对矿岩边界的控制和分段之间采空区能够联通。为后续诱导矿体和上盘围岩的冒落，提供了必要的暴露空间。

3 应用分析

为了验证优化效果的可行性与合理性，以+330 m分段回采进路为试验采场，运用SURPAC对其进行中深孔爆破设计，运用深孔爆破设计功能对各分段中炮孔参数进行优化。

首先将+345 m分段实际矿房实体、+330 m分段实际矿房实体、+345 m分段进路实体、+330 m分段进路实体，都拖入到新建的实体图层中，再打开+330 m分段进路中线文件。以+330 m分段进路中线为中线创建上述实体的纵剖面，剖面间距为炮孔排距1.6 m。这里调入+345 m分段实际矿体，并将其作为已采矿体处理，SURPAC软件可以默认+330 m分段实际矿房与+345 m分段实际矿房交界处为断通处，布置在该处的炮孔，软件会根据设置的断通距自动缩短炮孔长度，满足炮孔布置基本准则。

然后开始中深孔爆破设计功能，调入上面生成的文件，根据已确定的爆破参数进行钻孔。图15为在26号剖面中设计的扇形中深孔，以及该排炮孔的相关参数。整条堑沟炮孔全部设计完之后数据可以保存到数据库中，可以根据需要提取数据指导钻孔施工。

推广至整个分段试验之后，+330 m分段8个步距爆破完成后实际爆破效果如图16所示，从实际的回收指标来看（如表2），100-9#矿体的回采爆破效果得到了很大的改善，大块率降低，贫化和悬顶等问题得到解决。

4 结论

（1）利用SURPAC软件建立矿体三维模型和菱形矿房实体，用菱形矿房控制爆破的矿岩边界，将矿岩边界转化为爆破矿房边界，有效地实现对爆破矿岩边界的控制。

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（2）对获取的各进路的菱形矿房实体进行了中深孔爆破设计，用矿房边界控制炮孔的设计，实现各进路的爆破尽量只崩落矿石，避免围岩的崩落而引起矿石的过早贫化。

（3）对SURPAC软件的中深孔爆破设计进行试验应用分析，结果表明：爆破效果得到了优化，回采指标得到了改善。

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