黑沟矿区露天开采矿岩可爆性分级研究

王文军 李润然 纪旭波，3 徐 帅

（1.甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司，甘肃 嘉峪关 735100；2.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；3.山东恒邦冶炼股份有限公司，山东 烟台 264109）

岩体可爆性是指岩体抵抗爆破破坏的性能，反映了爆破破碎岩体的难易程度。岩体可爆性分级是客观评价爆破效果、制订管理制度、确定劳动定额和控制材料消耗的先决条件。了解和掌握岩体的可爆性、开展岩体可爆性分级对爆破方案设计、炸药类别选型、炸药单耗估算、孔网参数优化、装药结构和微差时间确定具有重要意义。

国内外学者从不同的角度出发，采用不同方法对岩体可爆性分级进行了大量研究，提出了各种岩体可爆性分级的指标与方法。如美国C.W.Livingston、F.C.Bond分别以应变能因数和破碎功指数等单一指标描述岩石可爆性［1］，由于当时技术手段的匮乏，导致这样的单一指标分级结果极易出现偏差。部分学者应用多指标综合分析理论，提出了多种不同岩石可爆性分级方法：如岩石可爆性的模糊分级法［2-3］、灰色系统决策法［4-5］、加权聚类分析方法［6-7］、多层前馈神经网络模型［8］、计算机智能专家系统［9］和属性识别模型［10］等，这些方法大多结构复杂，使用不便，难以推广。东北大学纽强等［11］以能量平衡为准则，根据岩石可爆性基本观点和一些合理判据，基于我国各大矿山，针对不同种岩性进行了多次现场试验，并取得了大量数据，应用统计学方法与理论，将岩石可爆性与其影响因素之间的相关关系进行了合理表征，并使用定量指标，编制出了一整套岩石可爆性分级表，成为应用最为广泛的岩体分级方法。

镜铁山矿业有限公司黑沟矿区长年基于生产经验开展爆破设计，随着开采进行不断揭露新的工作台阶，不同区域矿岩的物理力学性质、赋存条件和完整性均有所不同，固定爆破参数用于不同的矿岩区域，导致爆破效果不甚理想。本项目通过研究矿岩可爆性分级的基本方法，确定了黑沟矿区矿岩可爆性分级的流程步骤，通过室内及现场测算，获得用于矿岩分级的指标，基于矿岩可爆破性指数计算结果，进行典型矿岩可爆破性分级。分级结果对黑沟矿区矿岩可爆破性评价与参数优化提供了有力的科学支撑。

1 岩体可爆性评价指标

评价岩体可爆性的指标归纳起来有3个方面：岩石物理力学性质、岩体地质构造特征和爆破效果。岩石强度能够描述岩石力学性质；岩体波阻抗可以反映岩石物理性质和岩体地质构造特征；爆破漏斗体积和块度分布则是爆破效果的合理表征。

（1）岩石强度。岩石强度包括岩石单轴抗压强度、岩石抗拉强度和岩石抗剪强度，是表征岩石力学性质的重要指标。这3个强度指标分别对应炸药爆破破碎岩石的3种形式：炸药爆轰产生压力使附近岩石受挤压破碎；爆轰应力波传播到裂隙表面反射形成拉伸波，使岩石受拉破坏；由于炸药能量分布不均，岩石会产生剪切破坏情况。

（2）岩体波阻抗。岩体波阻抗是指在岩体中引起扰动、并使质点产生单位振动速度所必须的应力。波阻抗的大小由岩体中岩石密度与其弹性纵波波速的乘积进行计算。波阻抗是岩石物理性质与岩体地质构造特征的综合表征。波阻抗越大，产生单位振动速度所需应力就大，需要的炸药能量越高；反之，波阻抗小，产生单位振动速度所需的应力就小，需要的炸药能量越低。

（3）块度分布。矿石块度是指采用爆破等手段将矿石从岩体剥离出来的碎块的几何尺寸的大小，常用碎块两端最大距离表示。矿石块度过大说明爆破能量过低，未能很好地破碎岩体，容易导致溜井或漏斗堵塞，需要二次爆破，进行进一步破碎处理，处理过程中伴随着冲击波、噪声、飞石和有毒有害气体等危害。块度过小说明装药量过多，造成矿石过粉，损失贫化率升高。

（4）爆破漏斗体积。炸药爆炸时除在其周围岩石产生震动、裂隙和破坏外，还将视抵抗线的不同，在岩体自由表面引起岩石的破裂、鼓包和抛掷，进而形成一漏斗状炸坑，称为爆破漏斗［12］。爆破漏斗大小与岩石性质、炸药类别、装药量和起爆方式均有密切关系，可以说爆破漏斗体积是评价爆破效果好坏的综合性指标。

2 矿岩可爆性分级方法

在露天矿中深孔爆破试验中，应控制实验条件相同。结合矿山生产实际，通过对黑沟矿区生产设备以及管理制度的调查，设置以下标准条件，如表1所示。

在标准条件下以现场爆破试验的岩石爆破漏斗体积、爆破块度分布和岩体波阻抗作为岩石可爆性分级的判据，制订黑沟矿区岩体可爆性分级步骤如下。

（1）对矿区主要岩性开展室内岩石力学试验，包括岩石单轴抗压试验、巴西劈裂实验和直剪试验；分别得到每种强度4种岩性的平均值，包括平均单轴抗压强度和平均抗剪强度。

（2）分别针对各岩性的单轴抗压强度、抗剪强度和抗拉强度设置修正系数。首先计算各岩性的3种岩石强度与其对应平均值的比值，然后取这3个比值的平均值作为最终的修正系数；每种岩性修正系数的计算式为

（3）对各岩性赋存岩体进行现场波速测试。

（4）在上述标准条件下进行单孔爆破实验。将被爆下的岩体近似看作一柱体，使用无人机在同一位置对爆破前后的坡顶面进行拍摄，经过比例尺（由炮孔实际长度与照片中炮孔长度对比得到）换算得到被爆下岩体的顶表面积，与实测的台阶高度相乘，得到爆破漏斗体积。

（5）利用无人机拍摄爆堆图片，将图片通过块度分析软件计算平均大块率、平均小块率和块度平均合格率。

（6）根据爆破漏斗体积、平均大块率、平均小块率、块度平均合格率和岩体波阻抗计算爆破作用指数：

式中，N为岩石可爆性指数；V为岩石爆破漏斗体积，m3；K1为爆破漏斗大块率（＞700mm），%；K2为爆破漏斗小块率（≤100mm），%；K3为爆破漏斗块度平均合格率（200～700 mm），%；ρ为岩石密度，g/cm3；Cρ为岩体弹性纵波波速，m/s。

（7）将每种岩性的爆破作用指数N与第（2）步中相应系数相乘，获得修正N值，查阅表2进行可爆性分级。

3 室内实验与现场测试

3.1 室内岩石力学测试

对黑沟矿区典型矿岩进行现场取样，包含千枚岩（铁质千枚岩、灰绿色千枚岩）、镜铁矿和白云岩，对上述4种岩性开展室内岩石力学实验，获得其单轴抗压强度、抗拉强度和剪切强度。以单轴抗压强度实验过程为例介绍实验流程，实验设备如图1所示。

首先进行岩石基本参数测定，以不同岩性岩石标准件为试样，测试其高度、直径及质量，计算其密度，每种岩性试样不少于3组，取其平均值以减小误差，实验结果如表3所示。

然后使用瑞士Proceq公司的Pundit PL-200岩石超声波检测仪测试岩样的波速，在岩石超声波探测仪传感器上均匀涂抹超声波耦合剂，分别将2个传感器放置在圆形试件两端的相同位置，运行岩石超声波探测仪，记录时间示数，然后通过岩石高度和时间示数计算出波速。根据波速测量结果对岩石试样进行筛选，尽量减少试样初始离散性的影响。然后在Stiffman试验机上进行单轴压缩实验，加载速度0.8 mm/min，记录岩石破坏时的峰值强度，每种岩性实验3次取平均值为最终结果。修正系数计算方法见式（1），各岩石强度测试及修正系数计算结果如表4所示。

3.2 现场波速测试

岩体波速测试设备使用RSM-RCT声波测井仪，设备由采集仪和声波探头组成，声波探头能够发射和接收超声波，采集仪负责记录数据、分析数据、供电等，设备外观如图2（a）、图2（b）所示。

岩体波速测试，首先对孔内注水，然后下放探头测量不同孔深处的波速。由于该钻孔注水中，孔内裂隙发育，导致孔内水不断渗出，水位不断下降。所以采用边注水、边测试的方式进行工作，工作过程如图2（c）所示。探头每次下放距离为0.2 m，下放最大深度17.6 m，共测得89个点。测量结果如图3所示。

分析波速—深度折线图3可知，在0～4.8 m之间的矿体波速较低，波速分布在1.2～2.3 km/s之间，主要原因是上一台阶爆破对矿体造成损伤，形成裂隙区。因此，取深度5.0～17.6 m的波速求平均值，作为该区域矿体波速，求得的波速值为3.6 km/s。基于同样方法，开展了不同矿岩类型区域波速测定试验，结果如表5所示。

3.3 块度分析

黑沟采场爆破块度分析采用大疆御ⅡPro无人机对爆破现场的实际爆堆进行拍摄，相较于传统拍摄，无人机航拍可以任意调整拍摄角度和高度，有效避免了传统拍摄角度带来的远端图像小、近端图像大的问题。拍摄过程中选用颜色鲜艳球体作为块度分析的参照物，每次拍摄时球体间间距均大于1.5 m，以保证后期块度分析的准确性。

采用无人机相对爆堆等距平移的拍摄方法。无人机距离爆堆高度恒定在8 m左右，按照从左至右的顺序拍摄，每次拍摄位置与上次拍摄区域交叉10%。采用Split-Desktop爆破分析软件对爆破块度进行分析，并采用人工辅助方式校正偏差，得到最终爆破块度分析结果。现场实验及块度分析如图4所示。另外，还能得到不同直径块度通过率，如表6所示。

3.4 爆破漏斗体积测算

以镜铁矿单孔爆破漏斗实验为例，将爆破下来的岩体看作一端面为不规则形状的柱体，按第2节步骤4中的方法测算端面面积为62.73 m2，如图5所示。实测台阶高度为15.5 m，则爆破漏斗体积V=972.32 m3。

按照上述方法对黑沟矿区的典型岩石均进行了单孔爆破漏斗体积测算，结果如表7所示。

4 黑沟矿区岩体可爆性分级

将镜铁矿岩体波阻抗、爆破块度和爆破漏斗体积指标代入式（2）得到：

镜铁矿可爆性指数为48.67，查表2可知该区域属于爆破等级Ⅱ类岩体，亚类为Ⅱ2类易爆破岩体，综合表4中的加权系数，镜铁矿的修正系数为0.9，得到修正后的可爆性指数为43.803，该区域依然属于爆破等级Ⅱ类岩体，但亚类变为Ⅱ1类易爆破岩体，说明该区域岩体可爆性相对增强。按以上步骤，对黑沟矿区Ⅱ期采场所有典型岩性均进行了可爆性分级，结果如表8所示。

矿岩可爆性分级是以爆区为单元，将可爆性相近或一致的区域划分为同一片爆破分区。结合黑沟矿区Ⅱ期工程进度和可爆性分区结果，目前铁质千枚岩主要分布在3 755 m水平，铁质千枚岩和镜铁矿分别赋存在3 760 m和3 730 m水平，白云岩则主要存在于3 745 m水平。

5 结 论

（1）根据黑沟矿区岩石力学实验结果可知，铁质千枚岩各项强度最高，白云岩次之，之后依次为镜铁矿与灰绿色千枚岩。对露天爆破来说，岩石强度越大爆破难度越高。故铁质千枚岩的修正系数最大，灰绿色千枚岩修正系数最小，白云岩与镜铁矿居中，且白云岩修正系数略大于镜铁矿。

（2）通过分析波速结果发现，铁质千枚岩波速最高，说明其岩体内部结构致密，节理裂隙较少，岩体最为完整；灰绿色千枚岩波速最低，说明其岩体内部结构疏松，节理裂隙较多，岩体最为破碎。白云岩和镜铁矿岩体波速相对适中，其中，镜铁矿岩体较为完整，而白云岩岩体则较破碎。

（3）可爆性分级结果表明黑沟矿区岩体可爆性排序由易到难依次为灰绿色千枚岩、镜铁矿、白云岩和铁质千枚岩。其中镜铁矿岩易爆破，说明其能保持较好的爆破效果；白云岩和铁质千枚岩爆破性均为中等，说明其爆破所需能量较高，容易产生大块；灰绿千枚岩爆破易破碎，说明其极易发生粉化现象，而且垂直于自由面的节理处易产生大块，造成块度两极分化，粉末与大块并存。