露天矿山台阶深孔爆破大块成因及解决措施

杨 超

(攀钢集团攀枝花新白马矿业有限责任公司白马铁矿，四川 攀枝花 617000)

穿孔爆破是矿山生产中的首道工序，它决定着铲装、运输、破碎等各个工序环节的效率及经济效益。白马铁矿及及坪采场每年计划的矿岩爆破量约4 000 万t，而爆破大块率高一直影响着采场的生产效率与安全。主要体现在：一是铲装设备作业效率降低，设备挖装作业风险率提高，故障时间及维修费用增加；二是爆堆挖装缓慢，重点部位推进滞后，导致空间失衡；三是矿石大块容易使胶带破碎系统出现卡块、蓬块现象，影响矿石输出；四是二次处理大块，易产生爆破飞石，给设备及人员带来安全风险。因此，寻求有效减小爆破大块率的方法是露天采场生产的重要需求，对矿山的生产和安全具有重要的意义。

1 矿区概况

白马铁矿属于大型山坡露天钒钛磁铁矿，矿区地势是北高南低，标高1 400～2 400 m，地形坡度多为30°～35°，矿体为厚大层状矿体，呈稳定的层状产出，走向近南北，倾向西，倾角50°～70°。矿区地质构造复杂，断裂、岩脉众多。矿体附存有4个含矿层；围岩主要为辉长岩类，其次为正长岩类，矿体和围岩中有贯入辉绿岩脉、闪长岩脉和角闪石英正长岩脉。岩脉致密坚硬，裂隙不甚发育。矿石平均体重3.48 t/m3，岩石平均体重3.03 t/m3。松散系数：矿石1.60，岩石1.50；硬度系数：f=10～15。采场部分围岩的地质特征情况如表1所示[1]。设备选用WK-4、195-B、WK-10型电铲铲装；60 t级矿用自卸式汽车运输；KY-250D、CDM75牙轮钻以及易普力液压钻。装药采用混装乳化炸药车，密度1.10～1.25 g/cm3，爆速4 200～5 000 m/s，矿石大块二次破碎采用液压破碎锤。

表1 围岩地质特征

2 产生大块的位置及原因

大块率是指一次爆破后所产生的不合格大块在总爆堆矿岩总量的占比(%)。由矿山生产的实际情况来看，大块易产生于台阶的坡面、炮孔孔口填塞段、后方和侧方的拉裂区、软硬岩层的分界处、土夹石矿夹岩部位、地质结构复杂地段、孔网参数过大的中间位置、底盘抵抗线过大的台阶底部、盲炮部位等[2]。因此，结合白马铁矿及及坪采场爆破产生大块的情况，将采场划分成4个重点难爆区(见表2)。

表2 及及坪采场大块偏多的部位

通过调查采场难爆部位的爆破情况，结合矿山的实际条件，产生大块的主要原因有：①爆破参数设计不合理。当孔网参数过大时，炸药爆破能量不足以将爆破体“切割”成合格块度，尤其爆区间接头位置；底盘抵抗线过小，导致头排孔装药量偏小，药柱重心偏低，台阶坡面易产生大块。②炸药单耗过低。炸药单耗与爆破质量在某种程度上是正相关关系，炸药单耗过低爆破能量不足以有效破坏可爆体，导致爆破大块产出率高。③矿岩性质。矿岩密度与强度越大，单位体积矿岩所消耗的能量也越大。此外，矿岩的容重越大，其弹性模量、强度、波阻抗一般也越大，抵抗爆破作用能力也越强；因此，坚硬致密矿岩部位易产生大块。另外，矿岩的结构面(节理、裂隙、层面及其他薄弱面)爆轰气体易从矿岩裂隙中泄露，出现能量损失，体积较大的矿岩得不到有效破碎而形成大块。

3 降低大块率的措施

露天台阶深孔爆破产生大块的影响因素很多，针对及及坪采场的实际情况，主要从以下几个方面采取措施，提高爆破质量，降低大块率[3-7]。

3.1 采用多排孔逐孔起爆技术

毫秒延时爆破是利用毫秒雷管或其他毫秒延时引爆装置，将同一网路的装药孔分组，以毫秒级的时间间隔进行顺序起爆的方法。逐孔起爆网路起爆点确定后，通常采用后倾连接方式(列与排之间的夹角>90°)，这样先爆炮孔可以为后爆炮孔创造更多的自由面，同时保持等时线均匀一致，保证抛掷方向达到预期效果。

根据理论研究和矿山实践经验，孔间最佳延时时间为3～8 ms/m，排间最佳延时时间为8～15 ms/m。及及坪采场爆区φ160 mm孔间延时17 ms，采用西安庆华生产的抗水毫秒导爆管雷管，排间延时42 ms；φ250 mm爆区地表延时采用25 ms和65 ms搭配使用。同时根据起爆方式以及爆区的不同，网路连接也适当调整。当2 个自由面斜线起爆时，为减小侧、后方拉裂，在最后2 排连接选用100 ms延时，增加延时时间且后排孔药量要比正常孔药量减少约30%。在南采场东部试验爆区爆破网路如图1所示。

使用多排孔毫秒延时爆破时，每次起爆的排数至少要大于3 排，如果排数过少，后冲作用很大，增大地表拉裂，大块率相应会提高，还会造成穿孔困难。

图1 1975-1960台阶矿石爆区穿孔起爆网路Fig.1 1975-1960 perforated initiation network of bench ore explosion zone

3.2 加大孔内分层力度，使用破碎药包

提高药柱重心能有效破碎台阶上部的大块，采场伟晶辉长岩、断层角砾岩难爆区(φ160 mm)单孔装药量在280～320 kg的情况下，爆破效果也并不理想：爆区侧后方拉裂过大，爆堆大块、根底多。通过分析，得出单孔药量过大，能量易从孔口释放，产生整体向上或斜上方拱的位移量，使爆堆上方岩块破碎较差，易形成大块群。针对这两种岩石情况，决定在旱季采用提高孔内分层装药高度，在距离孔口3～3.5 m处使用8～10 kg的乳化成品破碎药包。若使用现场混装乳化炸药，上部分层药量增加到15 kg(见图2)。在采场其他围岩易爆、中等难爆部位，如微风化岩、橄榄辉长岩等可适当降低上部分层药量15%～20%；采场常见的几种分层装药情况如表3所示。

图2 φ160 mm装药分层Fig.2 φ160 mm charge stratification

表3 孔内分层装药情况

3.3 在难爆部位使用成品乳化炸药

从爆破理论上讲，软岩应采用低猛度、低爆速的炸药并采用长延时时间，以增加应力波及爆炸气体在岩体中的作用时间；硬岩及软弱夹层、裂隙较发育的岩石，应采用高猛度、高爆速的炸药并采用短延时时间以使爆破能量依次迅速释放，避免爆炸气体泄漏及应力波迅速衰弱。猛度是炸药性能最重要的指标之一，但往往在市场体制的监管下，考虑到爆破安全和矿山开采条件的因素，炸药生产企业生产的乳化炸药猛度都较低。由于缺乏对炸药猛度的测定，白马铁矿在南采场南部Ⅱ含矿层三、四品级矿石、北部下盘伟晶辉长岩及西部断层角砾岩3个难爆部位使用高密度、高爆速的成品乳化炸药时，炸药爆炸产生的高温、高压气体更能贯入致密坚硬岩体内，加速了岩石破裂和抛掷。经实践对比，爆破质量有明显改善。

3.4 适当提高炸药单耗

爆破矿岩体要求的块度越小，炸药单耗也就越大。及及坪采场近三年炸药单耗控制在0.67～0.71 kg/m3之间。实践证明，在采场岩石大块率较高的部位，例如伟晶辉长岩和断层角砾岩，适当提高炸药单耗至0.75～0.78 kg/m3，能有效降低爆破块度。

3.5 优化爆破孔网参数

根据采场矿岩可爆性，利用经验公式确定底盘抵抗线、孔排距、密集系数以及填塞长度等爆区参数，并结合爆区地质特征、物理力学性质以及地形条件，使得同一岩性爆区在炸药类型、单孔装药量、网路布置以及装药结构等条件尽可能相同情况下，反复进行爆破实践的对比、优化，其难爆部位优化孔网参数如表4所示。

表4 采场优化试验参数

3.6 因地制宜，合理布置爆区

爆区布置是否合理是影响爆破质量的关键环节，但是往往受到地质、地形条件，开采条件等因素的影响，因此爆区布置尤为重要。

1)白马铁矿矿体为厚大层状，呈稳定的层状产出，走向近南北，倾向西，倾角50～70。南采场南部Ⅱ含矿层三品级矿石(Fe3)部位节理裂隙发育，按照设计采用横向采剥，电铲挖装方向由西往东作业。跟踪多个爆区发现，此部位爆破大块较多，矿石表面附有“锈斑”，爆堆底部位移量不够，电铲挖装阻力较大，铲具损耗较大。针对这种情况，又根据白马铁矿矿体倾向，决定垂直矿体走向布置爆区，抛掷方向垂直于矿体倾向向南(见图3)。通过调整布孔方向，多次尝试后该矿石部位大块根底明显减少，电铲斗齿消耗也明显减少。

图3 Ⅱ含矿层1900水平爆区布置Fig.3 The blasting area layout of Ⅱ 1900 levels of ore-bearing bed

2)对于没有自由面的情况，白马铁矿的实践证明，布置压碴爆区头排孔距离上一爆区后排孔5～8 m，侧方4～5 m为宜；否则出现当前排抵抗线或侧方孔网面积过大时，在正常装药的前提条件下不能对前排或边排孔进行有效破碎，会造成爆区衔接位置易产生根底大块。

3.7 采用留碴爆破

采用留碴爆破能有效地改善头排孔台阶坡面产生的大块矿石。根据白马铁矿实际情况，孔径250 mm的爆堆留碴厚度5～6 m,孔径160 mm的爆堆留碴厚度2～3 m时效果最佳。具体做法：根据不同孔径爆堆的最佳留碴厚度，在爆堆上用警示带圈出留碴厚度挖装线。这样，使下次爆破头排孔矿岩增加二次挤压作用，台阶坡面大块进一步得到破碎，达到减少大块的目的；其次，还会因抵抗线的不均匀造成误判，导致头排孔装药量偏大，发生飞石的危险。另外，还可防止铲装设备挖孔现象发生，避免二次补孔，增加穿孔成本。

3.8 严格的穿孔与爆破施工管理

根据采场多年爆破实践，在以下情况采取补孔措施：①山坡露天矿随着开采深度的下降，山体坡度渐缓，强风化岩石逐渐减少，在组织开沟爆区时先安排挖机削坡，然后组织液压小钻在头排孔穿凿70°～75°斜孔；②采场断层带较多，西帮局部台阶由于断层构造面的存在，抵抗线过大，往往在台阶上部穿斜孔、坡角处穿根底辅助孔；③超挖部位易形成尖支嘴，牙轮钻机无法靠近穿孔，考虑安全因素使用液压小钻进行补孔处理。

施工质量的好坏直接影响爆破效果的好坏。在施工过程中，应做到以下几点：①孔网参数和孔位的确定由爆破技术人员标定，孔位的确定方法是使用皮尺测定孔、排距并布置爆区形成规则状，为了保证炮孔定位准确度，孔距控制在±0.3 m，排距±0.2 m以内；②钻机司机要严格按照爆破技术人员布孔位置和孔深要求进行作业，避免炮孔过深，使设计单孔装药量的药柱重心偏低，填塞过长，孔口大块偏多；③混装乳化炸药车在搅拌转速以及炸药密度合格后才允许开始装药，避免搅拌不均匀产生的废药进入孔内，使炸药爆炸化学反应不充分，发生爆燃情况；④混装炸药车装药过程中，孔口浮碴必须清理干净再进行装药，然后用竹竿把硝酸铵袋子捅到填塞段底部，再回填。如遇水孔，操作人员必须把输药管放置到孔底之后再进行装药，输药管必须缓慢拔起，不宜过快，避免水、碴、炸药三相交融，影响炸药威力。

4 改进后的爆破效果

针对采场不同的地质条件以及爆破介质的差异，采用各种技术措施进行大量的爆破试验，同时加强施工质量管理。并以建立爆破基础台账和评价机制的方式，对二次处理大块的数目和爆堆挖装时间进行记录与统计(见表5)，爆破方量以月底测量核算爆破块段方量为准。2018年9 个伟晶辉长岩爆区大块率及挖装时间的统计结果，较2017年同期相比，伟晶辉长岩爆区大块率(最长边大于1.2 m)从0.535%降低至0.475%。同时表明：2018年1～9 月及及坪采场伟晶辉长岩爆区爆破质量有显著提高，大块率高的部位得到了很大的改善，挖装效率明显提高(见图4)，节约挖装成本58.76 万元。

图4 爆堆改进前后整体外观情况Fig.4 Overall appearance before and after improvement of blasting pile

5 结语

降低露天爆破大块率几乎是所有露天矿山亟待解决的问题。针对白马铁矿及及坪采场的实际情况，在爆破实践中不断地学习与改进，找出了产生大块的原因，采用一系列的技术手段和管理措施,并总结出符合本矿山的一些经验，确实有效地改善了采场爆破质量，降低了深孔台阶矿石大块率，为采场高效生产奠定了基础。同时大大减少了二次破碎量，提高了铲装和运输的效率，降低了矿山开采的综合成本。