杏山铁矿地采爆破设计优化研究与实践

陈建华 李月喜 王 勇 师宏伟 董 旭

（首钢集团有限公司矿业公司杏山铁矿）

为了提高地采爆破质量，杏山铁矿多年来一直致力于开展各项爆破设计优化工作，取得了一定的成效。目前，该矿爆破工艺能够满足正常采矿生产需求，同时爆破消耗类指标也处于国内同类矿山较好水平，但在日常生产过程中出现了加长钻杆掘进炸药单耗偏高、光面爆破无导爆索设计适用性不强、电子雷管掏槽孔延期设计无法满足进尺要求等问题，使得现阶段矿山爆破工艺仍存较大的提升空间。本研究通过合理设计试验方案，开展爆破设计优化研究，以进一步提升该矿地采爆破技术水平。

1 地采爆破技术概况

（1）加长钻杆台车炸药单耗。2020年6月，杏山铁矿完成4#掘进台车（图1）加长钻杆大臂改造，钻杆长度由3.7 m增加至4.3 m，穿孔深度由3.3 m增加至3.7 m。改造后，加长钻杆台车爆破循环进尺达到3.24 m/炮，炮孔利用率达到88%，在行业内为领先水平。但是，在掘进炸药单耗方面，受限于孔深增大、孔底夹制作用明显升高等因素影响，加长钻杆掘进炸药单耗2020年底达到2.34 kg/m3，高于改造前指标（2.08 kg/m3）。

（2）掘进爆破光面爆破导爆索使用情况。杏山铁矿掘进爆破采用周边孔光面爆破进行巷道轮廓控制。受节理裂隙发育等客观因素影响，周边孔爆后残索问题持续存在，由于光爆效果不佳，对巷道质量造成不利影响。2020年，该矿通过多次现场试验，确定III类以上围岩采用无导爆索光面爆破，IV类以下围岩采用周边孔“奇偶混合装药”模式进行光面爆破，降低导爆索使用率，2020年全年导爆索单耗达到1.11 m/m3，全年减少导爆索使用量33 630.87 m。但是受各点位地质条件复杂等因素影响，上述设计无法普遍适用，需要进一步进行优化。

（3）电子雷管使用后掏槽孔延期时间。2021年8月，杏山铁矿地采爆破全部采用电子雷管代替原有的导爆管雷管，实现了平稳过渡。自电子雷管投入使用以来，中心掏槽部位的炮孔爆破延期一直按照前期非电管的延期时间进行设定，中心孔0 s，掏槽辅助6#～9#孔为两个500 ms和两个1 000 ms。该爆破设计虽然在岩石点位爆破进尺方面能够达到预期效果，但是硬矿石点位爆破循环进尺无法达到指标要求，尤其在-293 m 1#采区爆破后进尺仅有2 m左右，留下较长的残孔（图2），严重影响了掘进效率和下一循环的穿孔施工。

2 地采爆破设计优化思路

针对杏山铁矿地采爆破过程中出现的掘进加长钻杆炸药单耗偏高、掘进光面爆破降低导爆索设计适用性不强、掘进掏槽孔电子雷管延期时间不合理等问题，本研究通过开展降低掘进加长钻杆炸药单耗试验、分区域优化周边孔无导爆索设计试验、掘进掏槽孔电子雷管延期时间优化试验等工作，选取合理的爆破参数进行爆破设计优化，主要思路如下：

（1）掘进台车加长钻杆改造降低炸药单耗试验。①矿岩硬度问题，从现场实际情况来看，矿岩硬度对于掘进质量的影响较大，主要表现在硬岩点位穿孔效率偏低，循环进尺不足，硬度偏低的点位掘进时，掘进效率及爆破效果较好，需要对不同点位进行分类设计优化；②爆破单耗问题，加长钻杆穿孔深度增加后，孔底夹制作用明显加大，造成爆破单耗较现有单耗明显增加，如何克服孔深增加带来的单耗升高问题成为又一难点［1-3］。

（2）周边孔无导爆索优化试验。主要解决设计适用性问题，从目前现场使用情况来看，受各点位地质条件复杂等因素影响，现有设计无法普遍适用，需要进一步进行优化。

（3）掘进爆破电子雷管掏槽孔延期时间优化试验。①电子雷管特性，电子雷管对于地采矿山而言，使用难度明显增加，一方面对于信息传递及网路检测要求较高，另一方面是电子雷管爆破效果与非电管有明显差别，需要全面掌握电子雷管特性，以满足地采爆破高精度、高质量需求；②掏槽孔延期参数取值，从现场情况来看，电子雷管使用后掏槽孔的掏槽效果达不到设计要求，是造成掘进进尺偏低的重要原因，因此，需要进一步试验确定掏槽孔延期的最佳时间参数，确保掏槽效果达到预期［4-5］。

3 爆破设计优化措施及效果

3.1 加长钻杆改造增加循环进尺试验

2021年以来，通过对不同矿岩硬度及装药系数等方面开展了降单耗设计优化研究，解决了以下问题。

（1）加长钻杆矿岩硬度影响。通过对加长钻杆台车在各岩性中爆破效果的统计分析，发现加长钻杆台车在硬岩点位掘进效率偏低，主要体现在穿孔效率偏低，无法实现一个班完成一个作业面的穿孔工作，并且通过爆破效果来看，循环进尺与炸药单耗指标也相对正常孔深的效果差，但是在下沿大断面以及硬度偏低的点位掘进时，掘进效率及爆破效果较好。为此，针对不用岩性，开展了降单耗参数优化工作。主要措施为：①岩石点位降低个别炮孔装药系数，通过现场对比试验研究，岩石点位深孔爆破装药系数降低，中心掏槽孔及底板孔由97.30%降低至91.22%，一级辅助孔由91.22%降低至85.14%，二、三级辅助孔分别在原基础上降低装药系数3.04%，相对于原设计，优化后的爆破设计使得每炮降低了乳化药卷用量6.9 kg。②矿石点位装药系数设计优化，矿石点位中心掏槽及底板孔由8卷/孔降低至7.5～7卷/孔，装药系数由97.30%降低至91.22%～85.14%。

（2）加长钻杆炸药单耗偏高。2021年，杏山铁矿围绕加长钻杆台车单耗偏高的实际情况，开展了降炸药单耗优化研究，主要措施为：①合理安排加长钻杆台车施工点位，增加4#台车在岩石点位施工频次，并使用48孔设计，降低单次爆破用量，确保炸药单耗降低；②将加长钻杆台车爆破设计二、三级辅助孔装药系数由91.22%～85.14%降低至90%～85%，单次爆破节省炸药1.35 kg；③针对软岩部位二、三级辅助孔采用小直径药卷，装药量由3 kg/孔降低至2.7 kg/孔，达到了降本增效的目标。2021年，加长钻杆台车掘进炸药单耗由2.34 kg/m3降低至2.08 kg/m3，在保障循环进尺提升11.3%的前提下，掘进炸药单耗降低了11.1%，达到改造前的单耗水平。

3.2 分区域优化周边孔无导爆索设计试验

2021年，杏山铁矿继续细化周边孔无导爆索间隔装药设计方案，结合各点位围岩情况确定参数。按照间隔装药方案划分为3种设计方案：①周边孔全部采用导爆索间隔装药；②周边孔全部采用空气柱间隔装药；③周边孔部分采用空气柱间隔装药、部分采用导爆索间隔装药。其中凿岩孔深为3.7 m采用方案①，占爆破总次数的42.6%；方案②在一、二采区，占爆破总次数的32%；方案③用于三、四采区，占爆破总次数的25.4%。

通过开展上述工作，在2021年11—12月份受原材料短缺影响、导爆索停供的不利条件下，全月仅使用导爆索1 150 m，全部采取方案②的方式进行周边孔装药，有效确保了正常生产按计划推进，导爆索单耗全年累计完成0.93 m/m3，较计划降低0.17 m/m3，全年少消耗导爆索14 924 m。

3.3 掘进掏槽孔电子雷管延期时间优化试验

电子雷管自投入使用以来，中心掏槽部位的炮孔爆破延期一直按照前期非电管的延期时间进行设定，虽然在岩石点位爆破进尺能够达到预期效果，但是硬矿石点位爆破循环进尺无法达到指标要求，严重影响了掘进效率及后续工作。为此，采取了如下技术措施：

（1）解决电子雷管特性问题。针对电子雷管起爆能低的问题，与厂家沟通对电子雷管起爆药进行加量，由7 g猛炸药提升至9 g，降低了炸药拒爆率。

（2）解决掏槽孔延期参数问题。①与雷管生产厂家沟通，考虑到非电管起爆时存在较小误差的因素，用电子雷管模拟非电管将掏槽辅助6#～9#孔延期时间改为500，530，1 000，1 030 ms，爆破效果有所改善；②中心掏槽借鉴螺旋掏槽爆破方式，将掏槽辅助孔改为逐孔起爆，4个掏槽辅助孔起爆时间分别为400，800，1 200，1 600 ms，爆破检查效果较好，后又进行逐步缩小间隔时间为300，600，900，1 200 ms。经过调整延期时间后，循环进尺达到了预期的设计要求。目前，中心掏槽部分由0～1 500 m调整为0～1 200 ms和0～1 020 ms两种，其他级别炮孔均采用间隔300 ms。现阶段，两种延期时间能够满足当前需求，周边光爆效果较好。

4 经济效益分析

通过开展掘进台车加长钻杆降低炸药单耗试验、掘进周边孔无导爆索优化设计试验、掘进掏槽孔电子雷管延期时间优化试验等地采爆破技术优化工作后，经济效益显著。

（1）掘进台车加长钻杆降低炸药单耗试验。加长钻杆台车掘进炸药单耗由2.34 kg/m3降低至2.08 kg/m3。按照2021年全年掘进95 700 m3、平均单台车进尺31 900 m3、乳化药卷4.88元/kg，降低的炸药单耗降低成本为0.26×31 900×4.88=4.05万元。

（2）掘进周边孔无导爆索优化设计试验。2021年全年导爆索单耗完成0.93 m/m3，较计划降低了0.17 m/m3，全年减少导爆索使用量14 924 m，按照导爆索1.84元/m计算，降低成本0.17×14 924×1.84=0.47万元。

（3）掘进掏槽孔电子雷管延期时间优化试验。2021年8月开始，电子雷管代替导爆管雷管进行掘进爆破作业，按照掏槽孔延期时间优化后每天减少1次补炮，每次爆破需要雷管10发，按电子雷管17.87元/发、药卷20 kg、单价4.88元/kg进行测算，8—12月份共计减少补炮150次，减少补炮成本（17.87×10+4.88×20）×150=4.14万元。

5 结语

针对杏山铁矿存在的加长钻杆掘进炸药单耗偏高、光面爆破无导爆索设计适用性不强、电子雷管掏槽孔延期设计无法满足进尺要求等问题，通过合理确定试验方案，开展了爆破设计优化研究。通过调整辅助孔装药系数方式、辅助孔采用32 mm小直径药卷代替45 mm正常药卷等措施，在保障循环进尺提升11.3%的前提下，掘进炸药单耗降低了11.1%，达到了改造前单耗水平。结合各点位围岩情况确定了3种周边孔光面爆破装药结构参数，有效解决了不同岩性条件下周边孔光面爆破残索残药难题。将中心掏槽改为逐孔起爆，实现了非电管雷管向电子雷管平稳过渡。本研究提出的地采爆破设计优化方案，对于首钢矿业公司内部及行业同类矿山均有较好的借鉴意义。