基于爆破块度指标的采选能耗研究分析

2021-03-08栾辉

世界有色金属 2021年24期

栾辉

（鞍钢集团鞍千矿业有限责任公司，辽宁鞍山 114051）

对于矿山而言，如何在开采时实现能量高效利用，是矿山开采能耗的研究方向。整个生产环节包括炸药破岩的能耗和机械设备磨矿的能耗，在矿山资源开采过程中，爆破工序的能耗分配不合理，破磨设备能量消耗巨大，导致整体能耗过高。因此提出了能耗前移，以爆代破，以破代磨的方式指导作业，在矿山开采环节，常以爆破的方式进行开采，利用炸药爆炸的能量对岩石进行做功，根据能量的传递性，寻求以低能高效的形式破碎岩体，以获取合格的爆破块度，而后爆破产生的岩块通过装车、输送带等方式运输至选矿厂，此时若破碎岩块粒度控制较好，破碎设备效率显著提升，所需能耗也因此较低，获得经济收益越高，所以基于爆破块度研究矿石破碎的能耗，对矿山提高生产效率，提高经济收益具有重要意义。

1 采矿能耗

1.1 爆破块度与能耗关系的研究

爆破作为矿山开采的主要手段，爆破阶段能量消耗体现在炸药能量对岩石做功方面，而不同炸药能量下所对应爆破效果截然不同，控制炸药能量耗散有利于岩石的破碎，产生合格细小岩块，实现经济收益最大化。当炸药能量不足时表现为大块率高，对后续生产环节造成困难；当炸药能量耗散过大时表现为矿粉过多，不利于资源开采利用。可见块度与炸药能耗之间存在一定的关联，用爆破块度衡量炸药能量耗散、能量利用率是否达到要求是评价爆破效果的根本途径。因此开展爆破块度与炸药能耗的规律研究，有助于实现采矿环节低能耗高爆破的目标。

根据国内外学者对爆破块度的研究，牛爱红[1]通过鱼骨图列举影响爆破因子、对重要因子进行失效模式分析，用全因子进行评价，经过试验将其主要的影响因素分为岩体性质、孔网参数以及装药结构（具体影响因素见表1）。作为爆破对象的岩体是一种固定属性的介质，其力学性能是不能改变的，目前室内试验为研究块度与能耗之间的关系，采取根据岩石破碎特性，检测应变率、冲击能、破碎程度与破碎能效率之间的联系[2]。为了获取准确可靠的应变率、冲击能采用分离式霍普金森压杆（SHPB）进行动态冲击压缩试验，寻求块度分布与能量耗散之间的关系，获取岩石动态破坏时块度分布特征[3]。大致可以得出，能量利用率高时破碎块度均匀，大块率小。在室内试验研究基础上，现场爆破采取依据现场环境研究岩体性质、孔网参数和装药参数对爆破效果的影响，为达到爆堆集中、块度均匀、细小岩块多的目标，需要提升炸药能量利用率，实现低能耗高爆破。

表1 影响爆破效果的因素

1.2 爆破块度分布与能耗测试

爆破是一个炸药释放能量，岩石吸收能量的过程，可通过检测爆破块度分布、大块率百分比来评价能耗的利用是否达到预期目标。

对此，进行爆破之前进行模拟、预测和分析，考虑最小抵抗线、孔深、孔径、装药结构、孔间延时、起爆顺序等参数对爆破块度的影响，并结合实际工程对其进行科学合理的改进，确定最优炸药单耗，达到低能耗、高利用率，产生合格细小岩块标准。目前常用K-R（Kuznetsov-Rosin-Rammler）数学模型进行预测，它是一个通过建立各种装药参数，从而准确预测大块率所对应炸药单耗的数学模型，并且在实际工程中效果显著，可以实现炸药能量充分利用，将大块率控制在3%以下[4]。此外为实现炸药能量的高效利用，还可以采取分析孔网参数数影响的方式，获取合格爆破块度。例如在最小抵抗线逐渐增大后，爆破能耗呈现先升后降的趋势，为达到低能耗高爆破目标，在最小抵抗线最优时，实现了爆破能耗最低，爆堆质量最高，且小于110mm尺寸岩块占比达57%，能耗节省了约2.5倍[5]。在孔间延时时间下，爆破能耗同样呈现出在先升后降的趋势，所以确定最佳孔间延时时间，可使炸药能量利用充分，得到分布均匀的爆破块度，将大块率控制在6%左右[6]。

爆破工作中，需对爆破设计进行不断优化，具体分析现场各类因素对炸药单耗的影响，根据不同工程、同一工程不同作业阶段、不同孔径对应不同台阶高度等，确定炸药选取的侧重点，提出多种优化方式，选取最合适的炸药单耗，实现块度均匀，低能耗高爆破量的目标。如在某深孔爆破中，利用现场经验算出合理孔径和台阶高度，在确定炸药单耗为0.3957kg/m3时将日均爆破方量达到了10000m3以上[7]；鱼山工程爆破中，考虑爆破排数、台阶高度对炸药单耗的影响，在确定炸药单耗为0.33kg/m3时将单月开挖量达到了317万m2[8]，在这两个爆破工程中，爆破后也呈现出了爆堆集中，块度均匀，大块率少的现象，展现出了能量的高效利用。

可见在采矿环节，通过采取相应的预测与优化手段，对于控制爆破块度有积极的作用，而大块度率的降低，爆破块度均匀的产生，正是能量高效利用的体现，能够促进爆破开采节能降耗的发展，有利于取得最大化经济收益。

2 选矿能耗

2.1 爆破块度对筛分能耗的影响规律

在爆破开采后，将爆堆岩块运输至选矿厂进行破碎，选矿过程通常包括初破、中破、细破、碾磨这几个步骤。爆破开采后，爆堆岩块块度的尺寸大小、块度分布均匀程度对选矿厂筛分能耗有着极其重要的影响，具体表现为：

对粒径大于10mm的岩块进行初、中破碎筛分，有研究表明，提升爆破质量，产生均匀合格的细小块度对选矿厂破碎筛分尤其重要，粒径在120mm～150mm的岩块，出磨筛余为20%～30%，粒径在150mm～200mm的岩块，出磨筛余为35%～55%[9]。同时碎岩尺寸整体较大，会导致小型分级设备工作效率低下，一次分级产量较少，需多台设备同时工作，对此需采取使用大型分级设备的措施，以提高工作效率，减少工作台数，实现降低能耗。常用筛分设备相比较而言，螺旋分级机工作效率只有水力旋流器的20%～40%，目前，循环负荷载大的螺旋分级机逐渐被能耗更低效率更高的水力旋流器取代。采用水力旋流器分级，分级效率大约可以提高16.59%，年电耗可以节约46.64万元[10]。在某选矿厂，采用大型化水力旋流器进行分级研磨，精矿回收率明显提高，循环负荷载大约降低53.93%，年耗电费节省13.6万元，生产成本降低87万元[11]，因此，要降低选矿筛分环节的成本就需要调整爆破块度，降低块度粒径。

2.2 爆破块度对入磨能耗的影响规律

块度对于入磨时破磨设备能耗的影响也十分显著，基于破磨设备生产能力经验公式、邦德功指数经验公式，考虑磨矿能耗最低原理，可以计算最佳入磨粒度[12]。不同入磨粒径与单位能耗关系（见表2），一般10mm粒径以下矿石容易通过破碎仓，对皮带的冲击作用较小，因此有利于破碎，耗能也较少。随着工艺和设备提升，将入磨粒径可进一步缩小，在5mm粒径以下时，单位耗电量可减少5%～10%[13]。从表2不难看出不同粒径的岩块对破碎产量的影响巨大，粒径越小的岩块，矿石破碎筛分效率越高，磨矿过程碎岩返回量越少，机械设备工作时间越少，所消耗的能量便越少。但入磨粒径并非越小越好，过小粒径反而降低磨矿效率，应根据具体设备选择最小入磨粒径，实现入磨能耗的节能。

表2 不同破碎机出料入磨时破磨主机单位电耗[13]

2.3 优化破磨能耗

矿石破碎后便是磨矿环节，磨矿作为整个选矿厂最耗能的环节，单磨矿作业就消耗了整个选矿环节用能的40%～60%[14]。碎岩尺寸不均匀，入磨粒径不合格导致磨矿能耗升高，磨矿细度越细也会导致能耗升高，针对磨矿环节能耗问题，采取对应的更新工艺设备措施，以提高生产效率，降低设备能耗。根据磨矿过程能量的耗散规律，通常以破碎比和磨矿比作为自变量，机械设备能耗作为因变量，

来探寻破碎岩石所需能耗的规律。通过试验证明，设备落后，工艺不完善是造成生产效率低、入磨粒径不合格、设备能耗高的主要原因。为降低选矿厂能耗，减小矿石块度对选矿的影响，要不断优化施工工艺，更新机械设备，推行节能新工艺和设备，实现磨矿设备的自动化控制，来降低选矿能耗（见表2）。选矿厂在更新设备后，可以将将磨矿产量提高2.5%～10%，同时也可以减少5%～30%的能耗以及3%～5%生产成本[15]。在目前经济发展趋势下，减小人工劳动力，完善选矿工艺，更新选矿设备，是节能降耗的重要途径。

表3 选矿厂节能降耗成功的实例[16-20]

3 采选破碎能耗系统

整个矿山开采过程中，能耗分布极不均衡，在磨矿阶段，能耗占整个采选总能耗的75%以上，而爆破环节能耗仅占5%～8%[21]。低能高效应不仅仅针对于选矿环节，更应该贯穿采矿选矿生产，通过合理的能耗分布达到总体能耗的节省。有研究表明炸药用量影响爆破效果，炸药量过多会导致爆破后矿粉过多，不利于资源利用，炸药量过少会导致能量不足形成大块多，不利于铲装、运输、破碎及碾磨等工序的生产效率及能耗。要实现能耗的均衡，就必须考虑爆破环节炸药能量的利用规律，控制爆破块度，这在选矿破碎环节，工艺和设备不变的情况下，能够有效降低整体能耗。在鞍千矿采选生产中，小台阶爆破试验通过提高炸药单耗，相比较0.21kg/t炸药单耗，在0.32kg/t炸药单耗下，炸药能量得到了最大的利用，大块率降低程度明显，由于小块度的增多，将矿石粒径破碎至2mm，消耗能量降低了30%[22]。董二虎等[23]以更小的炸药单耗得到更多的爆破体积，在0.31～0.34kg/m3炸药单耗下，初、中磨阶段能耗降低了30%以上，研磨5min时研磨质量提升了8倍。可见爆破能量利用率高时爆破块度尺寸小，对矿石破碎能耗有着至关重要影响，是采选整体节能降耗的关键。