无底部结构下向中深孔逐孔微差起爆技术研究及应用

李延龙，申燕元

(1.中色非洲矿业有限责任公司； 2.益阳市地质环境监测站)

引 言

中色非洲矿业有限责任公司谦比希铜矿(下称“谦比希铜矿”)位于赞比亚铜带省基特韦市谦比希镇，是中国在境外投资开发的第一座有色金属矿山。谦比希铜矿主要由主矿区、西矿区和东南矿区3个矿区组成。东南矿区矿体倾角缓、厚度薄、埋深大，上覆巨厚的含水层，且地表有当地主要公路及其他重要的地面设施需要保护，开采难度大[1]。东南矿区设计产能为330万t/a，为保证产能，谦比希铜矿为东南矿区引进了先进的采矿设备和系统以提高矿山生产效率，降低生产成本，提升安全水平。其中，出矿设计采用无人驾驶自动化出矿系统，保证出矿作业在安全前提下高效完成。由于东南矿区矿体特殊的赋存形态，经研究决定采用以下几种采矿方法：①分层进路采矿法，矿体厚度6～12 m时，采用此采矿方法。②中深孔充填采矿法，根据矿体厚度的不同，将此方法分为2种：厚度12～20 m，上分层采用进路采矿法，下分层采用下向中深孔采矿法；厚度大于20 m，采用上向中深孔采矿法，在采场底部设计的凿岩巷内施工上向中深孔，采场顶部设计支护巷，顶板使用锚索和锚网进行支护。③全面采矿法，即房柱采矿法，厚度小于6 m，采用矿房矿柱布置[2]。

上分层进路采矿法、下分层下向中深孔采矿法回采工艺是将同一采场分为两步骤进行回采，上分层采用双臂凿岩台车进行掘进作业，顶板采用锚网和锚索支护，下分层采用中深孔凿岩台车施工下向中深孔。根据设计的采场划分，上分层一般为9.0 m×5.0 m(宽×高)的断面，采场顶板为矿体顶板；下分层采场高为矿体厚减去上分层高，宽度与上分层一致，采场底板为矿体底板。上分层采场采用掘进法，采场底板平整度易控制；而下分层采用下向中深孔施工，采场底板平整度难以把控，不平整的底板极大影响了自动化铲运机出矿效率，且对设备损耗较大，增加出矿成本。为解决上述问题，通过前期不断探索研究，借鉴露天矿的台阶爆破，决定采用下向中深孔逐孔微差起爆技术,现场应用取得较好的效果。

1 工程概况

东南矿区是谦比希铜矿3大主矿区之一，东西长6 km，南北宽5 km，面积30 km2，矿床类型为大型沉积型铜矿床。矿床具有矿石品位高、矿体分布范围广、矿化带分布规律性强等特点，资源储量较大。该矿山为新建矿山，是中色非洲矿业有限责任公司大型铜矿原料基地，采用竖井开拓方式，建设规模为330万t/a。矿体为层控型矿体，与围岩一并经受褶皱作用，总体走向NW，基本与褶皱构造轴向一致，倾向NE，倾角5°～20°，属于缓倾斜中厚矿体，平均厚度为9.63 m，矿体沿走向、倾向延伸较稳定。上盘围岩是以泥质石英岩为主的浅变质岩层，埋深497.15～986.45 m，厚度为13.98～102.50 m，岩石结构致密、完整；下盘围岩为砾岩和石英岩，埋深576.77～1 022.45 m，厚度为4.27～43.83 m，砾岩由各种圆形至次棱角状的砾石构成，胶结致密，下盘岩石均坚硬、完整。

东南矿区矿岩质量稳定性分级为：矿化板岩均属于Ⅲ或Ⅳ级岩体，上盘石英岩和下盘石英岩均属于Ⅱ级 岩体，基底花岗岩和下盘砾岩均属于Ⅱ级岩体；同一类型的岩体质量存在一定的差异，是由于同类岩体的赋存条件不同所致[3]。

2 下向中深孔回采工艺

2.1 采场参数

设计采场沿走向布置，采场长80.0 m，宽9.0 m，高为矿体厚度减去上分层回采净高，采完后的采场上分层为下分层中深孔施工和装药的通道，中深孔切割槽区布置在采场端部，采联为出矿通道，采场无底部结构,具体布置见图1。

图1 下向中深孔采场布置示意图

2.2 采准切割工程

采准切割工程主要包括凿岩硐室、切割槽、出矿通道。通过在采场两端布置的穿脉或斜坡道施工采场联络道作为出矿通道，采联长8.0 m，断面规格(宽×高)为4.5 m×5.0 m，设计采联坡度控制在12 %以内(包括12 %)，切割槽布置在采场端部，与采联相通，断面规格(宽×高)为5.0 m×4.5 m，长为9.0 m。

2.3 凿岩工艺

采用SANDVIK DL431中深孔凿岩台车施工炮孔，在采完后的上分层采场钻凿下向平行中深孔，钻孔直径为76 mm，炮孔深度为剩余矿体厚度，炮孔排距为1.625 m，孔距为1.825 m，每排布置5个炮孔，根据设备钻凿边帮孔空间要求，边孔距边帮0.85 m。所有炮孔在施工时使用孔口管保护孔壁。

2.4 回采顺序

在上分层钻凿槽孔，首先使用毫秒微差雷管起爆槽井，槽区中间孔爆破补偿空间为下部槽区和上分层采场，槽区边孔的爆破补偿空间为中间、下部槽区及上分层，边孔矿石抛掷方向为中间，槽区爆破后，正常排向槽区进行侧崩。自动化铲运机通过穿脉或斜坡道进入下分层采联出矿，矿石倒至布置在分段运输平巷或采准斜坡道旁的采区溜井，然后再通过矿卡或电机车将矿石运至主矿石溜井。

3 自动化出矿需具备条件

根据《中色非洲矿业有限公司谦比希铜矿东南矿区采选工程初步设计说明书》，东南矿区所有生产环节全部围绕自动化出矿系统进行设计，因此，东南矿区能否顺利实现达产，自动化出矿能否成功应用是关键，而其中下向中深孔采场中自动化铲运机出矿要顺利进行需具备以下条件：

1)设备配备自动化系统，已于SANDVIK采购。

2)生产区域需具有稳定独立网络，目前生产区域大部分已有网络覆盖。

3)下向中深孔采场爆破后无根底、大块少、底板较平整。

其中,条件3)是目前东南矿区亟需研究解决的，这也是本文中提到的爆破技术。

4 下向中深孔逐孔微差起爆技术

4.1 炮孔参数

在下向中深孔爆破过程中借助毫秒微差导爆管雷管，通过合理的微差时间组合，使炮孔由起爆点按顺序依次起爆，每个炮孔的起爆都是相对独立的，前一个炮孔为后一个炮孔创造了一个自由面，相邻炮孔间的矿岩在移动过程中会发生相互碰撞挤压，使岩石进一步破碎，从而能够保证较好的爆破块度。

1)炮孔直径及深度。采用SANDVIK DL431中深孔凿岩台车钻孔，钻孔直径为76 mm，设计孔口管段孔径为89 mm，长度为40 cm，孔口管长度60 cm。掏槽区中间布置4个大空孔，直径为127 mm，孔口部分使用岩渣堵塞。

2)炮孔其他参数。

(1)最小抵抗线。因正常排自由面为垂直面，且炮孔为下向平行中深孔，因此最小抵抗线等于排间距，根据如下经验公式计算[4-5]：

W=25D

(1)

式中：W为最小抵抗线(m)；D为炮孔直径(mm)。

经计算：W=1.9 m。

(2)炮孔排间距。根据孔间距a=1.1W，则孔间距为2.1 m；排间距与最小抵抗线一致，为1.9 m。

(3)炮孔深度(hp)及超深(h)。炮孔深度hp=10 m。根据h=0.2W，炮孔超深取0.4 m；为了保证底板平整度，设计时将超深加深至0.8 m。

(4)边孔及最后一排起爆孔径向不耦合系数。采用的PVC管直径为60 mm，因此径向不耦合系数为1.27。

(5)爆破补偿空间。由于槽区和上分层已完全形成，爆破补偿空间充足，符合爆破补偿空间>30 %的要求。槽区和正常排炮孔设计分别见图2和图3。

图2 槽区炮孔设计示意图

图3 正常排炮孔设计示意图

4.2 装药爆破

1)装药。装药全机械化，采用GETMAN公司的装药台车，炸药使用AEL公司的混装乳化炸药，与敏化剂在现场进行混合。槽区中部与下部采联穿透的孔装药前，孔底先使用制作的孔底填塞器填塞，槽区炮孔采用耦合连续装药，槽区孔填塞长度2.0 m。正常排中间炮孔采用连续耦合装药；边孔和最后一排起爆孔采用连续不耦合装药，起到保护边帮、防止后冲破坏其他炮孔的作用，使用直径小于炮孔直径的PVC材质管实现不耦合装药，PVC管管底封口，不耦合装药孔在装药时将装药管塞入PVC管底，然后放至孔底。正常排填塞长度为2.5 m，所有起爆孔采用孔底起爆。装药结构见图4。

图4 装药结构示意图

2)爆破器材。孔内使用长延期导爆管雷管，延期时间为500 ms，孔口使用17 ms、25 ms孔间延期和42 ms、65 ms排间延期雷管，主起爆雷管使用数码雷管，其中某次爆破主要的爆破器材见表1。

表1 主要爆破器材

3)爆破网络。爆破连线从一端开始按照设计网络逐次串联，起爆网络为起爆电缆-数码雷管-孔口延期雷管-孔内延期雷管。爆破网络见图5。

图5 爆破网络示意图

5 现场应用及效果

东南矿区第一个下向中深孔爆破采场在南采区，采用的爆破方法是逐孔微差起爆技术，由于篇幅限制，本文选取其中一个采场的某一次爆破效果进行说明。

5.1 采场情况

1)装药孔设计。东南矿区南采区756-2MU-6号采场中深孔第一次爆破，爆破区域为1P～5P，φ76 mm下向平行中深孔共计25个，总孔深200.1 m，排间距1.8 m，孔间距1.825 m。

2)采场地质。该采场岩石为常见的典型矿化板岩，黑色、灰黑色至浅灰色，隐晶质结构，板状、层状、似层状构造，与上下盘围岩呈整合接触，矿体分布较稳定、连续，局部发育少量节理及裂隙，倾向NE70°，倾角15°～25°。上盘围岩为一套以黄铁矿化、黄铜矿化板岩及泥质石英岩为主的浅变质岩，与矿体整合接触，岩石结构致密、坚硬、完整，平均抗压强度100 MPa，RQD值97 %，岩体质量中等。

下盘围岩主要为砾岩、石英岩及长石石英岩，其中局部砾岩缺失，矿体直接覆于下盘石英岩之上，岩石结构致密、坚硬、完整，平均抗压强度90 MPa，RQD值98 %，岩体质量中等。

3)采场支护情况。目前，上分层顶板已全部采用锚网支护，6L采联顶板采用锚网进行支护。

5.2 爆破方案

1)装药结构。使用现场混装炸药。采用连续耦合装药方式，装药孔25个。底部装1发雷管和起爆弹，孔口填塞长度2.5 m，透孔孔底填塞长度0.5 m。装药结构见图6。

图6 现场爆破试验装药结构示意图

2)起爆方式。采用逐孔微差起爆技术，AEL高精度导爆管雷管，孔内500 ms同段雷管，孔外、孔间采用17 ms和25 ms雷管延迟，排间采用42 ms和65 ms雷管延时。爆破网络连接见图7。

图7 爆破网络连接示意图

3)起爆顺序：以采空区为自由面和补偿空间，补偿系数大于30 %，满足本次爆破自由空间需求，首爆孔为1-2号孔。

4)爆破参数及主要技术经济指标。经统计,爆破参数和主要技术经济指标分别见表2和表3。

表2 爆破参数

表3 主要技术经济指标

5.3 爆破效果

东南矿区自动化铲运机设计出矿效率1 200 t/台班，该采场采用自动化铲运机出矿，共2个班出完，具体出矿情况统计见表4。

表4 自动化出矿情况统计

由表4可知，东南矿区自动化出矿效率与设计目标值还有差距，其主要原因有以下几点：

1)设计出矿效率是基于交接班出矿作业不停止的情况下得出的，而东南矿区刚开始使用自动化系统，很多条件不完善，暂时达不到设计出矿效率。

2)由于刚开始运行自动化系统，系统与设备和生产组织都在磨合期。

3)现场存在交叉作业，没有完全实现区域性自动化出矿。

虽然实际使用总出矿效率未达到设计目标值，但是每小时作业量100 t，即平均为10铲，已经较接近设计目标每小时出矿效率，能顺利完成自动化出矿，除了网络、设备的保证，最主要且最关键的是爆破效率，如大块率、底板平整程度。从现场爆破后的效果看，大块较少，平均为1 %～2 %，出矿完成后对底板进行了跟踪，底板、爆破面及两帮均较平整，具体情况见图8。

5.4 技术优势

根据现场应用效果，采用逐孔微差起爆技术进行作业，具有以下几方面的优势：

1)预控顶下向凿岩逐孔起爆工艺能够预先有效支护矿房顶板，保证了矿房内作业人员安全，减少了事故发生概率，同时大幅提高了矿房产能，提高了采矿效率。

2)爆破连线只采用4～5个不同段别的孔口延期雷管按逐孔起爆网络连接方式串联，装药连线作业简单易操作，不易出错。

3)采用逐孔微差起爆技术，单响药量一般为1～2个装药孔的药量，可减小爆破振动带来的地压活动，对采场边帮和顶板扰动减弱，同时减少因此带来的地压活动，尤其是地表有居民的地下矿山。

4)逐孔微差起爆技术由于矿岩间碰撞次数增加，进而可改善爆破块度，降低大块率，减少二次爆破次数，降低炸药消耗，从而降低爆破成本。

5)预控顶中深孔逐孔微差起爆工艺减少在采空区作业时间，爆破后采场爆破面、两帮及底板较平整，有利于自动化设备充分发挥其出矿效率，提高生产效率和矿山综合效益。

6 结 论

1)逐孔微差起爆后效果明显，与普通排间微差爆破相比，实施逐孔微差起爆时，先爆炮孔为后爆炮孔创造更多的自由面，爆破应力波反射充分，从而充分利用炸药能量的叠加作用，炸药用量最经济、合理，产生的爆破振动也最小。

2)预控顶下向凿岩逐孔微差起爆工艺减少了爆破振动对采场边帮的影响，提高出矿过程的安全性，且改善爆破块度，降低大块率，降低炸药消耗的同时提高铲运机出矿效率，最主要是解决了采场爆破后底板不平整的难题，保证铲运机连续作业，降低设备损耗，保证了铲运机在出矿过程中的安全性、连续性和高效性，满足东南矿区自动化出矿的生产需求，因此，可应用于矿山正常生产。

3)通过现场应用可发现，逐孔微差起爆后采场爆破面、两帮较平整，底板基本无根底，底板也较平整，有助于自动化设备充分发挥其出矿效率，为实现矿山达产目标打下基础。