露天矿复杂矿体大方量压渣爆破试验

黄 磊，刘玉龙，张怀峰，谢 烽，周恕辉，汪志平

(1.中广核铀业发展有限公司，北京 100029；2.北方爆破科技有限公司，北京 100097)

压渣爆破又称为留渣爆破或挤压爆破，是在爆破区块自由面前留存一定厚度的爆破未清理完的松散渣堆，利用渣堆有限的爆破补偿空间控制矿岩爆破位移的爆破技术[1-4]。压渣爆破可有效控制爆破矿岩边界移动，便于爆后的分采分装，降低矿石损失率和贫化率，还有利于改善爆破质量，提高生产效率[5]。压渣爆破在国内的德兴铜矿、白云鄂博铁矿、齐大山铁矿、大孤山铁矿、霍林河南露天煤矿等[6-8]露天矿山已得到了广泛生产应用。

国内科技工作者也在积极探索和改进压渣爆破工艺和技术。张生善等[9]对海州露天煤矿压渣爆破长期生产数据进行研究，结果表明压碴爆破可降低大块率，使电铲效率提升10%，爆堆前冲距离可控制在10 m以内。陈名英等[10]研究了露天爆破开采过程中滚石产生的机理，建立了简化的边坡滚石运动学模型，提出了预留岩墙的微差松动爆破方案，有效控制了滚石运动危害。顾春雷等[11]总结白云鄂博西矿爆破经验指出，考虑岩石破裂发展速度和向外移动速度等因素，根据岩石硬度系数调整压渣爆破间隔时间，同时保证压渣厚度小于底盘抵抗线，取得较好爆破效果。张超[12]对三道庄钼钨矿的渣堆厚度、爆破单耗、孔距、抵抗线等进行爆破优化试验，结果表明前排孔单耗0.75～0.81 kg/m3、孔排距8 m×5 m、压碴厚度10 m时，爆破效果最佳。汪高龙等[13]结合压渣爆破破岩机理采用逐孔起爆技术方案，在渣体厚度3.5 m、起爆间隔50 ms、炸药单耗0.45 kg/m3、前排单孔装药量130 kg、后排单孔装药量100 kg情况下，降低了岩石大块率。

目前露天矿压渣爆破试验研究和生产应用以小方量爆破为主，压渣爆破排数一般为3～7排。关于如何在露天复杂矿体大方量爆破中发挥压渣爆破技术的优势，目前缺乏系统研究，鉴于此，本文在非洲某大型露天铀矿开展了现场试验，重点研究复杂矿体大方量压渣爆破在纵深方向上的爆破质量变化和矿废混合情况，以期为大方量压渣爆破应用研究提供参考和输入。

1 工程概况与试验方案

1.1 工程概况

湖山铀矿位于非洲纳米比亚西部沿海的沙漠地区(图1)，矿床类型为白岗岩型铀矿床，主要由1号和2号带组成，矿床走向为北东-西南，长度近6 km，矿床倾向东南，延伸深度达400 m。地层垂向上由表及底依次为第四纪沉积物盖层、钙结砾岩层和基岩，铀矿床主要位于钙结砾岩及基岩中。湖山铀矿资源总量大，位居全球第三，但矿床赋存条件较复杂，单个矿体的规模较小，实现分爆分采难度较大。设计的台阶高度为15 m和7.5 m，其中15 m用于剥离废石，7.5 m用于开采矿石，每年的剥采总量约1亿t。主要铲装设备为斗容61 m3的电力绳铲和31 m3的液压铲，运输设备为载重330 t的自卸式矿卡。为了满足大型设备的生产效率，湖山铀矿采用大方量爆破，单次爆破炮孔排数15～40排，爆破方量为30～120万t。

图1 湖山铀矿布局图Fig.1 Layout of Husab mine

1.2 试验方案

压渣爆破试验选取该矿2号坑2期2B30D027矿石区块进行试验，爆破试验区块位置及爆破孔位如图2所示。此次爆破采用现有的清渣爆破孔网参数，在自由面留置8～15 m宽的松散渣体。爆破采用鱼骨型起爆网络起爆，炮孔排数18排，爆破方量35万t，爆破试验设计参数如表1所示。

图2 试验区块位置及爆破孔位图Fig.2 Location and blasting hole location map of test block

表1 压渣爆破试验参数Table 1 Parameters of buffer blast test

2 爆堆形态与块度分析

2.1 爆破位移分析

爆破前，在爆破区块周边标记4个坐标控制点(图3)。以控制点为基准，利用无人机对试验区块的爆前和爆后形态进行三维扫描，利用Pix4D软件进一步处理数据生成点状云图，再在三维矿业软件DATAMINE中生成三维数字模型，如图4所示，试验区块在爆后形成2条隆起带，隆起最大高度为13～14 m，分析隆起产生原因是，第1条隆起由压渣渣体和前中部爆炸能量挤压形成；随着炮孔排数增加，后排的被爆岩体已基本失去自由面，水平方向可移动空间较小，于是以垂向移动为主，形成第2条隆起。靠近渣体的隆起(A-B-C)整体高于远离渣体的隆起(D-E-F)，说明靠近渣体的爆堆相对松散，远离渣体的爆堆相对密实。

图3 坐标控制点标记及试验所用的无人机Fig.3 Coordinate control point marking and the drone used in the test

图4 试验区块爆堆三维模型及剖面图Fig.4 Three dimensional model and section of blast heap of test block

2.2 爆破块度分析

将试验区块爆堆大致均分为两部分，靠近渣体的称为松散区，远离渣体的称为密实区。为比较松散区和密实区的块度差异，分别在松散区和密实区选取有代表性的断面进行分析。图5为矿岩直观块度大小，由图5可以看出，松散区矿岩块度更优，分析原因是松散区矿岩在爆破过程中爆破作用时间长，矿岩相互挤压更充分，故有利于提升爆破效果。由图6可知，试验区块矿岩块度小于0.25 m的占比65%以上，0.25～1.0 m占比30%，块度分布呈收敛趋势，松散区的收敛速度大于密实区，说明大方量压渣爆破在达到一定纵深后，后排的爆堆块度质量会下降，爆破效果变差。

图5 不同爆堆区域矿岩块度对比Fig.5 Comparison of rock mass distribution in different areas of blast heap

图6 不同爆堆区域矿岩块度分布占比Fig.6 Proportion of rock mass distribution in different areas of blast heap

2.3 铲装效率分析

爆堆松散系数和破碎系数是影响电铲铲装效率的主要因素，当松散系数和破碎系数越大，表明爆堆矿岩堆存较松散、矿岩块度较小，电铲作业时阻碍因素小，作业效率高。参照2.2节，同样将试验区块分为松散区和密实区两部分，图7显示了电铲在松散区和密实区的装载效率变化情况，由图7可知，电铲在松散区的铲装效率要大于密实区的铲装效率，说明松散区的爆破效果要优于密实区，大方量压渣爆破的爆破效果在纵深方向上逐渐变差。

图7 不同爆堆区域电铲的铲装效率Fig.7 Shovel productivity in different areas of blast heap

在后续的大方量压渣爆破试验中，拟根据爆堆形态、松散系数、铲装效率等综合指标界定松散区和密实区边界，施行“一个爆破区块，两套爆破参数”策略，即在松散区沿用现有清渣爆破参数，在密实区研究制定一套更合理的爆破参数，以期进一步提升大方量压渣爆破的爆破效果。

3 试验区块矿废混合情况分析

湖山铀矿采用矿岩混爆，按照矿石品位高低(特高VHG、高HG、中MG、低品位LG)和酸耗(1、2、3档)高低，湖山铀矿将矿石分为12种类型，每种类型矿石在储矿堆单独堆存。爆破前，通过矿石组合模型(Composite Model)统计爆破区块内各矿块的设计可采的矿石数量和品位。爆破后，铲车通过定位系统确定矿岩界限并进行铲装，通过卡车称重系统对每车载重进行记录并自动录入调度系统。利用自行设计研发的门式卡车扫描站对采出的矿石品位进行在线测量。试验区块内各个矿块的矿量变化和品位变化统计情况如表2和表3所示。

表2 试验区块矿量变化和品位变化统计Table 2 Statistics of ore quantity change and grade change of test block

表3 试验区块废石装载量变化统计Table 3 Statistics of waste rock loading quantity of test block

从表2、表3可知，试验区块矿量总体增加了14.6%，品位下降了4%，而废石量减少了28.8%，说明试验区块在爆破过程中引起了一定的矿废互混，矿石被其他部位的废石稀释，造成了矿石品质下降。从矿岩量变化的位置来看(详见图8)，MG2_3，LG1_1，废石_3，废石_4和废石_5的矿岩量明显减少，这些矿岩区块集中在后部。而VHG2_1，HG2_1，HG2_3，特别是MG1_2和LG1_2等靠近渣体的矿岩区块矿量增加明显。由于中后部矿岩混入前部，也造成靠近渣体的特高和高品位矿石出现明显贫化。分析原因是在爆炸能量推挤下，远离渣体的矿岩一部分进入前部，与靠近渣体的矿岩发生混合，使得松散区矿废互混更加明显且矿岩量增加，密实区则主要表现为矿岩量减少，品位变化不大。因此，对于矿岩混爆的复杂矿体，应尽量让垂直渣体方向的矿石品位一致，以减少爆破产生的矿废混合。

图8 各矿岩区块在试验区块中的位置Fig.8 Location of each ore rock blocks in test block

4 结论与建议

1)压渣爆破延长爆破作用时间，提高炸药能量利用率，增加矿岩之间的挤压破碎，可改善爆破效果。压渣爆破有利于增大爆堆矿岩松散系数和破碎系数，控制矿岩抛掷距离，提高铲装效率。

2)通过统计分析，得出了靠近渣体爆堆(松散区)比远离渣体爆堆(密实区)的隆起高度更大，松散系数和破碎系数更大，块度平均尺寸更小，电铲铲装效率更高，揭示出大方量压渣爆破的爆破效果沿纵深方向变差。

3)计算了矿岩互混情况，试验区块爆后矿量增加14.6%，品位下降4%，废石量减少28.8%，其中松散区矿废互混更加明显且矿岩量增加，密实区矿岩量减少，品位变化不大。由此得出，对于矿岩混爆的复杂矿体，应尽量让垂直渣体方向的矿石品位一致，以减少爆破产生的矿废混合。

4)采用一套爆破参数实施大方量压渣爆破，爆堆在达到一定纵深后会产生“密实效应”。在后续的大方量压渣爆破试验中，建议按照“一个爆破区块，两套爆破参数”的思路开展爆破设计和优化。