3Dmine技术在采场深孔爆破顶柱回收中的应用

付宏宁

(中核韶关锦原铀业有限公司，广东 韶关 512329)

棉花坑铀矿床是在产地下硬岩铀矿山，主要采用上向水平分层充填法开采。目前位于-50 m中段10-0采场的顶柱由于节理裂隙发育，导致采场顶板失稳严重，无法沿用原有采矿工艺实现对矿柱的回收。但该矿柱资源量可观，若不予回收，必将导致资源的大量浪费。因此，为了提高棉花坑矿井的资源回收率，根据矿柱具体形态和赋存条件，结合采场现有工程和矿山现有设备制定合理的回收方案，实现破碎矿柱的安全高效回收是矿山目前的重要工作之一。

1 采场概况

1.1 地质概况

棉花坑矿井10-0采场位于-50 m中段的31～35号勘探线之间，矿体产状为230～265°∠75～87°，铀平均品位为0.212%。含矿岩性为硅化碎裂岩、蚀变碎裂花岗岩，硅化、黄铁矿化、绿泥石化发育。围岩为粗、中粒蚀变花岗岩，其绢云母化及绿泥石化明显，晚期构造较发育，有晚期石英脉。矿带内蚀变均匀，主要以赤铁矿化为主。

1.2 采场现状分析

根据矿体形态和采场现有工程确定合理的回采方案是进行中深孔设计的前提，也是实现矿柱安全高效回收的最主要因素[1]。棉花坑矿井10-0采场位于9-0采场的正下方，采用人工底柱上向水平分层干式充填采矿法，采场共布置3个顺路井，1个采准天井，2个探矿天井，底部施工有60 cm厚的钢筋混凝土假底，顶部留有5.5 m厚的自然矿柱。采场最大宽度为6.6 m，最小宽度为0.7 m。

目前采场已经回采至顶部矿柱，但由于从9C01穿脉到9C02穿脉之间(31勘探线以北30 m～33勘探线之间)的矿柱处于蚀变带内，节理构造十分发育，造成采场顶板破碎，脱层冒顶严重，尤其在10T01天井和10Z01天井处裂隙和松石较多，严重影响了生产安全，使采场一直处于停产状态。

2 矿体和主要工程的三维模型构建

为了能直观反映矿体形态，实现对顶柱的深孔精细化爆破，借助3Dmine软件构建矿体和主要工程的三维实体模型，并以此为基础进行深孔爆破方案设计。

2.1 矿体模型建立

在3DMine建模软件中，矿体模型的建立实质上是根据矿体的多个剖面形成闭合曲线，并将这些闭合曲线通过三角网的方式连接在一起，形成三维实体模型[2]。因此，建立矿体模型的主要步骤为：1)将能反映矿体边界的相关剖面CAD图导入3DMine中；2)通过在闭合线内和闭合线之间连接三角网的方式构建矿体的初步模型；3)在初步模型的基础上进行实体编辑，实现三角网的合并；4)删除实体中自相交三角网、无效边三角网及开放边等，实现实体的优化，从而得到最终的矿体三维模型[3]。根据棉花坑矿井10-0采场矿柱剖面图建立的矿体三维模型如图1所示。

图1 10-0采场矿体模型三视图Fig.1 Three views of 10-0 stope ore body model

由矿体的三维实体模型得知：处于破碎区域的顶柱长约61 m，整体上是中间较薄，两边较厚，中间厚约1.6～2.5 m，两边厚约3.2～4.3 m。通过3DMine软件的实体体积功能可计算顶柱体积，进而得出资源量，结果见表1。

表1 10-0采场顶柱资源量Table 1 10-0 stope top pillar resources

2.2 巷道模型建立

3DMine软件具备由巷道中线、巷道腰线以及巷道断面生成巷道实体模型的功能[4]。棉花坑矿井10-0采场的凿岩巷道断面变化较为明显，为了最大限度地反映巷道的真实情况，采用腰线巷道建模方式，巷道断面采用三心拱，宽为3.1 m。模型如图2所示，模型实体体积为518.93 m3。

图2 10-0采场凿岩巷道三维模型Fig.2 3D model of 10-0 stope rock drilling tunnel

3 深孔爆破方案研究

3.1 回采方案确定

由三维模型和采场地质概况得出该矿柱属于极倾斜不稳固薄矿。关于该类矿体的高效开采，相关学者进行了研究。针对某矿山遗留的极倾斜不稳固矿体，提出了中深孔脉外分段空场法，通过采用YGZ-90钻机钻凿扇形孔实现微差爆破，取得了良好的工业效果[5]。某金矿为了提高采场极倾斜薄矿脉的生产能力和生产效率，采用深孔落矿的分段充填法开采，并且对深孔爆破参数进行了优化[6]。采用深孔爆破是开采极倾斜不稳固薄矿体的有效途径。

通过探矿孔得知，10-0采场矿体边界与脉外凿岩平巷的水平最大距离约为2.2 m，脉外凿岩爆破不会引起矿石的大量贫化。目前10-0采场脉外凿岩平巷已施工完毕，并且矿山现有的YG-Z90型钻机可实现深孔的凿岩布孔，因此根据工程类比思想，决定采用脉外扇形深孔爆破落矿回采方案(图3)。

施工人员及设备等从0 m中段主巷沿斜坡道进入采场。由于矿柱厚度较小，因此中深孔爆破时以采场顶板为自由面，由矿体一端依次连续爆破，每次爆破2～3排。为了提高出矿效率、简化出矿工序，在脉外每隔10 m左右布置垂直于矿体的出矿穿脉，铲运机可由此直接进入采场铲运矿石。爆破结束后，矿石靠自重落至出矿平巷处，由铲运机经出矿斜坡道运至溜井，最终由主井统一提升至地表。

1—9-0采场空区；2—凿岩巷道；3—出矿穿脉；4—10-0采场充填体；5—围岩；6—出矿斜坡道；7—出矿漏斗；8—出矿沿脉；9—扇形深孔；10—0 m主巷；11—探矿天井；12—凿岩天井。图3 脉外扇形深孔爆破回采方案示意图Fig.3 Schematic diagram of the recovery plan for extra-vein fan-shaped deep hole blasting

采空区用废石及时充填，以保持地下空间的应力平衡。充填体(废石)由铲运机经脉外凿岩巷运至采场，依次将采场下部的空区充填至与凿岩巷持平并压实，为铲运机提供工作面；随后逐步完成对凿岩巷水平上部空区的不接顶充填，不接顶距离约为0.6 m。待出矿和充填结束，即可封闭采场。采准工程量见表2。

表2 10-0采场采准工程量Table 2 10-0 Stope mining project quantity

3.2 爆破参数选取

3.2.1 深孔布置方式

根据确定的采矿工艺，在凿岩平巷中向一侧采场施工深孔，因此炮孔布置采用上向扇型方式。根据YGZ-90型钻机尺寸，扇形孔中心位于凿岩巷道水平中心位置高约1.2 m处。

3.2.2 孔径

炮孔直径主要取决于矿山现有凿岩设备，同时还受炸药型号、岩体强度,以及爆破成本等因素的影响。目前棉花坑矿井采用的中深孔凿岩设备主要为YGZ-90型钻机，根据钻机参数和现有配件，同时兼顾炸药型号、岩体强度等因素，确定本次设计的中深孔孔径为55 mm。

3.2.3 最小抵抗线

最小抵抗线是爆破设计中最重要的参数之一，其大小主要受岩体坚固性、中深孔孔径、炸药性能和补偿空间大小等因素的影响。目前国内矿山一般采用经验公式(1)计算最小抵抗线的值，并根据矿体具体产状灵活选取[7]。

W=(25～30)d，

(1)

式中：W—最小抵抗线，m；d—炮孔直径，m。根据公式(1)计算得出的最小抵抗线W为1.37～1.65 m，考虑到矿体岩型以花岗岩为主，较为坚硬，因此最小抵抗线取较小值(1.40 m)。

3.2.4 深孔排距和孔底距

棉花坑矿井10-0采矿全长约为60 m，炮孔排间距取为1.4 m，则扇形中深孔排数为43排。

孔底距指的是炮孔底部至相邻炮孔的垂直距离，目前根据经验公式(2)计算得出[8]。

a=mW，

(2)

式中：a—孔底距，m；m—炮孔密集系数；W—最小抵抗线，m。根据相关经验，在本设计中m取1.0～1.3，计算得出孔底距取值范围为1.4～1.8 m。

3.2.5 炸药单耗

炸药单耗是爆破设计中的重要参数之一，影响因素主要有岩石强度、炸药性能和最小抵抗线等，可通过公式(3)近似计算[9]。

(3)

式中：k—修正系数，取1.4～1.5；ρ—矿石密度，kg/m3；f—普氏系数。计算可得炸药单耗为0.6～0.8 kg/t。需要注意的是，该范围仅可作为爆破装药量的理论参考值，具体值需根据现场实际爆破效果调整[10]。

4 基于3DMine的深孔爆破设计

3Dmine软件的地下开采模块提供了深孔爆破设计功能，可通过初始化参数选取、回采排线设计、创建爆破单元以及切割边界等步骤进行多种扇形孔、平行孔以及单孔的设计；同时能在炮孔装药设计的基础上，借助矿体的块体模型完成对爆破量、爆破面积等指标的计算，为矿体的高效开采提供技术支持[11]。

4.1 爆破边界生成

4.1.1 创建爆破单元

首先，根据棉花坑矿井10-0采场的矿体边界创建三维多线段闭合曲线，并且将高程赋值为0 m；然后，根据矿体回采顺序布置回采排线，排线的步距为深孔排距，取1.4 m；最后，通过拉线回采排线创建回采单元，炮孔排号从1依次增加至43，即每排炮孔为1个独立的回采单元，共包含43个回采单元，如图4所示。

1—回采单元(共43个)；2—矿体边界；3—回采排线(间距1.4 m)。图4 10-0采场爆破单元Fig.4 10-0 stope blasting unit

4.1.2 实体切割

爆破单元创建完成以后，需要导入矿体和巷道的实体模型进行实体切割，求出每个爆破单元、矿体和巷道之间的交集，便于对每个爆破单元进行深孔爆破设计[12]。该内容可分为：1)选择要切割的实体文件并加载；2)选择爆破单元对实体进行切割。将棉花坑矿井10-0采场的矿体和巷道实体模型按照采场爆破单元进行切割，得到每排炮孔设计单元的实体模型，如图5所示(以第22排炮孔为例)。

1—设计单元矿体实体模型；2—设计单元巷道实体模型。图5 第22排炮孔设计实体模型Fig.5 Solid model of the 22nd row of gunhole design

4.2 扇形孔布置设计

在3DMine软件中根据确定的爆破参数可进行批量扇形孔设计，但可能会因为个别炮孔位置的不合理出现爆破悬顶或爆下围岩等现象，从而导致爆破效果不佳，尤其是在规模较小的薄矿脉中更为明显[13]。因此，在扇形中深孔设计完成后，需要根据矿体形态对部分炮孔进行调整和优化，以达到最优设计[14]。

棉花坑矿井10-0采场的顶柱规模较小(平均宽约4 m，平均厚约3.1 m)，炮孔数量较少，在3DMine中不易采用固定爆破参数。因此对10-0采场矿柱进行单孔布置设计，并结合现场实际对爆破参数理论计算值做适当调整。以第11排和第42排炮孔为例，为了提高深孔爆破效果，将孔底距调整至1.2～1.3 m。

整个采场炮孔排数为43排；每排炮孔数量随矿体形态在3～5个间浮动，共计153个；累计钻孔长度约为868 m。由于在第11排和第42排的炮孔数量取得最大值和最小值，因此以第11排和第42排扇形中深孔为例，设计结果如图6所示。第11排的炮孔长度分别为7.8、7.7、7.7、7.6、2.8 m，炮孔倾角依次为-11.1°、-2.5°、6.0°、14.3°、31.7°；第42排的炮孔长度分别5.4、5.4、5.7 m，炮孔倾角依次为-2.5°、6.6°、16.9°。

1—采场边界；2—炮孔；3—凿岩巷道；4—矿体；5—炮孔孔倾角；6—炮孔长度；7—炮孔编号；8—炮孔孔底距。图6 扇形中深孔设计Fig.6 Fan-shaped deep hole design

4.3 爆破装药设计

3DMine软件在计算装药长度时，以柱状药包爆破所产生的应力波在无限介质中的传播理论为依据，采用作图法进行求解[15]。在本次装药设计中，爆破影响半径取实际孔底距的一半[16]。以第11排和第42排炮孔为例，装药设计和爆破影响范围如图7所示。

1—影响范围；2—炸药药卷；3—凿岩巷道；4—矿体；5—炮孔编号；6—炮孔孔底距；7—装药长度。图7 扇形深孔装药设计及爆破影响范围Fig.7 Fan-shaped deep hole charge design and blasting influence range

第11排炮孔1、2、3、4、5号孔的装药长度分别为6.7、5.4、6.0、5.6、2.0 m，累计装药长度为25.7 m；第42排炮孔1、2、3号孔的装药长度分别为3.2、2.2、3.4 m，累计装药长度为8.8 m。

5 工业应用

针对10-0采场的破碎顶柱，运用脉外扇形中深孔爆破落矿回收方案，并且严格按照设计参数施工深孔炮孔。从第1排炮孔依次凿岩爆破，每次起爆2～3排，施工流程：凿中深孔→装药→炮孔填塞→电子雷管设置→爆破网络连接和检测→起爆。钻孔设备为YGZ-90型钻机，孔径为55 mm。使用散装硝铵炸药，利用BQF-100型风动装药器实现炮孔的柱状连续装药；所有炮孔采用炮泥进行填塞，填塞长度为0.6 m。为了提高对毫秒延时爆破时差的控制精度，在矿柱回收时采用电子雷管起爆。

生产过程中，生产作业面位于较为稳固的围岩中，未出现严重的顶板冒落等危害，同时深孔炮孔的精准设计实现了顶柱的高效回收，10-0采场相关工业技术指标见表3。每排炸药单耗和矿柱在炮孔方向上的截面积变化情况如图8所示。

表3 10-0采场相关工业技术指标Table 3 10-0 Stope-related industrial technical indicators

图8 炸药单耗和矿柱截面积变化情况Fig.8 Unit explosive consumption and change of pillar cross-sectional area

从表3和图9可得出，炸药单耗随着矿柱形态的变化而上下波动，其总体上和矿柱在炮孔方向上的截面积呈负相关关系。炸药单耗其最大值为0.95 kg/t(在第1排炮孔)，最小值为0.45 kg/t(在第16排炮孔)；相应矿柱在炮孔方向上的截面积分别为8.6 m2和17.87 m2。10-0采场总体的炸药单耗平均值为0.71 kg/t，与理论计算值0.6～0.8 kg/t相符合。

6 结论

根据矿柱形态、采场现有工程和矿山现有设备，提出了脉外扇形中深孔爆破落矿回收方案。借助3DMine软件进行了扇形中深孔爆破相关设计，并且完成了10-0采场顶柱的回收工作。工业技术指标为：炸药消耗量1 634 kg，炸药单耗平均值0.71 kg/t，矿石贫化率21%，矿石损失率27%，采切比73.2 m/kt。

采用脉外扇形深孔爆破落矿方案回收极薄不稳固矿脉，具有贫化损失低、采切比小，以及施工简单安全等优点，该方案可在同类矿山推广应用。