撫順東露天礦降低油頁巖富礦尾礦率方法

李念源，姜漢磊，黃金龍，閆 崠，霍明亮

（撫順礦業(yè)集團 東露天礦,遼寧 撫順 113003）

撫順礦業(yè)集團東露天礦是一座剝采總量超過2 000萬m3，油頁巖富礦產(chǎn)量1 100萬t，煤炭產(chǎn)量90萬t的國家特大型露天礦山。東露天礦生產(chǎn)出的油頁巖富礦作為煉制頁巖油的原料供應撫礦集團公司的2個油廠。受工藝條件制約，2個頁巖煉油廠煉油所需富礦粒度直徑不得小于15 mm，小于15 mm的油頁巖經(jīng)過波動篩篩分后作為尾礦被排棄掉[1]。因此，油頁巖富礦尾礦率的大小已成為影響頁巖油煉制經(jīng)濟收益的重要指標。東露天礦達產(chǎn)以來，年生產(chǎn)油母頁巖富礦1 100萬t左右。經(jīng)測算，尾礦率保持在12.6%～15.6%。進入2018年以后，從油廠監(jiān)控系統(tǒng)反饋回的信息分析，供應的油頁巖富礦尾礦率有逐步提升的趨勢。作為原料供應單位，努力提高供應富礦品質(zhì)，從富礦生產(chǎn)源頭入手，找出尾礦率提升的原因，并制定切實可行的應對方案來降低尾礦率，提高富礦資源利用率，是東露天礦生產(chǎn)技術人員急切需要研究解決的問題。

1 油母頁巖富礦尾礦率增大的原因

1.1 采掘帶寬度與移路工序作業(yè)規(guī)格不匹配

東露天礦采掘帶寬度按照穿爆作業(yè)規(guī)格確定，富礦臺階常規(guī)布置2行鉆孔進行爆破作業(yè)。采掘帶寬度由式（1）計算為9.136 m（富礦臺階爆破采用三角形布孔。標準臺階爆破參數(shù)為臺階高度8 m，超深0.5 m，孔深8.5 m，前行炮孔中線至臺階坡頂線之間的安全距離3 m，孔距6 m，行距4 m，臺階坡面角75°，爆破后沖按式（2）計算得2.136 m）。

式中：A為采掘帶寬度，m；C為前行炮孔中線至臺階坡頂線之間的安全距離，m；a為行距，m；Whc為后排孔爆破后沖距離，m。

式中：Whc為后排孔爆破后沖距離，m；H為臺階高度，m；α 為臺階坡面角，（°）。

東露天礦鐵道線路移設采用蒸汽吊車作業(yè)，吊車吊臂最大跨距為11.5 m[2]，決定吊車每次移路作業(yè)最大移設寬度可達11.5 m。電鏟采掘作業(yè)時按照采掘帶寬度進行采掘，采掘后鐵道線路也要按照采掘帶寬度平行跟進。在采用2行孔爆破作業(yè)時，采掘帶寬度9.136 m，因此采掘后線路移設也為9.136 m，按此規(guī)格移設鐵道線路作業(yè)，吊車移設跨距有2.364 m得不到利用（單次移設距離小，累加后會增加移路作業(yè)次數(shù)）。因此，有的計劃員在安排生產(chǎn)時會安排采掘帶按照3行鉆孔爆破作業(yè)，按照式（1）計算，3行鉆孔爆破作業(yè)時，采掘帶寬度為13.136 m；吊車按11.5 m進行移設線路，電鏟采掘后將有1.613 6 m爆堆被留下，這會導致下一幅臺階爆破作業(yè)時被動成為壓渣爆破[3]。當鉆機接續(xù)緊張時，有的計劃員為了預留爆破量，安排采掘帶按照4行孔進行爆破作業(yè)，此時采掘帶寬度為17.136 m，按照11.5 m移設鐵道線路，有5.636 m爆堆被留下，對下一次爆破作業(yè)來說相當于壓渣寬度進一步加大。臺階剩余爆堆的弊端如圖1。

圖1 臺階留爆堆

剩余爆堆在下一次臺階爆破時會再次受到炸藥能量沖擊，爆堆會進一步變得松碎，被重復爆破的富礦爆堆尾礦率急劇提高；由于剩余爆堆的存在，使下一幅采掘帶爆破時成為壓渣爆破，臨空自由面由于爆堆壓制與前排炮孔距離增大，前排炮孔底盤抵抗線距離相應增大。此時為了不留根底，只能加大前排炮孔裝藥量來克服底盤抵抗力。由于采用底部連續(xù)裝藥方式作業(yè)，爆破藥量增加，爆破后炮孔底部特別是鉆孔超深區(qū)域爆破應力圈內(nèi) 巖體會變得過度松碎，爆破壓碎圈內(nèi)富礦過度破碎也是富礦尾礦率增大的原因之一。

1.2 穿孔爆破作業(yè)影響

1）底部連續(xù)裝藥方式對礦巖過度粉碎影響。東露天礦現(xiàn)場爆破作業(yè)裝藥采用底部連續(xù)裝藥的作業(yè)方式[4]，裝藥后藥包集中在炮孔底部，從爆破后現(xiàn)場采掘效果看，臺階下部礦巖較為松碎，臺階上部有時會出現(xiàn)大塊，結(jié)合2014年遼寧工程技術大學在東露天礦爆破試驗結(jié)果分析，東露天礦油母頁巖屬于較軟弱性巖石，炮孔周圍的巖體存有裂隙，爆破后造成徑向壓碎圈范圍較大，特別是采用底部連續(xù)裝藥時，炸藥藥包集中在炮孔底部，爆破后會增大壓碎圈的范圍，這也是爆破后富礦尾礦率增加的一個原因。爆破破碎圈如圖2。

圖2 爆破破碎圈

2）鉆孔超深過大影響。受水文地質(zhì)條件影響，東露天礦臺階含水量較大，鉆機司機為防止水孔坍塌，造成孔深不足，有時會在設計鉆孔深度基礎上增加一些鉆孔深度，（東露天礦質(zhì)量監(jiān)察科會對孔深不足的鉆孔進行處罰，因此鉆機司機鉆孔時往往會在設計孔深基礎上深鉆一些，避免塌孔造成孔深不足受到處罰）。爆破前驗孔時，爆破人員驗出超深過大鉆孔時，由于不愿增加勞動量，有時不對鉆孔按照設計標準進行回填，而直接在大超深鉆孔內(nèi)直接裝藥起爆。此種條件下，鉆孔超深過大與爆破底部連續(xù)裝藥相結(jié)合，爆破后超深區(qū)域會過度破碎[5]，造成電鏟采裝后下部平盤留下大量粉碎頁巖，此部分粉碎頁巖幾乎全部為尾礦。

2 降低富礦尾礦率的措施

2.1 規(guī)范各工序作業(yè)標準

1）規(guī)范作業(yè)流程，在編制生產(chǎn)作業(yè)計劃時建立以采掘作業(yè)規(guī)格為主導的生產(chǎn)計劃原則[6]，電鐵線路移設距離嚴格按照采掘規(guī)格制定，捋順穿爆參數(shù)與移路寬度的匹配關系，確保采掘后的臺階不留剩余爆堆。不涉及工程作業(yè)時，標準臺階常規(guī)采掘時一律按照2行鉆孔布置進行穿孔、爆破作業(yè)，保證電鏟采掘后無剩余爆堆殘留。

2）臺階爆破后，計劃員按照爆堆參數(shù)擺出采掘界線，電鏟司機按照界限作業(yè)，保證采過臺階幫齊底平，不留爆堆。

3）采剝段計劃員要嚴格按照穿孔、爆破、移路工序順序安排采區(qū)接續(xù)作業(yè)，杜絕先移路后爆破這種逆序作業(yè)方式出現(xiàn)（先移路后爆破有時會造成電鏟采寬不足，無法作業(yè)，此時只能在臺階里側(cè)補打1行鉆孔爆破作業(yè)，來擴寬采掘帶寬度。而多打1行鉆孔又會造成電鏟剩余爆堆采掘不凈現(xiàn)象發(fā)生）。

4）穿孔作業(yè)嚴格執(zhí)行質(zhì)量標準化標準，質(zhì)量監(jiān)察科要對鉆孔進行跟蹤檢查，確?？咨钇顕栏窨刂圃谡?.5 m之內(nèi)。爆破單位爆破作業(yè)前嚴格執(zhí)行驗孔作業(yè)，對水大造成的塌孔和孔深不足孔要及時進行補孔作業(yè)，對超深過大孔要及時回填，保證孔深滿足穿孔設計規(guī)定再進行裝藥作業(yè)。

2.2 優(yōu)化布孔方案

撫順東露天礦自建礦以來，采用的爆破參數(shù)是沿用撫順西露天礦的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，即標準臺階爆破作業(yè)參數(shù)為孔距6 m，行距4 m，邊眼距3 m，超深1 m。但是隨著開采規(guī)模的不斷擴大，采掘系統(tǒng)的不斷開拓延伸，東露天礦與西露天礦的巖石巖性質(zhì)不同之處逐步顯現(xiàn)。差異體現(xiàn)在2個方面：一是地質(zhì)賦存條件不同，西露天礦富礦埋藏深，受自然條件影響的小，比較堅硬，東露天礦開采的富礦埋藏淺，風化嚴重，而且常年遭受水浸及自燃的侵害，相對粉碎；二是東露天礦礦坑因為下部井工礦的開采形成沉陷影響，富礦層變得相對破碎不完整，而西露天礦的富礦層則基本未受井工開采影響，富礦層完整性較好。綜合2方面因素得出結(jié)論，東露天礦富礦硬度要低于西露天礦富礦。因此，沿用西露天礦爆破參數(shù)，對東露天礦爆破作業(yè)效果影響較大，是東露天礦尾礦增大原因之一。2018年以來，東露天礦在現(xiàn)場進行了多次試驗，根據(jù)爆破效果跟蹤比對，總結(jié)出適合油母頁巖富礦巖性的爆破參數(shù)，即孔距6.5 m，行距4.5 m，邊眼距3 m，超深0.5 m。從新參數(shù)可以看出，隨著孔、行距的增大，單個鉆孔所負責爆破面積隨之增大，爆破平均單耗可從148 g/m3降低至130 g/m3，通過減少炸藥的使用量，實現(xiàn)降低富礦過度松碎度的目標。

2.3 改變炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

1）采用炮孔底部空氣柱作業(yè)方式。炮孔底部空氣柱效應作用機理[7]：①卸載作用、減低初始爆壓：底部空氣柱裝藥猶如在裝藥底部設置了1段泄壓管，在裝藥爆轟后的初始階段，部分壓力迅速向底部空氣柱泄壓，降低了初始爆壓，減輕了爆轟沖擊作用，減小了粉碎或壓縮圈半徑；②儲能作用、增大爆破沖量、減弱爆破震動：裝藥爆炸時，部分能量沖擊孔壁，對周圍介質(zhì)產(chǎn)生依次加壓，形成主壓縮波。而部分能量被儲存在底部空氣柱中，隨著主壓縮波的能量降低，空氣柱開始釋放能量，并擴展和貫通裂縫，空氣柱多次脈動，對介質(zhì)多次加載，增加了對介質(zhì)破壞作用時間，提高爆破效果，減弱爆破震動，③氣壓作用滯后、斷裂破壞加強：底部空氣柱裝藥爆破時，在初始階段相當長時間內(nèi)，高溫高壓的爆轟氣體進入底部空氣柱儲存，待沖擊壓縮能量使介質(zhì)產(chǎn)生許多裂縫而降低到一定程度后，底部空氣柱才開始釋放能量，因此，使爆轟沖擊波和應力波充分創(chuàng)造裂縫，氣體高壓的斷裂作用也得到了加強，爆破震動隨著減弱。

2）采用分段裝藥結(jié)構(gòu)。在底部空氣柱的基礎上將連續(xù)裝藥改為分段裝藥，現(xiàn)場作業(yè)過程中，將炸藥分為2段裝入，中間以草把子阻隔（草把子起到間隔器作用），在兩藥柱間形成空氣柱。采用分段裝藥作用[8]：一是降低作用在孔壁的峰值壓力，減少了炮孔周圍巖石的過度粉碎，提高了有效能量的利用率；二是增加應力波的作用時間：由于沖擊壓力的降低，減少了沖擊波的作用，相應地增大了應力波的能量，從而增加應力波的作用時間，使巖石破碎更加均勻；三是在保證充填高度前提下提升藥包高度，使臺階上部巖體爆破塊度更均勻，降低大塊發(fā)生率。底部空氣柱分段裝藥方式如圖3。

圖3 底部空氣柱分段裝藥結(jié)構(gòu)斷面圖

2.4 爆破實例對比

時間2019年5月17日；地點為456采區(qū)；區(qū)間E6100－E6500；水平－10 m；爆破區(qū)域分為東西2個區(qū)域，2個區(qū)域各爆破100個鉆孔，東區(qū)采用傳統(tǒng)的底部連續(xù)裝藥方式，西區(qū)采用底部空氣柱分段裝藥的作業(yè)方式。底部連續(xù)裝藥作業(yè)方式與底部空氣柱分段裝藥作業(yè)方式參數(shù)對比見表1。爆破后爆堆情況如圖4。

表1 底部連續(xù)裝藥作業(yè)方式與底部空氣柱分段裝藥作業(yè)方式參數(shù)對比

圖4 爆破后爆堆塊度對比圖

底部連續(xù)裝藥作業(yè)方式與底部空氣柱分段裝藥作業(yè)方式參數(shù)對比優(yōu)點：①爆破單耗降低18 g/m3，減少炸藥用量，提高炸藥使用效率，降低爆破成本；②爆破率提高4 m3/m，提高鉆孔利用率，減少穿孔延米用量，節(jié)省穿孔成本，壓縮鉆機作業(yè)時間；③底部空氣柱分段爆破爆堆塊度均勻，無明顯粉礦堆積，降低尾礦發(fā)生量，提升高富礦資源利用率，增加經(jīng)濟效益。

底部連續(xù)裝藥作業(yè)方式與底部空氣柱分段裝藥作業(yè)方式參數(shù)對比缺點：①裝藥充填作業(yè)比底部連續(xù)裝藥作業(yè)方式復雜，現(xiàn)場作業(yè)勞動強增大，增加人工成本；②增加底部空氣柱間隔材料和中間分段間隔器（用草把子替代）材料，增加部分材料成本。

通過對比分析，采用底部空氣柱分段裝藥爆破方式能夠起到降低富礦尾礦率作用。同時還可降低炸藥單耗，提高鉆孔延米利用率，對比增加的人工成本和部分材料成本，推廣應用綜合經(jīng)濟效益巨大。爆破試驗后，采剝段對電鏟采掘進行了寫實記錄，采用底部空氣柱分段裝藥爆破作業(yè)方式作業(yè)的爆堆在采裝過程中塊度滿足電鏟采裝要求，采掘過程中未出現(xiàn)根底、硬幫等不良現(xiàn)象。

3 結(jié)語

進入2018年下半年，隨著降低尾礦各項措施的實施，東露天礦供應油廠的油頁巖富礦粒度更為合理，尾礦發(fā)生率得到有效控制。按照油廠統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，尾礦發(fā)生率基本維持在9%左右，與2018年年初相比較，降幅為3.6%～ 6.6%。按照降幅低點3.6%計算，每年可減少富礦損失39.6萬t。東露天礦供應油廠富礦每噸為46元，則可直接產(chǎn)生1 821.6萬元經(jīng)濟效益，經(jīng)濟效益顯著。同時，尾礦率降低后，可進一步壓縮排土成本，減少排土場土地占用，節(jié)約土地資源，更有利于礦區(qū)環(huán)境的生態(tài)保護，符合當前的礦山環(huán)保建設發(fā)展趨勢，產(chǎn)生積極的社會效益。