裴 斌 劉榮祥 師文強

（1.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院；3.省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室）

露天金屬礦山開采常面臨礦體和巖體混合的爆破條件，規(guī)模不等的夾巖或巖體中含有一定規(guī)模的小礦體，爆破過程中不可避免地造成破碎礦石和巖石相互混合，破碎礦石混入巖石中將造成礦石損失，而破碎巖石混入到礦石中會造成礦石貧化。因此，在礦（巖）體混合爆區(qū)內(nèi)一次爆破實現(xiàn)礦石和巖石的有效分離，一直是金屬礦山爆破作業(yè)的技術(shù)難點。文獻［1-2］提出了在礦（巖）體混合爆區(qū)的礦（巖）體中部先行起爆，以該起爆點為中心設(shè)計環(huán)繞中心起爆點的等時線起爆方式，實現(xiàn)破碎的礦（巖）石向其起爆中心堆聚，使礦石和巖石分別堆積；但在爆區(qū)內(nèi)礦（巖）體中心無輔助自由面的條件下，該起爆方式難以保證礦巖破碎效果以及爆堆松散效果，導(dǎo)致電鏟鏟裝困難，因而難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用；文獻［3-4］是中心堆積法在不同礦山的應(yīng)用嘗試。滕瀟等［5］通過實驗對比論證爆破分離技術(shù)比傳統(tǒng)爆破技術(shù)的出礦質(zhì)量高出25%左右。郭建新等［6］對礦巖混合爆區(qū)進行PFC 數(shù)值模擬，驗證了分離爆破技術(shù)可實現(xiàn)礦巖邊界溝槽分離、爆區(qū)中部堆聚的良好效果。李順波等［7］從應(yīng)力波相互作用關(guān)系和自由面形成所需時間兩方面對礦巖分離爆破毫秒延時時間進行分析，并通過現(xiàn)場試驗得到設(shè)計礦巖分界線兩側(cè)的炮孔同時起爆可以形成溝槽，有效降低礦山的損失貧化率。傅洪賢等［8］在露天礦高臺階拋擲爆破時通過圖解法模型確定爆破參數(shù)，得到了良好的現(xiàn)場效果。李順波等［7］提出了在礦巖交界處對孔組100 ms 延時起爆實現(xiàn)邊界分離的方法，其余炮孔實施逐孔起爆，這種方法對于礦巖混合的簡單爆區(qū)分離效果較明顯，但對爆區(qū)內(nèi)其余礦石與巖石的有序堆積考慮較少，針對礦巖混合復(fù)雜爆區(qū)的礦石與巖石有效分離的技術(shù)單一。

現(xiàn)階段，礦巖混合爆區(qū)一次爆破實現(xiàn)礦石和巖石有效分離是精準爆破的研究熱點和難點。目前對于礦巖混合復(fù)雜爆區(qū)的爆破高效分離作用原理、設(shè)計原則和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的確定尚不明確。本研究針對某礦爆區(qū)中多礦種、眾礦體、巖種復(fù)雜共生，爆區(qū)立剖面和平面圖上礦（巖）體復(fù)雜共存的現(xiàn)象，提出了跨礦巖交界對孔組有序起爆的多面臨空拋擲分離+礦（巖）體前排孔中部多零點V 型起爆相結(jié)合的爆破分離技術(shù)方案，通過數(shù)值模擬確定分離爆破關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，實現(xiàn)一次爆破礦石和巖石高效分離、有序堆積，提高礦巖混合復(fù)雜爆區(qū)的礦石回收率，降低礦石貧化率，推動復(fù)雜礦床精細開采技術(shù)發(fā)展。

1 礦巖爆破分離技術(shù)方案的提出

（1）礦巖體混合爆區(qū)一次爆破高效分離礦石和巖石的難題體現(xiàn)在兩方面。①破巖過程：爆區(qū)內(nèi)礦巖混合共生的賦存特性和傳統(tǒng)臺階爆破設(shè)計（臺階坡面逐排或逐孔起爆拋擲），致使礦石和巖石不可避免地在爆堆中混合；②電鏟出礦過程：相近的礦（巖）石物性和顏色使爆堆中的礦石和巖石目視難以辨認，出礦過程中的電鏟前取樣化驗結(jié)果又嚴重滯后，對于混合爆堆的出礦難以提供實時技術(shù)支撐，礦石與巖石分別有序鏟裝非常困難。本項目針對金屬礦露天臺階深孔爆破礦巖混合爆區(qū)的高效爆破分離，提出解決方案和技術(shù)原則（圖1）。

（2）礦（巖）體中心的多點V 型等時線起爆堆聚技術(shù)。如圖1 所示，針對爆區(qū)內(nèi)礦巖體共生現(xiàn)象，在混合爆區(qū)規(guī)劃的各礦巖體前排中部設(shè)置起爆點，以此起爆點為中心設(shè)計礦（巖）體中部V 型起爆網(wǎng)絡(luò)，礦（巖）體區(qū)塊V 型起爆有機協(xié)同產(chǎn)生向各自中心堆聚的拋擲效應(yīng)；另一方面，礦巖分界處也是各V 型起爆子系統(tǒng)的分界線，爆區(qū)內(nèi)多點V 型起爆進一步強化規(guī)劃礦巖體邊界的分離效應(yīng)。

（3）礦巖相互包圍的中心堆聚分離技術(shù)。在礦巖相互包圍（嵌入）的爆區(qū)，選擇礦（巖）體的似中心部位以該起爆點為幾何中心，孔先起爆，設(shè)計周圍炮孔向此中心起爆點的等時線毫秒延時起爆，實現(xiàn)周圍炮孔起爆后向礦（巖）體中心區(qū)域堆聚的效果。

2 臺階爆破分離模型建立及邊界條件確定

用PFC3D模擬研究某礦14 m 臺階φ310 mm 大直徑深孔三角形布孔、礦巖混合爆區(qū)礦巖交界部位在爆炸荷載作用下，同排炮孔間不同起爆順序及延期時間破碎礦（巖）石的拋擲堆積特性，在實現(xiàn)充分爆破破碎的前提下，以圖完成礦巖石的有效分離和有序堆積過程。

（1）模型尺寸。目前某礦用孔徑310 mm 的深孔進行臺階爆破，臺階高度14 m，炮孔超深2 m，臺階傾角70°～80°，牙輪鉆機前排穿孔安全距離4 m，排間距6 m，礦體部位孔間距8 m，巖體部位孔間距10 m，確定模型參數(shù)見表1。

（2）邊界條件的設(shè)定。實際的爆區(qū)是一個半無限介質(zhì)，存在自由面和無限介質(zhì)區(qū)域，而在建立模型時，受顆粒數(shù)量的限制，模型必然是四周都存在邊界的有限介質(zhì)體。做動力分析時，振動波傳播到有限介質(zhì)的邊界會發(fā)生反射，使運行結(jié)果與實際情況產(chǎn)生較大差異，因此需要人工設(shè)置無反射邊界條件，使爆轟波傳播到無限介質(zhì)的邊界時被吸收掉。本模型將通過振動波法設(shè)置無反射邊界條件。

（3）礦巖力學(xué)性能的細觀參數(shù)確定。PFC 是通過對顆粒間接觸的細觀參數(shù)進行設(shè)置，使顆粒集合體的宏觀力學(xué)性質(zhì)與實際巖體相匹配的，因此需要對控制顆粒間接觸性質(zhì)的相關(guān)參數(shù)進行標定。通過單軸壓縮試驗?zāi)M進行標定，得到了3種礦巖的細觀參數(shù)（表2）。

（4）炮孔內(nèi)爆炸荷載的施加。采用單顆粒炸點膨脹法可以較好地實現(xiàn)炸藥的仿真模擬。在柱狀連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)中，可以通過一系列炸點達成柱狀藥柱的爆炸性能。依據(jù)Starfiled 疊加原理，單元球形顆粒藥包的疊加后總長度達到柱狀裝藥的長度。其中一系列炸點顆粒之間存在的微差時間可以用表示為

其中，Δt為兩炸點之間的延時間隔，ms；d為兩炸點顆粒間的間隔距離，m；D為炸藥的爆轟速度，m/s。

在本模擬中，炮孔采用銨油炸藥，銨油炸藥原料來源豐富，加工工藝簡單，成本低，生產(chǎn)運輸比較安全，具備較好的爆炸性能，有水炮孔采用乳化炸藥。炸藥的物理力學(xué)性能參數(shù)見表3。

爆炸應(yīng)力波是以球面波的形式向外進行傳播，其傳播形式可以等效為脈沖應(yīng)力波，可以將其簡化為半正弦波。表達式為

式中，A為孔內(nèi)峰值應(yīng)力，Pa；ΔT為正弦波作用時間，s；p(t)為氣體壓力，MPa。

此次模擬采用連續(xù)耦合裝藥結(jié)構(gòu)，因此藥柱壁受到的沖擊壓力p為

式中，ρ0為炸藥密度，g/cm3；ρr0為巖石密度，g/cm3；cp為巖石縱波波速，km/s；D為炸藥爆速，m/s，pc為爆轟波面壓力，GPa。

在炸點顆粒進行膨脹的過程中，當與柱狀藥壁接觸時，會對巖石顆粒產(chǎn)生接觸并施加有力的作用，其中施加的推力F為

式中，dr為爆炸點顆粒半徑變化范圍，m；r0為爆炸點原始半徑，m；p2為沖擊壓力，MPa。

因此顆粒半徑變化范圍dr為

式中，Kn為顆粒間接觸剛度，N/mm。

在此基礎(chǔ)上，按式（4）進行荷載加載，即可將爆炸應(yīng)力作用于礦巖體上。用PFC3D建立模擬礦巖爆破分離的臺階深孔爆破模型如圖2所示。

3 跨礦巖交界處對孔長延時有序起爆拋擲效果研究

V 型起爆和環(huán)向中心起爆網(wǎng)絡(luò)形成中心堆聚效應(yīng)已是行業(yè)共識，故不再贅述。本項目將用PFC3D模擬某礦臺階大直徑深孔跨越礦巖邊界時同排2 組對孔間在爆炸荷載作用下，礦巖石的拋擲運動特性及分離效果，摸索在礦巖交界部位如何通過同排炮孔間有序起爆形成多面臨空條件和精準控制延時起爆實現(xiàn)有序拋擲堆聚、分離的特性，為現(xiàn)場試驗確定技術(shù)參數(shù)提供技術(shù)支撐。模擬試驗采用相同炮孔布置參數(shù)、先同時起爆跨越交界炮孔的毗鄰1 組對孔（2個炮孔），經(jīng)過不同延時間再同時起爆跨越礦巖交界的兩側(cè)另1組對孔（2 個炮孔）。

在逐孔起爆條件下，延期時間對爆破效果具有重大影響。延期時間較小，爆轟波會產(chǎn)生疊加，加強巖體的破碎，且使后爆巖體對先爆巖體進行碰撞，加強破碎，但延期時間較小會產(chǎn)生較大的地震效應(yīng)，影響邊坡穩(wěn)定性并容易產(chǎn)生飛石；延期時間較大，能夠產(chǎn)生足夠的自由面，有利于巖體的拋擲及爆破振動的控制，但自由面較多會使炸藥能量得不到充分利用，破碎效果較差，容易產(chǎn)生大塊。在分離爆破中，既需要先爆巖體為后爆巖體形成足夠自由面提供拋擲空間，又需要使爆破后的破碎塊度符合出礦要求，因此，需要研究摸索對孔同時有序起爆的順序和對孔組間延期時間對爆破分離效果的影響。

3.1 混合爆區(qū)同排炮孔爆破拋擲運動特性研究

在拋擲過程中，通過觀察炮孔內(nèi)炸藥起爆后臺階坡面顆粒動態(tài)變化過程，來分析邊界爆破分離拋擲效果，現(xiàn)以對孔同時起爆組間長間隔延時為110 ms 礦巖的拋擲特性研究為例，介紹在爆炸荷載作用下，礦巖石的運動及拋擲特性，其他不同炮孔組延時的破巖、礦巖運動特性與此類似，不再一一贅述。在爆炸荷載作用下，排間炮孔順序?qū)灼鸨V巖石的運動、拋擲過程如圖3 所示?？拙W(wǎng)參數(shù)為（8.0～10.0）m×6.0 m，臺階高度為14.0 m，超深2.0 m，最小抵抗線6.0 m。以垂直鉆孔連續(xù)裝藥為例，通過PFC3D模擬研究可以發(fā)現(xiàn)，在0 ms 時刻，礦巖交界遠端對孔同時起爆，經(jīng)過10 ms，表面最小抵抗線處開始出現(xiàn)顆粒移動，速度接近23.1 m/s，此時顆粒運動緩慢，礦巖體變形鼓包現(xiàn)象不明顯。

隨著爆炸應(yīng)力波的傳播，在15～20 ms內(nèi)，順序?qū)着_階坡面處以及側(cè)向自由面顆粒移動范圍變大，同時最小抵抗線處速度有所減小，達到18.02 m/s，說明此時應(yīng)力波傳播范圍變大，作用強度呈減弱趨勢，最小抵抗線處速度峰值有所衰減。

當荷載作用時間達到38 ms 時，坡面最小抵抗線處出現(xiàn)變形鼓包，鼓包現(xiàn)象明顯，顆粒速度為16.2 m/s；到50 ms 時，鼓包范圍擴大，臺階坡面以及側(cè)面均呈現(xiàn)顆粒拋擲現(xiàn)象，此時破碎巖塊拋擲速度為14.9 m/s。相比于鼓包運動開始時刻，顆粒速度下降8.02%，破碎礦巖將按照彈道拋擲理論，在重力作用下進行拋擲。

模擬研究結(jié)果表明：炮孔藥柱起爆之后，爆炸應(yīng)力波在礦（巖）體內(nèi)傳播迅速，在最小抵抗線方向上受力作用最為顯著。在爆破應(yīng)力波和爆轟氣體的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生沿最小抵抗線方向朝臺階坡面的快速膨脹擴張，形成向外凸起的鼓包；至起爆38 ms 時刻，鼓包開始破裂，隨后進行礦巖石顆粒的拋擲、堆積，爆堆中礦巖混合，破碎礦巖不會產(chǎn)生分離現(xiàn)象。

3.2 爆破臺階坡面拋擲速度及位移分析

圖4 所示為分析臺階坡面上下拋擲過程速度變化規(guī)律，對藥柱正向坡面處進行1#～5#監(jiān)測點劃分，其中1#監(jiān)測點位于堵塞段，據(jù)臺階底部為13 m 的位置上劃分為2#～5#監(jiān)測點，此4 個監(jiān)測點位于柱狀裝藥段，分別對應(yīng)臺階高度10，8，6，3 m 坡面位置處，數(shù)值模擬試驗將分別研究各監(jiān)測點的速度及位移變化情況，通過對巖石平均拋擲速度以及拋擲位移的大小進行分析，闡述巖石爆破拋擲過程中的運動特性。

如圖5 所示可以發(fā)現(xiàn)，在坡面監(jiān)測點1#～5#處，位移與速度變化趨勢相同，均呈現(xiàn)中間最小抵抗線處位移及速度大，頂側(cè)處于炮孔堵塞階段，底側(cè)處于臺階底部，受底盤抵抗線逐漸變大的影響，所以位移及速度較小。其中位移范圍在-0.9～0.3 m，速度范圍在-1.6～0.5 m/s，說明坡面處在跨礦巖交界炮孔連線的中部側(cè)向位移均較小，基本可以忽略側(cè)向拋擲作用，即礦巖交界處，有序?qū)组L延時起爆時，跨越礦巖交界處礦（巖）的運動速度和移動位移都較小，礦巖在交界面爆破分離過程中互混現(xiàn)象輕微。

如圖6 所示，正向（Y向）拋擲趨勢同樣為最小抵抗線處速度及位移最大，向坡面上下兩側(cè)呈遞減狀態(tài)，其中坡面位移拋擲速度可達到15.6 m/s，最大拋擲位移為25.2 m，頂部及底部速度小，拋擲距離也較小，最遠距離不超過3 m。同時對比于側(cè)向拋擲位移及速度，可以明顯看出，在跨礦巖邊界多自由面臨空同時起爆后，坡面拋擲主要過程為正向（Y向）拋擲，巖石側(cè)向拋擲范圍小，基本忽略不計，即爆破巖石混入礦石造成的貧化現(xiàn)象可以忽略不計。

3.3 炮孔排面處礦石拋擲速度及位移分析

如圖7所示，以跨越礦巖交界處礦石側(cè)為研究對象，分別在邊界柱狀藥柱兩側(cè)分別設(shè)置6#～10#、11#～15#監(jiān)測點，具體位置分別為藥柱中心側(cè)向（X向）偏移±2 m，正向（Y向）為藥柱中心偏移+2 m，垂直向分別為臺階高度15，12，9，6，3 m。對監(jiān)測點的兩向速度及位移進行數(shù)值模擬研究，分析礦石體運動規(guī)律對礦巖分離效果的影響。

（1）6#～10#監(jiān)測點速度及位移分析。與常規(guī)起爆方式（排間起爆、逐孔）不同，同排炮孔有序?qū)灼鸨?，為跨邊界炮孔起爆提供了瞬時自由面，通過圖8可以看出，整體趨勢與坡面相同，呈現(xiàn)中間位移及速度大，頂端及底端位移及速度小的現(xiàn)象。在側(cè)向（X向）位移中，抵抗線處速度達到-9.0 m/s，位移最大達到-5.9 m（負號代表位移方向），說明在邊界炮孔處沿側(cè)向產(chǎn)生了較大位移，達到爆破分離的效果，能有效側(cè)向拋擲炮孔周圍的礦石或巖石。

如圖9所示，整體趨勢上由最小抵抗線8#監(jiān)測點處位移12.0 m，速度10.9 m/s 向頂部及底部進行遞減，臺階底部因抵抗線大，頂部因處于填塞段，所以位移及速度整體小于最小抵抗線處?？梢钥闯?，同排炮孔有序起爆產(chǎn)生的瞬時自由面條件下，6#～10#監(jiān)測點不僅實現(xiàn)了正向拋擲，同時可以在側(cè)向進行拋擲形成有效分離，實現(xiàn)礦巖交界處的礦巖有效分離，降低貧化率。

（2）11#～15#監(jiān)測點速度及位移分析。如圖10 所示，可以看出11#～15#監(jiān)測點處的側(cè)向位移以及速度均處于較小水平，其中位移范圍為-0.6～0.2 m，速度范圍為-0.4～0.4 m/s，在靠近邊界處的監(jiān)測點因跨礦巖交界炮孔同時起爆，導(dǎo)致應(yīng)力波的相互疊加抵消，因此，邊界處發(fā)生側(cè)向拋擲較小，說明礦巖交界處未發(fā)生礦巖拋擲互混現(xiàn)象。

如圖11所示，在11#～15#監(jiān)測點處，拋擲位移及速度均比側(cè)向有較大提升，最大拋擲速度為14.3 m/s，最大拋擲位移為19.1 m。通過監(jiān)測點分析可以發(fā)現(xiàn)，受到跨邊界孔同時起爆以及坡面自由面的影響，該處主要發(fā)生位移正向拋擲，便于形成溝槽，達到減少礦石與巖石混合的目的。

3.4 礦巖交界線坡面處拋擲速度及位移分析

如圖12 所示，模擬試驗研究礦巖分界線坡面上的16#～20#監(jiān)測點，其中坡面點的位置同1#～5#監(jiān)測點相同，分別為堵塞段臺階高度13 m，柱狀藥柱分別為10、8、6、3 m，將進一步確定在邊界線上的介質(zhì)拋擲運動規(guī)律，以此總結(jié)在邊界處礦巖拋擲分離的規(guī)律，為現(xiàn)場工業(yè)試驗打下基礎(chǔ)。

通過圖13 可知，整體變化趨勢為自頂點監(jiān)測點開始，速度及位移均呈現(xiàn)逐漸先增大后減小的趨勢，其中16#～18#監(jiān)測點位移方向為側(cè)向負軸，即向兩側(cè)拋擲，20#監(jiān)測點位移為0.04 m，向側(cè)向正軸移動。整體位移趨勢波動不大，最大位移為-0.65 m，說明坡面邊界線處受對孔同時起爆應(yīng)力波相互疊加抵消作用，不以側(cè)向移動為主，交界線處破碎礦巖石相互混合輕微。

如圖14所示，16#～20#監(jiān)測點均為正向位移，最小位移出現(xiàn)在臺階頂部堵塞段，16#監(jiān)測點位移為4.8 m，最大位移出現(xiàn)在最小抵抗線處，為25.6 m，速度變化范圍在2.2～17.4 m/s，所以通過側(cè)向以及正向位移和速度分析，可以看出在邊界線坡面處主要以正向拋擲為主，18#監(jiān)測點正向拋擲距離為1#～20#監(jiān)測點中最大，說明在多自由面臨空條件下，跨礦巖交界炮孔同時起爆后，形成應(yīng)力疊加，導(dǎo)致應(yīng)力的增加以及拋擲速度上升。

4 結(jié)論

通過對某礦14 m 臺階φ310 mm 大直徑深孔逐孔、排間梯段起爆、跨越礦巖交界順序和有序長延時對孔起爆等工況條件下，臺階深孔在爆炸荷載對巖石拋擲效果的影響進行數(shù)值模擬研究分析，得出以下結(jié)論。

（1）傳統(tǒng)的露天礦臺階排間延時起爆和逐孔起爆不能形成混合爆區(qū)礦巖的有效分離，研究結(jié)果表明，在礦巖混合爆堆中，礦巖互混嚴重，造成了部分礦石拋入巖石堆中而損失，部分巖石拋入礦石堆中造成貧化，致使得礦石回收率下降，貧化率上升。

（2）通過模擬，可以看出跨礦巖分界線處的正向拋擲速度及位移較大，側(cè)向因應(yīng)力疊加抵消導(dǎo)致拋擲運動速度及位移較小，因此邊界線處主要為正向移動，同時有效避免礦巖混合現(xiàn)象；跨交界炮孔周圍因先行起爆為孔組創(chuàng)造了瞬時自由面條件，導(dǎo)致破碎巖塊顆粒整體既向前方正向拋擲，同時也向側(cè)向拋擲分離，利于礦巖體的拋擲分離；從各監(jiān)測點特性可以看出，臺階整體垂直高度上在最小抵抗線處位移及速度最大，依次向兩側(cè)遞減。

（3）在跨越礦巖交界的同排炮孔有序?qū)灼鸨绞较?，對孔組在110～150 ms 不同延期時間下的模擬結(jié)果表明，隨著延期時間的增加，有利于為跨交界炮孔提供充足的拋擲空間，減少礦巖體拋擲過程中的碰撞，使得分離溝槽寬度增加，同時礦巖體爆堆高度相對有所提升。由于兩側(cè)礦巖體力學(xué)性質(zhì)上的差異，混合爆堆中礦石爆堆高度略高于巖石堆高度，但整體堆積效果基本相近。

（4）在混合爆區(qū)跨越礦巖交界有序長延時起爆進行爆破分離技術(shù)方案基礎(chǔ)上，以爆區(qū)內(nèi)礦（巖）區(qū)域中心為起爆點，采用各自區(qū)域V 型起爆方案，可以實現(xiàn)礦巖石的各自中心堆積，同時也強化了跨礦巖交界處拋擲瞬時自由面效應(yīng)，更有利于深凹溝槽的產(chǎn)生，充分降低混合爆堆礦石的貧化率。