李順波 李澤華 楊 軍 王洪強(qiáng) 余德運(yùn)

①北方爆破科技有限公司(北京，100089)②北京理工大學(xué)爆炸科技與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京，100081)

引言

隨著大型露天挖運(yùn)設(shè)備的投入運(yùn)行，露天采礦規(guī)模和強(qiáng)度的不斷加大，與之相配的生產(chǎn)計(jì)劃的爆破礦塊只有達(dá)到一定規(guī)模才能使設(shè)備能力充分發(fā)揮作用。而有色金屬等復(fù)雜礦體的儲(chǔ)存形態(tài)嚴(yán)重限制了生產(chǎn)計(jì)劃的礦塊劃分尺寸，大爆區(qū)高強(qiáng)度開(kāi)采與小礦塊復(fù)雜礦巖界限的矛盾，直接導(dǎo)致礦山生產(chǎn)效率降低或造成礦石損失、貧化率增加。露天礦產(chǎn)資源開(kāi)采始終伴隨著損失貧化，對(duì)礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生直接影響。礦石損失與貧化反映了礦產(chǎn)資源的有效利用程度，是評(píng)價(jià)礦床開(kāi)采水平的主要指標(biāo)之一。

國(guó)內(nèi)不少學(xué)者都致力于采礦過(guò)程中礦石損失貧化控制技術(shù)的研究。李紀(jì)玉等[1]在焦家金礦針對(duì)不同的上盤(pán)圍巖條件，選用與其相適應(yīng)的采礦方法，優(yōu)化安全生產(chǎn)環(huán)境，降低采礦損失貧化率。文獻(xiàn)[2-3]在無(wú)底柱分段崩落法的研究中提出了低貧損開(kāi)采模式，即在開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整放礦方式，優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以適應(yīng)崩落礦石的移動(dòng)規(guī)律，改善放礦條件，放出更多的純礦石，并控制了廢石放出。

余鐵鋼等[4]在甕福磷礦英坪礦段開(kāi)采中根據(jù)礦山地質(zhì)及爆破條件，通過(guò)設(shè)計(jì)炮孔穿孔方式、起爆時(shí)序和確定合理的延遲時(shí)間，提出了礦巖分離爆破方案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石爆破移動(dòng)方向的控制，從而使礦巖分離。張樂(lè)等[5]通過(guò)等時(shí)線輔助分析軟件，便捷地設(shè)計(jì)炮孔起爆時(shí)序，再根據(jù)礦山地質(zhì)及爆破條件確定合理的延遲時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石爆破移動(dòng)方向的控制，并使礦巖分離。國(guó)外的學(xué)者[6-7]也對(duì)爆破導(dǎo)致的礦石損失與貧化進(jìn)行了研究。

目前，在露天臺(tái)階爆破采礦中，受到地質(zhì)勘查和成礦條件的復(fù)雜性等因素的影響，礦石和巖石的分界線在采礦不同階段經(jīng)常處于調(diào)整變化狀況，當(dāng)露天臺(tái)階爆破推進(jìn)至礦巖交界處時(shí)，損失和貧化都會(huì)相應(yīng)增加。如能實(shí)現(xiàn)礦巖混爆分離，不僅能夠按照設(shè)備生產(chǎn)能力劃分礦塊、計(jì)劃開(kāi)采，還可以有效地控制礦石損失與貧化。因此，研究礦巖爆破分離技術(shù)在復(fù)雜礦體露天開(kāi)采中具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 礦巖分離爆破毫秒延時(shí)間隔分析

礦巖分離爆破就是在礦巖混合的爆區(qū)利用爆破技術(shù)在爆堆的礦巖分界位置產(chǎn)生明顯的溝槽(也稱拉溝)，以便裝運(yùn)設(shè)備能夠根據(jù)爆堆礦巖分界分別作業(yè)，防止因礦巖混合產(chǎn)生礦石損失和貧化。

露天礦臺(tái)階爆破為了控制后翻，通常在爆區(qū)最后一排有意制造拉溝。也就是通過(guò)適當(dāng)增加后排孔延時(shí)間隔，改變后排孔的礦巖移動(dòng)距離，在爆區(qū)后邊界的爆堆上形成一道明顯溝槽。礦巖分離爆破就是將后排孔的這種拉溝原理用于礦巖分界線。

礦巖分離爆破的核心問(wèn)題，實(shí)際上就是考慮礦巖分界線兩側(cè)炮孔的毫秒延時(shí)間隔和其相鄰孔的延遲時(shí)間設(shè)定的問(wèn)題。

如圖1中所示，礦巖分界線兩側(cè)有炮孔1#～炮孔4#，要保證礦巖兩側(cè)實(shí)現(xiàn)分離爆破，需要孔2#和孔3#在t時(shí)刻同時(shí)起爆，且孔1#和孔4#早于孔2#和3#起爆，為其創(chuàng)造新的自由面。孔1#和孔2#的毫秒延時(shí)間隔與孔4#和孔3#的毫秒延時(shí)間隔Δt的設(shè)定是關(guān)鍵，其延時(shí)間隔包含了裂紋擴(kuò)展形成時(shí)間和巖體拋擲運(yùn)動(dòng)一段距離的時(shí)間。

爆炸沖擊波在巖石中的動(dòng)壓力關(guān)系為[8-9]

圖1 礦巖分離爆破延時(shí)間隔設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of delay interval of ore rock separation blasting

式中：n和m為無(wú)量綱，是與距離有關(guān)的阻尼參數(shù)；ω為圓頻率

圖2給出了圖1中孔2#和孔3#在同時(shí)起爆和具有延時(shí)間隔情況下的應(yīng)力波傳播示意圖(兩孔的裝藥量相等)。由式(1)可知，在圖2(a)同時(shí)起爆條件下，孔2#和孔3#在分界線處產(chǎn)生的壓力相等，分界線處的巖體和礦體向兩側(cè)移動(dòng)。在圖2(b)中，孔2#在分界線處產(chǎn)生的壓力要小于孔3#產(chǎn)生的壓力；因此，二者的合力方向朝孔2#方向，分界線處的巖體運(yùn)動(dòng)方向朝孔2#方向，造成了二者的混合。

圖2 相鄰孔應(yīng)力波傳播示意圖Fig.2 Schematic diagram of stress wave propagation in adjacent holes

假定應(yīng)力波從爆源出發(fā)，經(jīng)過(guò)自由面反射后和裂紋擴(kuò)展相遇，裂紋擴(kuò)展方向和自由面形成的夾角為?，從圖3中的幾何關(guān)系可以得到

應(yīng)力波經(jīng)過(guò)(g＋h)距離所用的時(shí)間和裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度e所用的時(shí)間相同，可以得到

假設(shè)裂紋擴(kuò)展速度和縱波波速cp成正比，K為常數(shù)，有

圖3 應(yīng)力波反射和裂紋擴(kuò)展的幾何關(guān)系Fig.3 Geometric diagram of stress wave reflection and crack propagation

由式(4)、式(5)可以得到

則

因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展速度和巖石中縱波波速可以表示為

由圖4可得

延遲時(shí)間表示為

圖4 兩炮孔所形成的區(qū)域Fig.4 The area formed by two holes

在臺(tái)階爆破中，若采用垂直孔，由于臺(tái)階傾角的影響，使得臺(tái)階底部抵抗線大于臺(tái)階頂部抵抗線，因此，應(yīng)根據(jù)二者分別計(jì)算出自由面形成所需要的時(shí)間，臺(tái)階上部抵抗線為4.5 m，巖石縱波波速3 000 m/s，臺(tái)階高度7.5 m，則其臺(tái)階底部形成自由面所需的時(shí)間約為12 ms。形成自由面的最小時(shí)間為12 ms，同時(shí)需要考慮坡面巖石拋擲初速度達(dá)到最大值，結(jié)合文獻(xiàn)[10]中的相關(guān)研究成果，從而將圖1中孔1#和孔2#，孔3#和孔4#的毫秒延時(shí)間隔時(shí)間設(shè)定為100 ms。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 工程概況

湖山鈾礦位于西南非洲納米比亞，緊鄰大西洋的沙漠之中，是近十年來(lái)全球范圍內(nèi)最大的鈾礦。

湖山礦現(xiàn)在開(kāi)發(fā)區(qū)域分為1號(hào)坑、2號(hào)坑。每個(gè)坑分為2期開(kāi)采(開(kāi)采區(qū)、擴(kuò)幫區(qū))，所以從形態(tài)上看，目前總共有4個(gè)坑，即1號(hào)坑1期、1號(hào)坑2期、2號(hào)坑1期、2號(hào)坑2期。其中，兩個(gè)坑的1期已見(jiàn)礦，承擔(dān)出礦任務(wù)；兩個(gè)坑2期主要為擴(kuò)幫，主要為后期開(kāi)發(fā)拓展開(kāi)采空間。

1號(hào)坑1期開(kāi)采至11臺(tái)階，1號(hào)坑2期擴(kuò)幫，目前開(kāi)采的主要臺(tái)階有5、6、7、8臺(tái)階。2號(hào)坑1期目前開(kāi)采至21臺(tái)階，2號(hào)坑2期目前開(kāi)采至11臺(tái)階?？傮w來(lái)看，兩個(gè)坑的1期已全面進(jìn)入硬巖區(qū)域，承擔(dān)出礦任務(wù)。兩個(gè)坑的2期主要以松散巖石、表土為主，局部見(jiàn)到硬巖。

湖山鈾礦礦體分布不連續(xù)，且分散度高，礦體厚度也不均勻(圖5)。目前，礦塊最小開(kāi)采單元為2 000 t，即體量小于2 000 t的礦塊放棄開(kāi)采。2 000 t的礦塊，礦體開(kāi)采臺(tái)階高度為7.5 m，礦塊厚度為3.0～7.5 m時(shí)，礦塊面積也只有100～260 m2，面積較小。

圖5 典型礦石品位分布(單位：m)Fig.5 Classification distribution map of ores(unit：m)

2.2 2B23D009區(qū)塊試驗(yàn)

2B23D009區(qū)塊主要巖石類(lèi)型為花崗巖，抗壓強(qiáng)度156.3 MPa，設(shè)計(jì)鉆孔深度9.0 m，超深1.5 m，鉆孔直徑165 mm。共計(jì)482個(gè)孔，裝藥量246 969 kg，采用高精度導(dǎo)爆管雷管連接，孔內(nèi)500 ms，孔間42 ms，排間65 ms。擬拉溝兩側(cè)的孔同時(shí)起爆，與其相鄰孔的毫秒延時(shí)設(shè)定為100 ms以上。鉆孔信息見(jiàn)表1。

表1 鉆孔信息Tab.1 Borehole information m

從圖6中可以看出，礦體(圖中藍(lán)色部分)呈現(xiàn)一個(gè)圓形分布，未連線部分本次沒(méi)有爆破孔。在圖7、圖8中可以看出爆破后形成肉眼可以辨識(shí)的界限，驗(yàn)證了相關(guān)設(shè)計(jì)原則的可行性。

圖6 2B23D009網(wǎng)路連接圖Fig.6 2B23D009 connection diagram of blasting network

圖7 2B23D009區(qū)塊爆破前Fig.7 2B23D009 block before blasting

圖8 2B23D009區(qū)塊爆破后Fig.8 2B23D009 block after blasting

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)礦巖分離毫秒延時(shí)間隔的分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到在礦巖分界線可形成明顯拉溝現(xiàn)象的毫秒延時(shí)設(shè)計(jì)原則為：礦巖分界線兩側(cè)的孔需同時(shí)起爆，與其相鄰孔的毫秒延時(shí)間隔時(shí)間設(shè)定為100 ms。