礦巖分離露天爆破毫秒延時間隔研究?

李順波 李澤華 楊 軍 王洪強 余德運

①北方爆破科技有限公司(北京，100089)②北京理工大學(xué)爆炸科技與技術(shù)國家重點實驗室(北京，100081)

引言

隨著大型露天挖運設(shè)備的投入運行，露天采礦規(guī)模和強度的不斷加大，與之相配的生產(chǎn)計劃的爆破礦塊只有達到一定規(guī)模才能使設(shè)備能力充分發(fā)揮作用。而有色金屬等復(fù)雜礦體的儲存形態(tài)嚴(yán)重限制了生產(chǎn)計劃的礦塊劃分尺寸，大爆區(qū)高強度開采與小礦塊復(fù)雜礦巖界限的矛盾，直接導(dǎo)致礦山生產(chǎn)效率降低或造成礦石損失、貧化率增加。露天礦產(chǎn)資源開采始終伴隨著損失貧化，對礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益產(chǎn)生直接影響。礦石損失與貧化反映了礦產(chǎn)資源的有效利用程度，是評價礦床開采水平的主要指標(biāo)之一。

國內(nèi)不少學(xué)者都致力于采礦過程中礦石損失貧化控制技術(shù)的研究。李紀(jì)玉等[1]在焦家金礦針對不同的上盤圍巖條件，選用與其相適應(yīng)的采礦方法，優(yōu)化安全生產(chǎn)環(huán)境，降低采礦損失貧化率。文獻[2-3]在無底柱分段崩落法的研究中提出了低貧損開采模式，即在開采過程中，通過調(diào)整放礦方式，優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，以適應(yīng)崩落礦石的移動規(guī)律，改善放礦條件，放出更多的純礦石，并控制了廢石放出。

余鐵鋼等[4]在甕福磷礦英坪礦段開采中根據(jù)礦山地質(zhì)及爆破條件，通過設(shè)計炮孔穿孔方式、起爆時序和確定合理的延遲時間，提出了礦巖分離爆破方案，可以實現(xiàn)對巖石爆破移動方向的控制，從而使礦巖分離。張樂等[5]通過等時線輔助分析軟件，便捷地設(shè)計炮孔起爆時序，再根據(jù)礦山地質(zhì)及爆破條件確定合理的延遲時間，可以實現(xiàn)對巖石爆破移動方向的控制，并使礦巖分離。國外的學(xué)者[6-7]也對爆破導(dǎo)致的礦石損失與貧化進行了研究。

目前，在露天臺階爆破采礦中，受到地質(zhì)勘查和成礦條件的復(fù)雜性等因素的影響，礦石和巖石的分界線在采礦不同階段經(jīng)常處于調(diào)整變化狀況，當(dāng)露天臺階爆破推進至礦巖交界處時，損失和貧化都會相應(yīng)增加。如能實現(xiàn)礦巖混爆分離，不僅能夠按照設(shè)備生產(chǎn)能力劃分礦塊、計劃開采，還可以有效地控制礦石損失與貧化。因此，研究礦巖爆破分離技術(shù)在復(fù)雜礦體露天開采中具有重要的經(jīng)濟價值。

1 礦巖分離爆破毫秒延時間隔分析

礦巖分離爆破就是在礦巖混合的爆區(qū)利用爆破技術(shù)在爆堆的礦巖分界位置產(chǎn)生明顯的溝槽(也稱拉溝)，以便裝運設(shè)備能夠根據(jù)爆堆礦巖分界分別作業(yè)，防止因礦巖混合產(chǎn)生礦石損失和貧化。

露天礦臺階爆破為了控制后翻，通常在爆區(qū)最后一排有意制造拉溝。也就是通過適當(dāng)增加后排孔延時間隔，改變后排孔的礦巖移動距離，在爆區(qū)后邊界的爆堆上形成一道明顯溝槽。礦巖分離爆破就是將后排孔的這種拉溝原理用于礦巖分界線。

礦巖分離爆破的核心問題，實際上就是考慮礦巖分界線兩側(cè)炮孔的毫秒延時間隔和其相鄰孔的延遲時間設(shè)定的問題。

如圖1中所示，礦巖分界線兩側(cè)有炮孔1#～炮孔4#，要保證礦巖兩側(cè)實現(xiàn)分離爆破，需要孔2#和孔3#在t時刻同時起爆，且孔1#和孔4#早于孔2#和3#起爆，為其創(chuàng)造新的自由面。孔1#和孔2#的毫秒延時間隔與孔4#和孔3#的毫秒延時間隔Δt的設(shè)定是關(guān)鍵，其延時間隔包含了裂紋擴展形成時間和巖體拋擲運動一段距離的時間。

爆炸沖擊波在巖石中的動壓力關(guān)系為[8-9]

圖1 礦巖分離爆破延時間隔設(shè)計示意圖Fig.1 Schematic diagram of delay interval of ore rock separation blasting

式中：n和m為無量綱，是與距離有關(guān)的阻尼參數(shù)；ω為圓頻率

圖2給出了圖1中孔2#和孔3#在同時起爆和具有延時間隔情況下的應(yīng)力波傳播示意圖(兩孔的裝藥量相等)。由式(1)可知，在圖2(a)同時起爆條件下，孔2#和孔3#在分界線處產(chǎn)生的壓力相等，分界線處的巖體和礦體向兩側(cè)移動。在圖2(b)中，孔2#在分界線處產(chǎn)生的壓力要小于孔3#產(chǎn)生的壓力；因此，二者的合力方向朝孔2#方向，分界線處的巖體運動方向朝孔2#方向，造成了二者的混合。

圖2 相鄰孔應(yīng)力波傳播示意圖Fig.2 Schematic diagram of stress wave propagation in adjacent holes

假定應(yīng)力波從爆源出發(fā)，經(jīng)過自由面反射后和裂紋擴展相遇，裂紋擴展方向和自由面形成的夾角為?，從圖3中的幾何關(guān)系可以得到

應(yīng)力波經(jīng)過(g＋h)距離所用的時間和裂紋擴展長度e所用的時間相同，可以得到

假設(shè)裂紋擴展速度和縱波波速cp成正比，K為常數(shù)，有

圖3 應(yīng)力波反射和裂紋擴展的幾何關(guān)系Fig.3 Geometric diagram of stress wave reflection and crack propagation

由式(4)、式(5)可以得到

則

因為裂紋擴展速度和巖石中縱波波速可以表示為

由圖4可得

延遲時間表示為

圖4 兩炮孔所形成的區(qū)域Fig.4 The area formed by two holes

在臺階爆破中，若采用垂直孔，由于臺階傾角的影響，使得臺階底部抵抗線大于臺階頂部抵抗線，因此，應(yīng)根據(jù)二者分別計算出自由面形成所需要的時間，臺階上部抵抗線為4.5 m，巖石縱波波速3 000 m/s，臺階高度7.5 m，則其臺階底部形成自由面所需的時間約為12 ms。形成自由面的最小時間為12 ms，同時需要考慮坡面巖石拋擲初速度達到最大值，結(jié)合文獻[10]中的相關(guān)研究成果，從而將圖1中孔1#和孔2#，孔3#和孔4#的毫秒延時間隔時間設(shè)定為100 ms。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 工程概況

湖山鈾礦位于西南非洲納米比亞，緊鄰大西洋的沙漠之中，是近十年來全球范圍內(nèi)最大的鈾礦。

湖山礦現(xiàn)在開發(fā)區(qū)域分為1號坑、2號坑。每個坑分為2期開采(開采區(qū)、擴幫區(qū))，所以從形態(tài)上看，目前總共有4個坑，即1號坑1期、1號坑2期、2號坑1期、2號坑2期。其中，兩個坑的1期已見礦，承擔(dān)出礦任務(wù)；兩個坑2期主要為擴幫，主要為后期開發(fā)拓展開采空間。

1號坑1期開采至11臺階，1號坑2期擴幫，目前開采的主要臺階有5、6、7、8臺階。2號坑1期目前開采至21臺階，2號坑2期目前開采至11臺階?？傮w來看，兩個坑的1期已全面進入硬巖區(qū)域，承擔(dān)出礦任務(wù)。兩個坑的2期主要以松散巖石、表土為主，局部見到硬巖。

湖山鈾礦礦體分布不連續(xù)，且分散度高，礦體厚度也不均勻(圖5)。目前，礦塊最小開采單元為2 000 t，即體量小于2 000 t的礦塊放棄開采。2 000 t的礦塊，礦體開采臺階高度為7.5 m，礦塊厚度為3.0～7.5 m時，礦塊面積也只有100～260 m2，面積較小。

圖5 典型礦石品位分布(單位：m)Fig.5 Classification distribution map of ores(unit：m)

2.2 2B23D009區(qū)塊試驗

2B23D009區(qū)塊主要巖石類型為花崗巖，抗壓強度156.3 MPa，設(shè)計鉆孔深度9.0 m，超深1.5 m，鉆孔直徑165 mm。共計482個孔，裝藥量246 969 kg，采用高精度導(dǎo)爆管雷管連接，孔內(nèi)500 ms，孔間42 ms，排間65 ms。擬拉溝兩側(cè)的孔同時起爆，與其相鄰孔的毫秒延時設(shè)定為100 ms以上。鉆孔信息見表1。

表1 鉆孔信息Tab.1 Borehole information m

從圖6中可以看出，礦體(圖中藍色部分)呈現(xiàn)一個圓形分布，未連線部分本次沒有爆破孔。在圖7、圖8中可以看出爆破后形成肉眼可以辨識的界限，驗證了相關(guān)設(shè)計原則的可行性。

圖6 2B23D009網(wǎng)路連接圖Fig.6 2B23D009 connection diagram of blasting network

圖7 2B23D009區(qū)塊爆破前Fig.7 2B23D009 block before blasting

圖8 2B23D009區(qū)塊爆破后Fig.8 2B23D009 block after blasting

3 結(jié)論

通過對礦巖分離毫秒延時間隔的分析和現(xiàn)場試驗，得到在礦巖分界線可形成明顯拉溝現(xiàn)象的毫秒延時設(shè)計原則為：礦巖分界線兩側(cè)的孔需同時起爆，與其相鄰孔的毫秒延時間隔時間設(shè)定為100 ms。