抚顺东露天矿降低油页岩富矿尾矿率方法

李念源，姜汉磊，黄金龙，闫 岽，霍明亮

（抚顺矿业集团 东露天矿,辽宁 抚顺 113003）

抚顺矿业集团东露天矿是一座剥采总量超过2 000万m3，油页岩富矿产量1 100万t，煤炭产量90万t的国家特大型露天矿山。东露天矿生产出的油页岩富矿作为炼制页岩油的原料供应抚矿集团公司的2个油厂。受工艺条件制约，2个页岩炼油厂炼油所需富矿粒度直径不得小于15 mm，小于15 mm的油页岩经过波动筛筛分后作为尾矿被排弃掉[1]。因此，油页岩富矿尾矿率的大小已成为影响页岩油炼制经济收益的重要指标。东露天矿达产以来，年生产油母页岩富矿1 100万t左右。经测算，尾矿率保持在12.6%～15.6%。进入2018年以后，从油厂监控系统反馈回的信息分析，供应的油页岩富矿尾矿率有逐步提升的趋势。作为原料供应单位，努力提高供应富矿品质，从富矿生产源头入手，找出尾矿率提升的原因，并制定切实可行的应对方案来降低尾矿率，提高富矿资源利用率，是东露天矿生产技术人员急切需要研究解决的问题。

1 油母页岩富矿尾矿率增大的原因

1.1 采掘带宽度与移路工序作业规格不匹配

东露天矿采掘带宽度按照穿爆作业规格确定，富矿台阶常规布置2行钻孔进行爆破作业。采掘带宽度由式（1）计算为9.136 m（富矿台阶爆破采用三角形布孔。标准台阶爆破参数为台阶高度8 m，超深0.5 m，孔深8.5 m，前行炮孔中线至台阶坡顶线之间的安全距离3 m，孔距6 m，行距4 m，台阶坡面角75°，爆破后冲按式（2）计算得2.136 m）。

式中：A为采掘带宽度，m；C为前行炮孔中线至台阶坡顶线之间的安全距离，m；a为行距，m；Whc为后排孔爆破后冲距离，m。

式中：Whc为后排孔爆破后冲距离，m；H为台阶高度，m；α 为台阶坡面角，（°）。

东露天矿铁道线路移设采用蒸汽吊车作业，吊车吊臂最大跨距为11.5 m[2]，决定吊车每次移路作业最大移设宽度可达11.5 m。电铲采掘作业时按照采掘带宽度进行采掘，采掘后铁道线路也要按照采掘带宽度平行跟进。在采用2行孔爆破作业时，采掘带宽度9.136 m，因此采掘后线路移设也为9.136 m，按此规格移设铁道线路作业，吊车移设跨距有2.364 m得不到利用（单次移设距离小，累加后会增加移路作业次数）。因此，有的计划员在安排生产时会安排采掘带按照3行钻孔爆破作业，按照式（1）计算，3行钻孔爆破作业时，采掘带宽度为13.136 m；吊车按11.5 m进行移设线路，电铲采掘后将有1.613 6 m爆堆被留下，这会导致下一幅台阶爆破作业时被动成为压渣爆破[3]。当钻机接续紧张时，有的计划员为了预留爆破量，安排采掘带按照4行孔进行爆破作业，此时采掘带宽度为17.136 m，按照11.5 m移设铁道线路，有5.636 m爆堆被留下，对下一次爆破作业来说相当于压渣宽度进一步加大。台阶剩余爆堆的弊端如图1。

图1 台阶留爆堆

剩余爆堆在下一次台阶爆破时会再次受到炸药能量冲击，爆堆会进一步变得松碎，被重复爆破的富矿爆堆尾矿率急剧提高；由于剩余爆堆的存在，使下一幅采掘带爆破时成为压渣爆破，临空自由面由于爆堆压制与前排炮孔距离增大，前排炮孔底盘抵抗线距离相应增大。此时为了不留根底，只能加大前排炮孔装药量来克服底盘抵抗力。由于采用底部连续装药方式作业，爆破药量增加，爆破后炮孔底部特别是钻孔超深区域爆破应力圈内 岩体会变得过度松碎，爆破压碎圈内富矿过度破碎也是富矿尾矿率增大的原因之一。

1.2 穿孔爆破作业影响

1）底部连续装药方式对矿岩过度粉碎影响。东露天矿现场爆破作业装药采用底部连续装药的作业方式[4]，装药后药包集中在炮孔底部，从爆破后现场采掘效果看，台阶下部矿岩较为松碎，台阶上部有时会出现大块，结合2014年辽宁工程技术大学在东露天矿爆破试验结果分析，东露天矿油母页岩属于较软弱性岩石，炮孔周围的岩体存有裂隙，爆破后造成径向压碎圈范围较大，特别是采用底部连续装药时，炸药药包集中在炮孔底部，爆破后会增大压碎圈的范围，这也是爆破后富矿尾矿率增加的一个原因。爆破破碎圈如图2。

图2 爆破破碎圈

2）钻孔超深过大影响。受水文地质条件影响，东露天矿台阶含水量较大，钻机司机为防止水孔坍塌，造成孔深不足，有时会在设计钻孔深度基础上增加一些钻孔深度，（东露天矿质量监察科会对孔深不足的钻孔进行处罚，因此钻机司机钻孔时往往会在设计孔深基础上深钻一些，避免塌孔造成孔深不足受到处罚）。爆破前验孔时，爆破人员验出超深过大钻孔时，由于不愿增加劳动量，有时不对钻孔按照设计标准进行回填，而直接在大超深钻孔内直接装药起爆。此种条件下，钻孔超深过大与爆破底部连续装药相结合，爆破后超深区域会过度破碎[5]，造成电铲采装后下部平盘留下大量粉碎页岩，此部分粉碎页岩几乎全部为尾矿。

2 降低富矿尾矿率的措施

2.1 规范各工序作业标准

1）规范作业流程，在编制生产作业计划时建立以采掘作业规格为主导的生产计划原则[6]，电铁线路移设距离严格按照采掘规格制定，捋顺穿爆参数与移路宽度的匹配关系，确保采掘后的台阶不留剩余爆堆。不涉及工程作业时，标准台阶常规采掘时一律按照2行钻孔布置进行穿孔、爆破作业，保证电铲采掘后无剩余爆堆残留。

2）台阶爆破后，计划员按照爆堆参数摆出采掘界线，电铲司机按照界限作业，保证采过台阶帮齐底平，不留爆堆。

3）采剥段计划员要严格按照穿孔、爆破、移路工序顺序安排采区接续作业，杜绝先移路后爆破这种逆序作业方式出现（先移路后爆破有时会造成电铲采宽不足，无法作业，此时只能在台阶里侧补打1行钻孔爆破作业，来扩宽采掘带宽度。而多打1行钻孔又会造成电铲剩余爆堆采掘不净现象发生）。

4）穿孔作业严格执行质量标准化标准，质量监察科要对钻孔进行跟踪检查，确保孔深偏差严格控制在正负0.5 m之内。爆破单位爆破作业前严格执行验孔作业，对水大造成的塌孔和孔深不足孔要及时进行补孔作业，对超深过大孔要及时回填，保证孔深满足穿孔设计规定再进行装药作业。

2.2 优化布孔方案

抚顺东露天矿自建矿以来，采用的爆破参数是沿用抚顺西露天矿的经验数据，即标准台阶爆破作业参数为孔距6 m，行距4 m，边眼距3 m，超深1 m。但是随着开采规模的不断扩大，采掘系统的不断开拓延伸，东露天矿与西露天矿的岩石岩性质不同之处逐步显现。差异体现在2个方面：一是地质赋存条件不同，西露天矿富矿埋藏深，受自然条件影响的小，比较坚硬，东露天矿开采的富矿埋藏浅，风化严重，而且常年遭受水浸及自燃的侵害，相对粉碎；二是东露天矿矿坑因为下部井工矿的开采形成沉陷影响，富矿层变得相对破碎不完整，而西露天矿的富矿层则基本未受井工开采影响，富矿层完整性较好。综合2方面因素得出结论，东露天矿富矿硬度要低于西露天矿富矿。因此，沿用西露天矿爆破参数，对东露天矿爆破作业效果影响较大，是东露天矿尾矿增大原因之一。2018年以来，东露天矿在现场进行了多次试验，根据爆破效果跟踪比对，总结出适合油母页岩富矿岩性的爆破参数，即孔距6.5 m，行距4.5 m，边眼距3 m，超深0.5 m。从新参数可以看出，随着孔、行距的增大，单个钻孔所负责爆破面积随之增大，爆破平均单耗可从148 g/m3降低至130 g/m3，通过减少炸药的使用量，实现降低富矿过度松碎度的目标。

2.3 改变炮孔装药结构

1）采用炮孔底部空气柱作业方式。炮孔底部空气柱效应作用机理[7]：①卸载作用、减低初始爆压：底部空气柱装药犹如在装药底部设置了1段泄压管，在装药爆轰后的初始阶段，部分压力迅速向底部空气柱泄压，降低了初始爆压，减轻了爆轰冲击作用，减小了粉碎或压缩圈半径；②储能作用、增大爆破冲量、减弱爆破震动：装药爆炸时，部分能量冲击孔壁，对周围介质产生依次加压，形成主压缩波。而部分能量被储存在底部空气柱中，随着主压缩波的能量降低，空气柱开始释放能量，并扩展和贯通裂缝，空气柱多次脉动，对介质多次加载，增加了对介质破坏作用时间，提高爆破效果，减弱爆破震动，③气压作用滞后、断裂破坏加强：底部空气柱装药爆破时，在初始阶段相当长时间内，高温高压的爆轰气体进入底部空气柱储存，待冲击压缩能量使介质产生许多裂缝而降低到一定程度后，底部空气柱才开始释放能量，因此，使爆轰冲击波和应力波充分创造裂缝，气体高压的断裂作用也得到了加强，爆破震动随着减弱。

2）采用分段装药结构。在底部空气柱的基础上将连续装药改为分段装药，现场作业过程中，将炸药分为2段装入，中间以草把子阻隔（草把子起到间隔器作用），在两药柱间形成空气柱。采用分段装药作用[8]：一是降低作用在孔壁的峰值压力，减少了炮孔周围岩石的过度粉碎，提高了有效能量的利用率；二是增加应力波的作用时间：由于冲击压力的降低，减少了冲击波的作用，相应地增大了应力波的能量，从而增加应力波的作用时间，使岩石破碎更加均匀；三是在保证充填高度前提下提升药包高度，使台阶上部岩体爆破块度更均匀，降低大块发生率。底部空气柱分段装药方式如图3。

图3 底部空气柱分段装药结构断面图

2.4 爆破实例对比

时间2019年5月17日；地点为456采区；区间E6100－E6500；水平－10 m；爆破区域分为东西2个区域，2个区域各爆破100个钻孔，东区采用传统的底部连续装药方式，西区采用底部空气柱分段装药的作业方式。底部连续装药作业方式与底部空气柱分段装药作业方式参数对比见表1。爆破后爆堆情况如图4。

表1 底部连续装药作业方式与底部空气柱分段装药作业方式参数对比

图4 爆破后爆堆块度对比图

底部连续装药作业方式与底部空气柱分段装药作业方式参数对比优点：①爆破单耗降低18 g/m3，减少炸药用量，提高炸药使用效率，降低爆破成本；②爆破率提高4 m3/m，提高钻孔利用率，减少穿孔延米用量，节省穿孔成本，压缩钻机作业时间；③底部空气柱分段爆破爆堆块度均匀，无明显粉矿堆积，降低尾矿发生量，提升高富矿资源利用率，增加经济效益。

底部连续装药作业方式与底部空气柱分段装药作业方式参数对比缺点：①装药充填作业比底部连续装药作业方式复杂，现场作业劳动强增大，增加人工成本；②增加底部空气柱间隔材料和中间分段间隔器（用草把子替代）材料，增加部分材料成本。

通过对比分析，采用底部空气柱分段装药爆破方式能够起到降低富矿尾矿率作用。同时还可降低炸药单耗，提高钻孔延米利用率，对比增加的人工成本和部分材料成本，推广应用综合经济效益巨大。爆破试验后，采剥段对电铲采掘进行了写实记录，采用底部空气柱分段装药爆破作业方式作业的爆堆在采装过程中块度满足电铲采装要求，采掘过程中未出现根底、硬帮等不良现象。

3 结语

进入2018年下半年，随着降低尾矿各项措施的实施，东露天矿供应油厂的油页岩富矿粒度更为合理，尾矿发生率得到有效控制。按照油厂统计数据分析，尾矿发生率基本维持在9%左右，与2018年年初相比较，降幅为3.6%～ 6.6%。按照降幅低点3.6%计算，每年可减少富矿损失39.6万t。东露天矿供应油厂富矿每吨为46元，则可直接产生1 821.6万元经济效益，经济效益显著。同时，尾矿率降低后，可进一步压缩排土成本，减少排土场土地占用，节约土地资源，更有利于矿区环境的生态保护，符合当前的矿山环保建设发展趋势，产生积极的社会效益。