某石灰岩矿中深孔爆破参数优化研究

饶运章， 王春华， 黄铁平， 彭乐平

（1.江西理工大学资源与环境工程学院,江西 赣州 3410002.广东省冶金建筑设计研究院，广州 510080）

某石灰岩矿中深孔爆破参数优化研究

饶运章1， 王春华1， 黄铁平2， 彭乐平2

（1.江西理工大学资源与环境工程学院,江西 赣州 3410002.广东省冶金建筑设计研究院，广州 510080）

针对某石灰岩矿劳动强度大、生产效率低、安全条件差的开采现状，应用中深孔房柱法，借鉴露天台阶爆破参数设计及优化方法，通过正交试验法对抵抗线、孔排距、堵塞长度等3个影响爆破效果主要因素进行优选，并进行了爆破震动测试.确定了合理的中深孔凿岩爆破参数，降低了爆破大块率，改善了爆破效果，降低了矿山成本.

中深孔；正交试验；爆破参数；台阶爆破；爆破震动

0 概 述

某石灰岩矿山是由两个石灰岩矿山整合而成，矿区面积0.4415 km2，开采深度+20～-25 m标高.该矿山分东、西两个矿区，设计生产规模40万t/a，东、西采区各20万t/a.东矿区为露天开采，采用公路汽车开拓运输.西矿区为地下开采，采用斜坡道、汽车开拓运输.原采矿方法为浅孔房柱法，浅孔崩矿，挖掘机装矿，自卸式汽车运输.矿块垂直矿体走向布置，每个矿块划分成矿房、间柱和顶柱3个部分.矿房宽15 m，长80～100 m，高 12 m.连续间柱宽 15 m，顶柱厚 20 m.间柱和顶柱为永久性矿柱，不予回采，采空区不处理.浅孔房柱法普遍存在工人劳动强度大，生产效率低，通风条件差等缺点.因浅孔房柱法矿房生产能力小，凿岩爆破工作频繁，粉尘污染大，严重影响工人身体健康.在空场条件下作业，顶板控制难度大，容易引起冒顶、片帮，经常发生岩石冒落造成财产损失和人员伤亡事故，存在一些不安全隐患.因此，通过对矿山现有实际情况的分析,选定了预切顶下向平行中深孔房柱法作为新的采矿方法，并在该矿得到了运用[1].解决了生产能力小，安全因素差的缺陷，极大地提高了矿山的生产效率和安全状况.

1 开采技术条件

矿床赋存于下二叠统栖霞组（P1q）的碳酸盐岩地层中，呈厚层状产出，其产状与地层构造一致.矿体为北东-南西走向，倾向南东-北西，倾角 45～49°，矿体沿走向长 1060 m，宽 250～490 m，厚度 16.85～114.17 m.矿区的灰岩属下二叠统栖霞组灰岩，主要岩性为灰黑色中厚层状灰岩，生物碎屑灰岩及白色大理岩.矿石结构致密，矿层厚度较大，连续完整，节理裂隙不发育.矿石单轴抗压强度62.2～63.6 MPa，平均62.9 MPa.矿石岩质完整新鲜，为坚硬岩石，工程性能良好，工程地质条件简单.

中深孔爆破试验采场位于西矿区+10 m中段、0号勘探线以东斜坡道左侧附近.矿岩为灰岩和大理岩，矿岩坚硬稳固，坚固系数f=5～10.矿房长60 m，宽15 m.矿房分两层回采，上分层高8 m，下分层高10 m.先用浅孔落矿回采上分层，留出8 m×15 m切顶空间，作为中深孔凿岩爆破回采下分层的工作平台.在矿房端部开切割槽，规格2.5 m×15 m，作为中深孔爆破的自由面和补偿空间.中深孔爆破试验采场结构示意图见图1.

2 中深孔爆破参数优化研究

影响爆破作用的因素很多,归纳起来主要有3个方面：岩石特性、炸药性能、爆破参数.其中爆破参数中的孔网参数、装药结构、爆破网络、起爆顺序等对爆破作用的影响最为主要[2]，另外孔径、孔深、超深、抵抗线、孔距、排距、堵塞长度、单位炸药消耗量等参数，又是直接影响爆破质量的最重要因素.参数间的合理搭配牵涉到炸药能量的时空分布和合理利用，对企业提高效率，降低成本有重要的作用[3].

本次爆破选用2#岩石乳化炸药、非电导爆管雷管起爆.采用多排微差爆破技术和预裂爆破技术，减少同段药量，减小爆破震动和对矿柱的破坏作用.大块矿石用液压挖掘机配置的液压碎石锤在工作面进行2次破碎.

2.1 爆破参数的初步确定

2.1.1 孔径(d)及炮孔深度(L)

由于矿体很规则并在采准工程量不很大时,可采用平行孔布置[4].穿孔采用Tamrock Ranger600液压潜孔钻机，钻孔直径(d):Ф=79 mm.钻孔方式为垂直平行炮孔，孔深(L)按下式计算：

式中：L为钻孔深度，/m；H为台阶高度，H取10 m；h 为炮孔超钻深度，h=（8～12）d,/m；（h=（8～12）d=10×0.079 m≈0.8 m）;α 为倾斜孔角度，α 取 90°.

2.1.2 底盘抵抗线（Wd）

底盘抵抗线（Wd）按下式计算：

式中：H为台阶高度，H取10 m；k为与岩石坚固性有关的系数，取 0.65；d为钻孔直径，d取79 mm.

2.1.3 排距（b）与孔距（a）

设计采用梅花形布孔，其排距、孔距分别为：

式中：m为炮孔邻近系数，m=0.7～1.3.

2.1.4 填塞长度(L2)

填塞长度按下式计算：

式中：Z 为填塞系数，垂直孔 Z=0.7～0.8，斜孔 Z=0.9～1.

2.1.5 单位炸药消耗量（q）

参照露天矿深孔微差爆破单位炸药消耗量计算公式：

式中：γ为矿岩的容重，t/m3；f为岩矿的普氏硬度系数；

按矿岩坚固系数f=5～10和矿山生产经验选取，q=0.35～0.5 kg/m3，取 0.5.

2.1.6 单孔装药量计算及验算

（1）单孔装药量计算（Qk）

式中：Qk为单孔装药量，kg；其它符号意义同前.

（2）装药量验算(Qky)

式中：Qky为验算的单孔装药量，kg；d为药卷直径，mm，△为装药密度，kg/dm3，2#岩石炸药△=0.95～1.2 kg/dm3；

经计算可知，Qk＜Qky，满足装药条件要求.

2.1.7 装药结构.

主炮孔孔底先装3条Ф70 mm乳胶药卷（4.5 kg），再放起爆药包，采用连续装药结构；预裂炮孔采用导爆索连接，将Ф70 mm药卷沿纵轴线剖开捆绑在导爆索上，采用间隔装药结构，每个预裂炮孔装药量为8～12 kg.

2.1.8 起爆网络

（1）微差间隔时间（△t）[5]

式中：W为抵抗线，m；C0为岩体中弹性纵波速度，m／s；K1为系数，取23；CP为裂缝扩展速度，m/s；S为为破裂体移动距离，0.08～0.1 m；V为破裂体移动的平均速度，m/s.

经计算，合理的微差时间△t=20 ms.因此回采根据炮排数采用1～30段导爆管.

（2）起爆顺序.微差爆破技术的应用,在国内外有较长的历史,对于合理微差间隔时间的确定,前人也总结了不少经验[6].中深孔爆破采用多排孔微差爆破，相邻两段时间间隔25～50 ms.装药结构为连续装药，孔口用孔渣堵塞.采用非电起爆网络，每个炮孔装两个导爆管雷管起爆加强药包，一段雷管接力网路，接力同路采用蔟联(俗称一把抓)方式激爆，导爆索与组合雷管的联结用黑胶布缠绕不少于5层[7]，起爆方式为孔底起爆.中深孔布置及起爆网络示意图见图2.

图2 中深孔布置及起爆网络示意图

2.2 爆破参数的优化研究

2.2.1 正交试验设计

由于受采场结构参数、采矿方法的要求或设备条件的制约，许多参数已经确定，如孔径、孔深、超深、装药结构等[8].由于深孔爆破的各个参数是相互影响的，因此，应用正交试验法，根据试验矿山的具体情况选择了如下因素水平.试验研究选择抵抗线、孔排距、堵塞长度这3个爆破效果主要影响参数进行优化试验研究，确定其合理取值和最佳搭配.

由于爆破作用的几个主要影响因素如抵抗线、孔排距、堵塞长度等都有较大取值范围，为使其有充分的代表性，在各取值范围内，取较小、较大、中间3个数据[9]，底盘抵抗线 Wd取 2.4 m，2.8 m，3.2 m 3 个水平；孔距a取2.8 m，3.0 m，3.2 m 3个水平；填塞长度L取1.8 m，2.0 m，3.2 m 3个水平.据此确定为3因素3水平试验，采用L9（34）正交表，见表1.

2.2.2 现场试验及结果

正交表中列出9组试验，根据这9组试验的因素组合，在试验采场进行了9次中深孔爆破试验.爆破效果用大块率、粉矿率、延米炮孔爆破量进行考核.试验结果见表2.

表1 正交试验表

2.2.3 试验结果分析

根据表1、表2中的数据，进行单一指标的极差分析，即计算每一指标中各因素各水平的和K1、K2、K3及其平均值 k1、k2、k3与极差 R，从中确定出较优水平,并划分出各因素的主次顺序，结果见表3.

表2 正交试验爆破效果统计表

设A代表底盘抵抗线，B代表孔距，C代表填塞长度，从表3中极差R可以看出，就对爆破大块率的影响程度而言，R1＞R2＞R3，即底盘抵抗线影响最显著,孔距次之，填塞长度再次之.对粉矿率而言，R1＞R3＞R2，是底盘抵抗线的影响最显著,填塞长度次之,孔距再次之.对延米炮孔爆破量而言，R3＞R1＞R2，即填塞长度孔距影响最显著,底盘抵抗线次之，孔距再次之.

表3 爆破效果分析表

图3中 指标k1、k2、k3为纵坐标， 因素水平为横坐标.经对比分析，爆破参数：最小抵抗线W为2.8 m；孔底距为3.0 m；填塞长度为2.0 m时，爆破效果为最优.

图3 因素–指标图

3 爆破震动测试

现场爆破过程中采用NUBOX6016型仪器进行数据采集，分析爆破震动结果，确定了空气冲击波、有害气体及炮烟等危害因素的防治.

3.1 爆破震动安全校核

按照质点震动速度计算公式：

则安全距离计算公式[10]：

R=（K/V）1/αQ1/3

允许药量计算公式：

式中：V为地表质点振速，cm/s；Q为同段雷管起爆的单响药量，kg；R为保护物与爆破中心的距离，m；K，α为与地质、地形有关的系数，取K=150,α=1.5.

《爆破安全规程》（GB6722-2003）规定矿山巷道安全允许振速为15～30 cm/s，深孔爆破地震频率10～60 Hz.本次设计对矿山巷道取v=10 cm/s进行控制，安全距离与单响药量关系见表4：

表4 安全距离与单响药量关系表

3.2 爆破震动实测情况

爆破震动采用NUBOX6016型仪器进行震动测试.

（1）测试结果（见表 5）.

表5 爆破震动测试结果

（2）结果分析

①本次爆破共装炸药504 kg，分7段起爆，最大单段药量为75 kg；

②本次爆破测到震动速度为：

测点1：25 cm/s（即主爆炮孔后方）；测点距离起爆中心7.6 m，爆带后裂1.5 m，同一截面全振频往后，振速作用较大；

测点2：2.4 cm/s（即岩石立柱另一面），测点布置在岩石立柱另侧面，因主爆堆两侧采取预裂（减振）孔爆破，分段分层起爆，振速对岩石立柱作用较小.

③参照《爆破安全规程》有关规定，矿山巷道的最大安全震动速度为 15～30 cm/s（10～100 Hz），所以本次爆破震动对岩石矿柱支撑是安全的.

4 结束语

（1）通过采用预裂爆破与微差控制爆破技术，有效地控制了爆破震动和空气冲击波对两侧矿柱及顶板的破坏影响，经过多次爆破试验，并且对两侧矿柱进行了震动检测，结果符合安全要求.

（2）在试验中采用正交爆破试验进行优化,取得了中深孔凿岩爆破效果为最优的爆破参数:底盘抵抗线为2.8 m;孔距为3.0 m;填塞长度2.0 m.

（3）采用中深孔爆破每次爆破崩落矿量达2000余t，是原手风钻浅孔单次爆破量的5倍，钻孔爆破成本由原来的4.3元/t，降低到3.7元/t，铲装运效率提高了4倍，降低了矿山综合成本，取得了较显著成绩，同时减少作业人员在顶板下作业的时间，矿山安全得到进一步改善.

[1]李建梅.预控顶下向中深孔房柱法的试验与应用[J].金属矿山，1990(6)：27-30.

[2]田 波，王新忠.三鑫公司中深孔凿岩爆破参数优化与试验研究[J].金属矿山，2005(10)：15-17.

[3]朱志彬，刘成平.前常铜铁矿中深孔凿岩爆破参数优化研究[J].现代矿业，2008(8)：22-25.

[4]沈慧明，吴爱祥，余佑林，等.狮子山铜矿中深孔爆破参数优化设计研究[J].中国钼业，2003(1)：15-17.

[5]胡 骧.论石灰石露天矿爆破微差时间的判定方法[J].中国科技博览，2010(21)：118.

[6]何姣云，张电吉，任高峰，等.新桥硫铁矿凿岩爆破参数优化研究[J].铜业工程，2010(3)：5-8.

[7]彭可贵，尚立翔.非电起爆网路在东大山铁矿的应用实践[J].冶金矿山与冶金设备，1995(5)：9-11.

[8]李其昌，吴 超.优化凿岩爆破参数降低回采大块率[J].中国钨业，2004(3)：24-26.

[9]朱志彬，刘成平.中深孔凿岩爆破参数试验研究[J].矿业研究与开发，2009(5)：90-92.

[10]李蒲蛟，谢圣权.中深孔微差爆破参数优化在某露天矿开采中的应用[J].铀矿冶，2001(2)：79-83.

The optimization of blasting parameters in the medium depth hole in a limestone mine

RAO Yun-zhang1,WANG Chun-hua1,HUANG Tie-ping2,PENG Le-ping2

(1.School of Resource and Environment Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China;2.Guangzhou Metallurgy and Architecture Institute of Mining Design and Research,Guangzhou 510080,China)

A limestone mine is characterized by heavy labor intensity,low production efficiency and poor safety.The medium-length hole blasting technology in pillar and room method was implemented by designing and optimizing open bench blasting parameters.Using orthogonal experiments,three main influential factors of blasting such as the resistance wire,array pitch of hole and stemming length have been optimized.In addition,blast vibration tests were carried out.The relative blast parameters for medium-length hole blasting were ascertained which reduced the ratio of lumpy block,improved the blasting effect and lowered cost of production.

medium-length hole;orthogonal experimental;blasting parameter;bench blasting;blasting vibration

TD235.4

A

1674-9669（2011）06-0047-05

2011-05-10

饶运章（1963- ），男，博士，教授，主要从事采矿工程和环境岩土方面的教学科研工作，E-mail:raoyunzhang@sohu.com.