矿山深孔爆破落矿方式选择及参数优化研究

朱杰超，蒋 培

（1.贵州贵安新联爆破工程有限公司，贵州 贵安 550025；2.武汉科技大学，湖北 武汉 430081）

爆破是矿山开采的主要方式。爆破落矿是指通过爆破崩落矿石的作业过程，根据爆破时炮孔的深度可以分为浅孔爆破、中深孔爆破、深孔爆破三种。爆破落矿节省了开采过程中的人力投入，减少了机器的损耗，同时提高了矿山开采的效率。对于矿山来讲，深孔爆破是增加矿产量、扩大后续开采规模、提高劳动生产效率的主要方式。现阶段矿山常用的深孔爆破落矿方式主要有侧向崩矿、VCR法两种。两种方法各有其优缺点，在不同类型的矿山开采工程中都有应用。实际使用时，不仅需要根据矿山开采工程具体情况选择合适的爆破落矿方式，还需要结合矿山的矿物类型、矿山岩性、矿采量等详细信息，优化爆破落矿方式中的具体参数，得到最优的技术指标[1]。因此，本文将以某矿山为研究对象，研究矿山深孔爆破落矿方式选择及优化。

1 矿山深孔爆破落矿方式选择

1.1 矿山开采工程具体情况

本文研究对象的矿山预计开采产能为450万吨/年。矿山整体为东西走向，矿体为倾斜矿体，倾斜角度平均为62.2°。矿体底层围岩与矿体界限清晰，由于矿体岩性主要为片岩、变粒岩，矿体的稳定性不一致。矿体厚度为20m～50m，因此采用深孔凿岩爆破方式开采矿物。根据以上矿山开采工程的详细信息，选择合适的爆破落矿方式。

1.2 深孔爆破落矿方式对比

图1 侧向崩矿的示意图

主要的深孔爆破落矿方式为侧向崩矿、VCR法两种。侧向崩矿为在开凿的巷道中，钻凿垂直于地表的爆破孔，并在矿房的一侧，根据矿山开采的规模、爆破药包等，在爆破孔中装药。在药包引爆后，矿物块崩落至采矿空间中。下图为侧向崩矿的作业示意图。

VCR法爆破的主要特点是炮孔两端是敞开的，要求采用堵孔，将药包停留在预定的位置上,所以装药是这种爆破方法非常关键的作业。当球状药包埋置在采场顶底板之间向下部自由空间爆破，即倒置漏斗爆破，就成为VCR法球状药包爆破技术的主要特点。VCR法主要用于中厚以上的垂直矿体，深孔排列采用平行排列。下图为VCR法爆破落矿的作业示意图。

图2 VCR法爆破落矿的示意图

对比侧向崩矿、VCR法两种深孔爆破落矿方式，其优缺点如下表所示[2]。

表1 两种深孔落矿爆破方式优缺点对比

根据本次研究对象矿山工程的具体情况，选择VCR法开采矿山，对选定爆破落矿方式进行技术参数优化。

2 矿山深孔爆破落矿方式参数优化

2.1 确定孔距与最小抵抗线

孔距与最小抵抗线的大小，影响爆破效果、矿山开采成本等。炮孔的密集系数是孔距与最小抵抗线的比值，如下式所示：

公式（1）中，m为爆破孔的密集系数；p为爆破孔距，w单位为m；为最小抵抗线，单位为m。根据测试，本次矿山开采工程中，优化后爆破孔直径为160mm，最小抵抗线为1.8m，孔距为2m，崩落高度2.5m。确定孔距、最小抵抗线的最优参数后，优化崩矿步距。

2.2 优化崩矿步距

崩矿步距影响矿石损失贫化程度，因此需要优化崩矿步距减少矿体损失。设λ为矿山开采时的二次回采率，则二次回采率的计算公式如下式所示：

公式（2）中，V为开采的矿石体体积，单位为m3；Vf为一次开矿后，开采出的矿体体积, 单位为m3；Vh为一次开采后混入的岩石体积,单位为m3。Vf、V与Vh之间关系式如下式所示：

公式（3）中，L为崩矿步距；θ为崩矿倾斜角度；a、b、c分别为崩矿开出体的近似长半轴、短半轴、纵短半轴。根据设定的本次矿山开采工程中的单次放矿高度，可以得到优化后的最佳崩矿步距取3.6m。计算得到最优崩矿步距参数后，计算爆破孔的爆破时间间隔。

2.3 爆破时间间隔优化

爆破后，矿山巷道中会产生新的自由面。因此，按照新自由面的形成时间，计算爆破时间间隔，设置理想的爆破延期间隔时间可以有效利用新自由面，充分利用爆炸能量，破碎剥离矿体，计算公式如下式所示[3]：

公式（4）中，K1为已知系数，K1的取值范围为1.2～2；Tr为矿体岩石容重，单位为g/cm3；De为爆破药包的爆速；Dr为爆破药包产生的爆炸波在矿山岩体中的纵波波速，单位为m/s；S为爆破后，脱落矿体的脱离距离，本次矿采工程中，根据爆破药包的具体参数，脱离距离大约为10mm；v为在爆破中和爆破后，脱离矿体的平均移动速度，根据脱离矿体的体积，v的取值范围为4m/s～7.2m/s。结合本次矿采工程的具体参数，可以计算得到优化后的爆破药包间隔时间范围为12.30ms～19.98ms。在实际矿山开采过程中，爆破药包在爆破孔中的间隔时间应略大于上述计算的理论时间间隔值。完成了对深孔爆破落矿方式技术参数的优化。

3 深孔爆破落矿方式参数优化效果测试

本文根据矿采工程的前期规划详情，选择了VCR法的爆破落矿方式。在选择了对应的爆破落矿方式后，对影响爆破落矿效果的各项参数进行了优化。

为验证参数优化方法前后对矿山开采的实际效果，本节将设计相关实验。通过对实验数据的分析，得出实验结论。

3.1 测试内容

实验为对比实验，实验的对比组为未经过参数优化的VCR法爆破落矿方式，实验组为经过上述参数优化后的VCR法爆破落矿方式。对比实验的对比指标为使用两个爆破落矿方式前后，矿石的损失率、大块矿石的产出率。通过对比以上两个指标，评价参数优化前后采矿效果。

在本次研究的实验矿山内，选取两个相同大小的开采区域，分别应用实验组和对比组爆破落矿方式，进行采矿作业。在两个开采区域均进行15次的爆破，统计每次爆破后的矿体开采情况。得出15次爆破落矿作业中，矿石的损失率、大块矿石的产出率。处理并分析实验数据，得出对应结论。

3.2 测试结果

使用两组爆破落矿方式作业后，矿石的损失率、大块矿石的产出率对比结果如下表所示。

表2 矿石的损失率、大块矿石的产出率对比结果

分析上表可知，采用对比组爆破落矿方式进行作业时，采矿的损失率、产出的大块矿石比例均高于采用实验组爆破落矿方式。并且随着爆破次数的增加，矿山的岩性受到数次爆破的影响，岩层之间的相互作用力不断减小，岩层松动，导致矿石损失率不断增加。而且随着岩层的松动，每次爆破后的大块矿石产出量也不断增加。计算在本次爆破落矿作业过程中，使用实验组和对比组爆破落矿方式的平均矿石损失率、大块矿石的产出率，对比组的平均矿石损失率为7.54%，大块矿石的平均产出率为28.488%；实验组的平均矿石损失率为3.58%，大块矿石的平均产出率为12.366%。说明相比使用对比组爆破落矿方式进行作业，使用实验组爆破落矿方式进行采矿作业可以减少52.6%的矿石损失，降低56.6%的大块矿石产出率。以上数据表明，经过参数优化后的爆破落矿方式能够实现更好的采矿效果，提升矿采质量与效率，即选取技术参数优化后的爆破落矿方式对矿山的生产意义重大。

4 结语

现在矿山开采的过程中通常采用爆破的形式，深孔爆破落矿能够提高矿物的产量。本文对侧向崩矿、VCR法两种深孔爆破落矿方式进行了研究，并对比两种方式的优缺点。结合本次研究对象矿山的具体施工信息，选取了VCR法深孔爆破落矿，同时对影响爆破落矿的技术参数进行了优化。通过与未优化爆破落矿方式的对比实验，证明了参数优化的有效性。