露天矿爆破设计与管理系统在多宝山铜矿的应用

2018-05-30崔年生

采矿技术 2018年3期

崔年生

(福建省新华都工程有限责任公司, 福建厦门市 361012)

0 引言

露天爆破是露天采矿过程的主要工序环节,效果好坏直接影响后续铲装、运输和矿石破碎等工序的生产效率和经济效益.由于露天爆破设计工作量大且内容繁杂,受客观条件约束因素多,因此,改善爆破效果,提高爆破质量,最终实现矿山爆破的信息化、数字化及智能化已成为采矿工作者未来研究的主要方向[1].计算机技术应用于矿山开采以来,尤其是近10年来,澳大利亚、美国等50多个国家已先后研制、应用了计算机辅助设计(CAD)软件,如Sur pac Vision、Micro mine、DATAMINE、VULG CAN等[2].虽然国内矿山应用计算机技术稍晚,但也成功研发了一批优秀产品,如北京科技大学与鞍山钢铁学院开发的露天矿生产爆破系统、华易露天深孔爆破辅助设计软件、赛尔爆破优化系统以及新华都露天矿爆破设计与管理系统[3].

黑龙江多宝山铜矿是目前国内探明可供开采的第三大铜矿,福建省新华都工程有限责任公司自建矿起承担了该矿的采剥服务,随着矿山二期扩建,露采年采剥量已达到3000万方,该项目也成了公司第一大驻外工程项目,数字化爆破技术优化专项研究被列为公司2017年度研发课题.近年来随着爆破工程工作量增加,凭借技术人员个人经验进行现场爆破方案设计,已经不能满足企业的高速发展.为了能够将技术人员从设计、计算以及图纸绘制等繁重的工作中解放出来,更早实现爆破作业标准化和数字化,从而提高爆破质量,改善爆破效果,同时又满足对爆破效果进行系统评估目的.2017年4月起,公司联合长沙迪迈科技公司共同开发了“露天矿爆破设计与管理系统”,满足了露天矿山爆破这一需求.

1 露天矿爆破设计与管理系统

新华都露天矿爆破设计与管理系统采用面向对象的思想,基于三维可视化平台,在三维视图中完成布孔设计、装药设和网路设计,还可以通过模拟分析优化爆破设计,并自动生成报告.爆破设计流程如图1所示.

1.1 布孔设计

新华都露天矿爆破设计与管理系统提供了灵活的布孔方式,分为单孔布置、多孔布置、沿线布孔、自动布孔和录入实测孔,多排布孔又分为矩形布孔和梅花形布孔.三维视图中的炮孔样式都由布孔参数控制,布孔参数包括孔径、孔深、超深、方位角、倾角、最小抵抗线、孔距、排距等.

1.2 装药设计

装药设计分为爆破器材和装药模板模块.爆破器材用于管理炸药、雷管和起爆器材等,提供对器材的添加、删除和修改功能,为后续装药操作提供使用.装药模板模块通过设计装药模板来设置炮孔的装药结构,使用较多的装药结构有连续装药结构、空气间隔装药结构、混合装药结构、底部空气垫层装药结构等[4].

(1)连续装药结构.这是爆破中常用的一种装药结构,其优点不仅在于炮孔利用率高,操作简单,而且便于机械化装药.但是在台阶高度较高、台阶坡面不平、岩性变化或可爆性差异较大的情况下,爆破效果很难保证,容易造成爆破块度不均匀、大块率较高,出现“根底”或“冲炮”.连续装药结构示意图如图2(a)所示.

(2)空气间隔装药结构.这是一种非连续装药,药柱由空气隔开分为2~3段.通过空气间隔器的使用一方面均衡能量分布;另一方面有利于延长爆轰气体作用时间,提高炸药能量利用率,在一定爆破环境下空气间隔装药结构克服了连续装药结构的不足.但是这种装药结构操作工序繁杂,不适用机械化装药,实际应用中受到限制.空气间隔装药结构如图2(b)所示.

(3)混合装药结构.爆破中两种或两种以上的炸药配合使用,这种装药结构适合于底盘抵抗性大或岩性变化大的地质环境.在底盘抵抗性大或坚硬、难爆岩种部分安装高威力高密度炸药,而在其他部位安装低威力炸药,保证爆破效果的同时合理控制成本.这种装药结构同样不适于机械化装药.混装装药结构如图2(c)所示.

(4)底部空气垫装药结构.它的应用原理是利用爆炸后空气垫激起的冲击波对孔底岩石强大的压缩作用,从而致使岩石破碎.这种装药结构也可以调节爆炸气体压力和爆炸气体的作用时间,爆炸能量得到充分的利用.与空气间隔装药结构不同的是,底部空气垫装药结构适用机械化装药,其结构如图2(d)所示.

图2 不同类型炮孔数据结构

新华都露天矿爆破设计与管理系统提供了药量计算功能.药量按式(1)和式(2)计算.

式中,Q为单孔药量,le为装药长度,a为孔距,b为排距,H为台阶高度,q为炸药单耗,D为孔径,ρe为炸药密度.

1.3 网路设计

随着民爆器材品种创新发展,高精度延期雷管尤其是电子雷管的广泛应用,爆破规模不断扩大.在这种境况下,爆破网路设计中延期时间及起爆顺序成为关键.不恰当的网路设计会破坏后序爆破网路,导致效果不佳、药量浪费甚至出现安全事故[5].系统从以下几个方面考虑爆破路网设计.

(1)微差控制爆破.采用微差控制爆破以毫秒级时差顺序起爆各个药包,有效的控制冲击波、震动、噪音和飞石,确保爆破效果,提高经济效益.主要体现为以下3个方面:一是起爆前后炮孔有合理时差.先起爆炮孔为后爆炮孔开创附加自由面,压缩波从自由面反射成拉伸波,后面的炸药再起爆不仅能消除同时爆炸形成的无应力区或应力降低区,而且能增强区域拉应力.二是先起爆的炸药在岩体造成一定的岩体松动为后续爆破提供了有利条件,抵抗线减小、岩层夹制作用削弱从而改善爆破效果,减少炸药用量.三是采用毫秒微差控制爆破,如果时差设置合理,可增加岩石自身破碎后和与之相邻炮孔破碎岩石空中碰撞机率,降低爆破粒度.

(2)地表延时与孔内延时.微差时间过长相当于单孔爆破漏斗发挥作用,甚至破坏爆破网路;时间过短,先起爆炮孔无法为后爆炮孔形成良好自由面,实现预期爆破效果.为使爆破方案更加切合实际,控制爆破振动,保护边坡安全.应业主要求,矿山全面采用逐孔微差起爆技术,通过孔内和孔外延期时间组合,保证时间和空间上按照预定顺序逐孔爆破.

(3)起爆孔.起爆孔是爆破网路中传爆起始炮孔,起爆孔分为瞬发起爆孔和长延时起爆孔,大型复杂爆破网路有时会设有多个起爆孔,以保证网路正常起爆[6].

1.4 模拟分析

新华都露天矿爆破设计与管理系统提供了起爆模拟的功能,在进行了布孔设计、装药设计、网络设计、设置起爆点后,在完整的起爆网络上进行起爆模拟[7].从3个方面分析评价爆破设计的优劣:等时线分析;抛掷时间分析;起爆时间分析.通过不断模拟优化爆破设计,生成一份科学的报告成果,为日后爆破方案设计编制提供参考资料.

2 系统在多宝山铜矿的实际应用

2.1 工程概况

多宝山铜矿属于特大斑岩型铜钼矿床,矿体及围岩均以花岗闪长岩为主,体重2.7 t/m3,松散系数1.46~1.76,岩石致密、坚硬,f系数多为6.5~17.8之间.矿区各组构造相互交织成网,节理裂隙相对发育,复杂的断裂、片理、节理构造一定程度上破坏了岩体的稳固性.总体上,工程地质条件较为简单.

资料显示,采区矿体基本赋存于当地侵蚀基准面以下,采坑封闭圈以上均有2~3个台阶,大多位于凹陷区.从近年施工情况看,地下水极为丰富,初步统计爆破水孔达到70%,个别地段超过90%,实际情况与地质资料相差甚远.

2.2 爆破设计

本节将以多宝山露天铜矿＋520 m平台的一次爆破设计为例,阐述新华都露天矿爆破设计与管理系统的设计功能应用.

(1)布孔设计.本次爆破设计采用布置多孔,布孔方式为“梅花形”,布孔参数见表1.

表1 布孔参数

炮孔布置:第一排5个、第二排11个、第三排10个、第四排9个、第五排8个、第六排7个、第七排6个,共计56个.

(2)装药设计.本次爆破使用的炸药是“聚威牌2＃岩石乳化炸药”,其装药设计参数见表2.

表2 装药设计参数

(3)设计起爆网路.采用孔内与孔外延时结合的办法,孔内一律为16段延时400 ms.点击“炮孔连线”,按照规划好的起爆顺序,设置地表延时把所有炮孔连接成一个连通的网路.设置A－9炮孔为起爆点,起爆点延时为100 ms.爆破网路如图3所示.

图3 爆破网路

(4)起爆模拟.完成上述步骤,确保网路连通并设置好起爆点,即可对整个爆破设计进行起爆模拟,其效果如图4所示.图4中显示的黄色效果线表示地表雷管已起爆,红色效果区域表示孔内炸药已起爆,其余部分表示尚未起爆.整个过程可以动态执行,也可随时暂停观察某一时刻的爆破情况,形象描绘出整个爆破过程.

图4 起爆模拟

(5)模拟分析.完成起爆模拟后,判断本次设计是否合理,主要从3个方面分析.一是等时线分析:等时线分析以等时间段为间隔,递增绘制连线描述爆破传递情况,如图5所示,其等时线间隔为40 ms.二是掷方向分析:抛掷方向分析描述了爆破过程中被爆破的岩体沿最小抵抗线方向抛出,效果如图6所示,其中的箭头方向表示抛掷方向.三是起爆时间分析:起爆时间分析主要是观察每一个固定时间段内有多少个炮孔同时起爆,便于控制爆破振动波,如图7所示,其表示10 ms时间段内起爆时间分析.