进路充填采矿法采场破碎炮孔护孔爆破试验研究

王红心

(金诚信矿业管理股份有限公司 北京 100070)

赞比亚谦比希铜矿西矿体采用进路上向水平分层充填法开采，即采准工程施工完成后，在矿体脉内沿脉进行进路拉底；第一层开采完毕后，进行分级尾砂或全尾砂膏体充填，然后向上转层进行上一分层的进路式开采[1-2]。进路式开采钻孔设备为液压凿岩台车配4.3 m长度钻杆、Φ45 mm钻头钻凿3.7 m深的水平钻孔，装药采用卷装乳化炸药。

西矿体局部区域采场中矿体破碎、节理裂隙发育，并有泥化夹层和裂隙带。凿岩台车在破碎区段钻孔时，钻进和拔出钻杆时易卡钻，成孔困难，炮孔易坍塌，成孔后即便经过多次洗孔，在装药前仍然有碎块碎渣塌落堆积在孔内，装药时会卡住装药管和药卷，导致装药不到位或炮孔不能装药而报废。由于破碎、坍塌炮孔装药质量难以保证，致使爆破效果很差，循环进尺小，炸药和雷管单耗过高，爆破块度不均，下一钻爆循环的作业面破碎且凸凹不平。调查的局部破碎区域采场爆破平均进尺不到2.6 m，炮孔利用率不到70%。爆破进尺小直接导致了采场出矿能力远远达不到设计出矿能力，制约了全矿采矿生产任务的顺利完成。因此，试验研究采场破碎部位炮孔护孔方法，实现水平破碎炮孔的顺畅装药，同时针对采场矿体破碎部位和破碎情况优化布孔装药参数，提高钻孔装药效率和爆破进尺从而达到提高采场出矿能力的目的，十分必要。

1 现场调研和护孔爆破试验方案

1.1 矿体破碎采场调研

谦比希铜矿成矿作用为沉积变质作用，矿体为矿化板岩(f=8)，局部破碎、节理裂隙发育，含泥质夹层或节理弱面。上盘为粗砾岩(f=8～10)，下盘岩层依次为矿体下盘砾岩(f=8～10)、泥质石英岩、长石石英岩和基底花岗岩。

经过对多处矿体局部破碎区域多个采场钻孔爆破进行调研，分析研究，小结如下。

1)在矿体局部破碎部位钻孔时，钻进和拔出钻头困难，容易卡钻和糊钻，需反复洗孔才能钻进；钻孔完孔后在钻凿相邻炮孔时的钻进振动还会引起成孔的二次塌孔、成孔孔壁掉落碎块和碎渣堵塞炮孔造成后续装药困难。上述现象导致钻孔作业时间大大延长。

2)在对破碎炮孔装药时，破碎或孔壁掉渣部位距离孔口较近时，通常用铁丝钩反复将碎块钩出才能装药，每个破碎炮孔的处理时间几分钟到十几分钟不等；炮孔破碎部位较深时很难处理，就会出现装药不到位的情况，有的炮孔多处坍塌更加难以装药，破碎炮孔因不能装药而报废的情况经常发生。装药质量不能保证，直接影响了爆破进尺和爆破效果。

3)不同破碎区段进路断面破碎炮孔的数量由几个到十几个不等，作业面底眼和掏槽部位的破碎炮孔数目较多。原因是，除了矿体破碎带、裂隙带或软弱夹层等的影响外，上一次爆破对新作业面的爆破损伤影响和作业面凿岩时相邻炮孔钻进时振动影响，作业面浮渣掉落底板导致底眼被埋。

现场调研选取了矿体局部破碎比较严重的具代表性的400 m采区的多个采场，对采场的历次爆破进行统计分析。结果表明，矿体破碎区段采场的爆破进尺平均2.6 m，炸药单耗大于3 kg/m3，雷管单耗大于1.1发/m3，爆堆矿石块度不均且不同程度存在过粉碎现象。

1.2 护孔和现场试验方案

1.2.1 破碎炮孔护孔装药方案

对矿岩破碎区域炮孔保护，文献中提到的较多的是针对大直径深孔和露天矿钻孔的护孔[3-5]，对于地下凿岩台车钻孔浅孔爆破，文献[6]提出底孔采用内插短胶管的方法，保护底孔在装药前不被泥沙或碎岩屑倒灌堵塞炮孔。针对破碎炮孔装药难问题，现场技术人员也尝试了缩小循环进尺避开矿体软弱面、增大炮孔直径、利用小型风动装药器和小直径装药管装散状炸药[7]等方法。上述措施虽然部分改善了炮孔装药质量，但也存在一些问题。如缩短每炮炮孔长度，虽能部分避开破碎带或泥质夹层，但由于每次爆破钻孔是在上一次爆破后进行的，上一次爆破对此次钻孔的作业面浅部损伤很大，装药困难的问题仍未得到有效解决，并且短孔爆破循环进尺减小，不仅增加了上一次爆破对下一次钻孔作业面损伤次数，而且增加了采场作业循环次数，降低了采场生产能力，限制了大型凿岩台车和出矿设备能力的发挥；用风动装药器装散状炸药和增大炮孔直径都不能有效解决完孔后装药前炮孔坍塌掉落碎渣和碎块问题，仍存在装药管插入困难甚至卡死装药管以及装药不连续问题；在底孔插入短胶管护孔，解决了阻止孔外泥沙、岩屑倒灌孔内和孔口部分的保护问题，但炮孔深部的坍塌问题依然没有得到解决。

根据对矿体破碎采场的调研分析，提出用塑料或PVC薄壁管对破碎炮孔进行护孔装药的方法。经调研，选定公称直径Φ40 mm的PVC薄壁(壁厚1 mm)套线管作为破碎炮孔护孔管。经试验，确定PVC管插入破碎炮孔孔底对破碎炮孔全孔深护孔，管上口距炮孔口150～200 mm，装药时按设计将卷装乳化炸药装入PVC管，再按设计要求在PVC管口和炮孔孔口填塞炮泥。护孔方案确定后，在井下用选定的护管对破碎炮孔进行了探索性护孔装药实验，实验结果表明护孔方案是可行的。薄壁护管管壁光滑，易于插入炮孔护孔和管内装入卷装炸药；护管重量轻，便于现场操作。

1.2.2 破碎炮孔护孔钻爆参数优化设计

破碎炮孔护孔方案确定后，根据矿体破碎采场现场调研情况和初选的试验地点岩性，优化设计了进路法采场钻爆参数，优化后的西矿体400 m中段2盘区矿体破碎区域采场炮孔布置见图1。具体试验时，根据每次试验进路断面破碎情况和护孔情况再微调炮孔布置和装药参数。

图1 试验进路断面炮孔布置图 (单位：mm)Fig.1 Parameters and layout of blast holes(unit:mm)

2 矿体破碎地段采场采矿爆破试验

谦比希铜矿西矿体400 m中段2盘区373 m分段、380 m分段为新盘区大型高效设备应用采区，该采区采矿能力的提高对西矿体乃至全矿生产能力的提高至关重要，并且该区域破碎矿体分布也具代表性。因此，现场调研的重点区域和系列破碎炮孔护孔现场试验地点选定该区域。

2.1 破碎炮孔判定

炮孔中插入套管增大了炮孔装药的径向不耦合程度，径向不耦合装药和套管本身都会消耗孔内炸药爆炸的能量，减弱爆炸对炮孔孔壁的直接作用，因此对于不破碎的能顺利装药的正常炮孔插入套管护孔，不仅增加插管工序浪费套管，而且降低了炸药爆炸破岩的能量利用率。所以判断炮孔是否破碎坍塌达到需要插入套管护孔的程度十分重要。

根据对采场矿体破碎特点、破碎部位分布、台车钻孔装药过程及爆破效果的调研和护管选型时在采场所做套管护孔探索性试验情况，结合后期的系列破碎炮孔护孔爆破试验，分析总结出了判定炮孔是否破碎需要护孔的原则。1)在破碎部位钻孔过程中，根据钻机钻孔时钻进难易程度、岩粉状况及钻头洗孔、PVC管探孔情况，决定是否插入PVC管临时护孔。2)对于插入护管临时防护的炮孔，在作业面所有炮孔钻凿完毕，临时护孔的炮孔装药前，试探性拔插已经插入炮孔的PCV管，如果发现插拔自如，表明炮孔孔壁光滑无塌孔，则取出PVC管不用护孔；如果通过拔插炮孔内PVC管感觉被卡、拔插不顺畅，说明该孔有垮塌情况，必须护孔。

2.2 现场试验

在选定西矿体400 m中段373 m和380 m分段进路充填法采场作为试验地点后，连续进行了6次破碎炮孔护孔爆破试验。每次试验前均根据现场岩性和破碎部位分布情况进行了布孔优化设计，根据采场断面护孔情况现场优化装药参数。其中一次在2盘区373 m分段东进路采场的现场试验情况如下。

试验选定为400 m采区2#盘区373m分段东沿进路拉底采场，进路断面为5.2 m×4.5 m(宽×高)，作业面节理裂隙发育且在南半部和北部上方分布有泥质胶结弱面夹层。炮孔钻进困难，易卡钻、糊钻，孔内部分孔壁破碎极易塌孔。统计表明，此采场历次爆破钻孔、装药困难且作业时间长，钻孔、装药时间多大于5 h。

2.2.1 布孔装药优化设计和护孔爆破

根据进路断面尺寸、岩性及破碎带和软弱夹层分布情况，设计炮孔54个，50个装药孔。各类炮孔设计线装药系数：中心掏槽孔0.97，掏槽孔和辅助掏槽孔0.89， 辅助孔0.74，底孔0.89，边墙孔和顶孔0.47。

按布孔设计采用BM281液压凿岩台车配4.3 m长钻杆和Φ45 mm钻头钻孔，钻孔过程中仔细观察钻机钻进压力、转速、钻进速度、岩粉情况等各项参数变化对破碎带和软弱夹层反应，根据前述破碎炮孔判定原则和方法插入PVC管临时预护孔。

本次试验共护孔12个，其余炮孔成型较好且孔壁完整炮孔无需护孔。未护孔的炮孔用传统方法按设计装入乳化药卷、进行正常填塞；采用PVC管护孔的炮孔装药，按设计向PVC管中装入卷装乳化炸药，顶孔和边墙孔装入由Φ25 mm药卷、导爆索、延期雷管和竹片事先加工好的间隔装药光爆串，底孔、掏槽孔和辅助孔连续装入Φ32 mm药卷，每孔装药完毕用炮泥对炮孔和PVC管进行至少300 mm的炮孔填塞。本次爆破消耗炸药146 kg。装药填塞完毕，按设计进行导爆管雷管的束状连接，按安全规程进行联线起爆。

2.2.2 爆破效果

根据试验前在巷道两帮所做标记进行测距，测得此次爆破进尺3.6 m，进路采场无超挖、欠挖现象。爆后进行爆破块度观察，爆堆均匀，无明显大块和过粉碎现象。本次试验炸药单耗为1.73 kg/m3，雷管单耗为0.62发/m3。

在新盘区373 m和380 m分段所做的其它5次试验情况与上述试验类似，护孔的破碎炮孔数在6～12个之间。爆破效果与上述试验相近。

3 效益分析和推广应用

3.1 效益分析

在西矿体新盘区的系列试验和初步推广应用表明，破碎炮孔护孔装药技术可在改善破碎炮孔装药条件提高装药效率、增加爆破进尺、降低炸药和雷管消耗及改善爆破块度等方面取得良好的经济效益。

3.1.1 提高破碎炮孔装药效率和节省装药时间

对西矿体局部破碎采场调研结果表明，不同破碎区段进路断面破碎炮孔的数量由几个到十几个不等。在进行破碎炮孔护孔前，处理一个破碎炮孔需要几分钟甚至十几分钟时间，而且有的破碎炮孔处理不好还会造成装药不到位甚至炮孔报废的现象；采用PVC管护破碎炮孔后，装药时只需按设计装填药卷即可，PVC管内壁光滑，比普通炮孔装药速度快且省力，每个护孔的破碎炮孔的纯装药时间不到1 min。大幅度提高了装药效率，加快了采场爆破作业循环，不仅节省了钻孔装药工人的人工成本，还提高了采场生产能力。

3.1.2 提高爆破进尺和降低火工品单耗

在采用破碎炮孔护孔及布孔装药参数优化前，同一区段同一采场的调研统计指标：平均爆破进尺2.6 m、炮孔利用率70%，炸药单耗大于3 kg/m3，雷管单耗平均1.1发/m3。采用破碎炮孔护孔装药技术，试验取得的技术指标，爆破进尺3.6 m、炮孔利用率97%、炸药单耗1.73 kg/m3、雷管单耗0.62发/m3。每循环进尺增加了1 m，相当于提高爆破效率27%，即提高采场生产能力27%，炸药单耗降低了1.27 kg/m3，雷管单耗降低0.48发/m3。

3.1.3 爆破块度和爆堆形状改善

采用破碎炮孔护孔装药和布孔装药参数优化技术，改善了采场爆破效果，爆破矿石块度均匀，爆堆集中，减少了矿石过粉碎现象。不仅减轻了粉矿流失造成的损失，还减少了粉矿遇水泥化对溜井的堵塞，提高了铲运机出矿效率。因此，爆破块度的改善，在减少粉矿损失和提高出矿效率方面取得了较好的经济效益。

3.2 推广应用

矿体局部破碎、节理裂隙发育的进路式分层充填法采场爆破，对破碎炮孔进行PVC管护孔实现破碎坍塌堵塞炮孔的顺畅装药，并相应进行爆破作业面布孔装药参数优化调整，爆破效果改善明显。目前该项技术正逐步在谦比希铜矿西矿体采场局部破碎区域推广应用。推广应用过程中，经过进一步改进和完善，今后还将进一步在谦比希铜矿主矿体和即将投产的东南矿体破碎区域开采中推广应用。

4 结语

矿体局部破碎进路充填法采场调研、系列矿体破碎采场破碎炮孔护孔及布孔装药参数优化设计和试验结果表明，针对矿体局部破碎的进路充填法采场护孔爆破，依据文中提出的破碎炮孔判定原则，使用选定规格和材料的护管对破碎炮孔进行护孔，并相应的优化布孔装药参数，可以有效解决破碎炮孔装药困难和爆破效果差的问题。

1)针对凿岩台车钻孔孔径和破碎炮孔特点，选型确定了破碎炮孔护孔用管材和规格。

2) 明确提出了根据作业面矿体破碎情况、钻机钻进状况、岩粉情况、护管探孔临时预护孔及装药前孔内护管拔插试探情况判定破碎炮孔和是否需要护孔的原则和方法。

3)根据破碎炮孔的钻孔深度及孔壁破碎情况，确定了PVC管护孔长度、装药及炮孔填塞参数。根据试验采场作业面调研、破碎作业面爆破设计和现场布孔装药参数调整优化，给出了破碎采场进路采矿爆破的指导性的布孔装药参数。

4)应用破碎炮孔护孔及布孔装药参数优化技术，与护孔前相比，改善了矿体破碎采场的爆破效果，提高了爆破进尺，炮孔利用率达97%，提高了采场生产能力；降低了爆破器材单耗；改善了矿石爆破块度分布，减少了粉矿损失，提高了采场出矿效率。

5)该项技术在谦比希铜矿和其它类似矿山推广应用，可在节省破碎炮孔装药时间、增加爆破进尺从而提高采场出矿能力，改善爆破块度和爆堆形状从而降低粉矿损失提高出矿效率，降低爆破器材单耗等方面取得可观的经济效益。