露天矿山深-浅耦合台阶爆破方法研究及应用

2022-02-01杨朝云涂欣强李立华

铜业工程 2022年6期

杨朝云，刘秋，周鹭，陈斌，涂欣强，李立华，曾强

（江西铜业集团银山矿业有限责任公司，江西德兴 334200）

1 引言

银山矿业有限责任公司银山九区铜金矿露天采矿场（简称“采矿场”）位于矿区中部，生产能力为5000 t/d［1］。矿区岩性较为单一，以千枚岩为主，局部区域存在斑岩，但矿区断裂构造发育极为严重，条数众多［2-4］。同时，现场爆破时，各炮孔炸药爆破后所形成的应力波在岩体内部相遇出现叠加效应，会在一定区域内形成无拉应力区，进而导致在此区域极易产生岩体大块。为降低爆破大块率，本文提出了深-浅耦合台阶爆破方法。

2 爆破大块产生的原因及部位

2.1 爆破大块产生原因

现场分析发现，两平行药包垂直中心线区域（梅花型中深孔中心区域）是爆破大块主要产生区域。通过对地质和爆破技术进行联合研究，并深度融合爆破破岩理论及药包爆破作用，发现采矿场产生爆破大块的主要原因是相邻药包应力波叠加作用和岩体内部节理裂隙的影响。然而，岩体节理裂隙是采矿场原生固有的，岩体节理裂隙现场图如图1 所示。因此，本文仅对相邻药包应力波叠加作用的影响进行分析研究。

图1 岩体节理裂隙发育区域

为了简化问题，下文仅针对两个相邻平行药包同时起爆进行分析（实际生产过程中，同排药包均为同时起爆），且不考虑自由面的影响。

两药包周边岩体受药包爆破应力波影响可划分为两类（见图2）。第一类：在两药包连线上的岩体；第二类：不在两药包连线上的岩体。下面将分别进行应力研究分析：

图2 平行药包应力波叠加作用示意图

（1）在两药包连线的M岩体单元体，A、B药包爆炸后，两者所产生的径向应力及切向拉应力方向相同。因此，再次连线上的岩体所受到的应力均得到加强，有利于岩体破碎；

（2）不在两药包连线上P 岩体单元体，由于两药包所产生的应力方向不同，可能存在相互抵消的作用，形成应力降低区，且在两药包垂直中心线区域最为明显，现场爆破后也极易在此区域产生爆破大块。

2.2 爆破大块产生部位研究

根据岩石物理力学性质可知，岩石抗压强度远大于抗拉强度。当岩体处于应力降低区时，拉应力是破坏岩石的主要应力。因此，两药包垂直中心线区域爆破大块产生的部位研究可转化为该区域无拉应力区范围研究。

由于采矿场中深孔台阶爆破炮孔孔深及装药量相同，为简化计算，将相邻炮孔内部药柱简化为相邻平行药包。对两药包所产生的应力波斜交，且交点在两药包垂直中心线上的无拉应力区范围进行求解［8-10］，如图3 所示。

图3 两应力波斜交示意图

假设在药包A、B 垂直中心线上任意一个单元体受药包A、B 爆炸应力波所形成的径向应力及切向拉应力作用，由于A、B 药包装药量及孔深一致，将应力简化为：。并以此进行应力分析得：

径向方向合力：

式中：Rr为径向方向合力；σ r为单元体所受径向应力；σθ为单元体所受切向应力，σθ=γσr，其中γ为侧应力系数，为岩石泊松比，通过物理力学试验测试的采矿场各类岩石泊松比均小于0.5，因此γ＜1；β为药包连线与单元体和药包连线的夹角；τ为应力分解角度，。

假设函数：

对函数求导以及二次求导可得：

同时，计算可得y(β)函数零点为β=tan-11/γ，由此可得应力分区为：

综合分析r 方向和θ方向合力情况可知，两相邻同等性质同时起爆的药包爆破后，在两药包连心线的垂直平分线上，由于应力波相遇叠加产生了岩石中的无拉应力，其区间为：

因此爆破后，岩体在此区间范围内极易产生大块。由于采矿场岩石以千枚岩和英安斑岩为主，因此对两类岩石进行无拉应力区范围计算（室内物理力学试验得出千枚岩泊松比0.31，英安斑岩0.37），计算得出：

千枚岩无拉应力区范围：24.2°≤β≤65.8°

英安斑岩无拉应力区范围：30.4°≤β≤59.6°

3 深-浅耦合台阶爆破方法

3.1 爆破方法的提出

由2.2 节分析可知，两类岩性爆破区域无拉应力区范围，同时爆破大块的产生主要集中在两炮孔垂直平分线的上部填塞区域。因此，为降低爆破大块率，提出在台阶上部两炮孔间垂直平分线无拉应力区增设短孔的爆破方法：深-浅耦合台阶爆破方法。增设短孔区域示意图如图4 所示。

图4 增设短孔区域示意图

3.2 短孔参数计算

3.2.1 短孔深度

根据现场中深孔爆破装药情况可知，台阶爆破炮孔正常装药后的填塞长度为4.5 m。在保证短孔内药包爆破效率和填塞长度处于安全范围的前提下，短孔深度取4 m。

3.2.2 短孔布设参数

采矿场台阶采用梅花型布孔方式，结合无拉应力区分布形式，短孔可布设在两个中深孔的垂直平分线上的无拉应力区，同时前排的炮孔恰好处于无拉应力区范围。结合现场穿孔实际可操作性，最终确定将短孔布设在无拉应力区的中深孔等距处。千枚岩区域和英安斑区域无拉应力区增设短孔设计图分别如图5a 和图5b 所示，现场实况图（孔排距按5 m×3.5 m）如图6 所示。

图5 各类岩性无拉应力区增设短孔设计图

图6 增设短孔现场实况图

3.3 爆破效果

根据2016-2021年爆破大块产出率变化图（见图7）及现场爆破效果对比图（见图8）可知，自2018 年底提出深-浅耦合台阶爆破方法并采用后，爆破大块产出率明显降低，且爆破效果得到了大幅度改善。

图7 2016-2021 年爆破大块产出率变化图

图8 深-浅耦合台阶爆破方法实施前后爆破效果图

4 经济及社会效益

4.1 经济效益分析

2019—2021 年采矿场对岩性复杂上部易产生大块的区域采用深-浅耦合台阶爆破方法，穿孔及爆破成本和破碎及铲装成本都发生了变化。

4.1.1 穿孔及爆破增加成本

据统计，2019—2021 年增设短孔炮数共计254面，增设短孔数量共计3048 个，穿孔及爆破成本合计增加86.1 万元（见表1）。其中，根据增设短孔所需，增加穿孔米数计算穿孔增加成本，2019—2021 年增加穿孔成本共计19.0 万元；爆破成本增加的主要原因是雷管及炸药消耗有所增加，2019—2021 年增加爆破成本共计67.1 万元，成本计算方法见表1 所示。

表1 2019—2021 年增设短孔数据及所需增加成本明细表

4.1.2 破碎及铲装节约成本

结合现场实际生产情况，综合分析得出采用深-浅耦合台阶爆破方法后，每一面炮需使用的破碎锤和挖机铲装作业时间分别平均缩短了2 h，8 h。其中，破碎锤计时单价为370 元/h；挖机根据斗容可分为2 m3和4 m3两种类型，其计时单价分别为370 元/h 和500 元/h。由于实际生产过程中两者作业时间相近，所以将挖机计时单价取两者均值435元/h。上述的计时单价均含柴油消耗。由表2 可知，2019—2021 年采用深-浅耦合台阶爆破方法后，破碎及铲装成本共节约107.2 万元。