別礦斜坡面爆破孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)與應(yīng)用*

吳永祥，趙明生，2，王基禹，杜 煉，何 桃，錢至橋

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴陽 550025；2.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴陽 550025)

目前，在露天煤礦開采中，主要以爆破開采為主，但是在露天煤礦中，平盤與平盤之間是通過斜坡面連接，它是供運(yùn)輸車輛、采掘設(shè)備通行，影響采煤作業(yè)進(jìn)度的重要部位，我們通常把這種斜坡面稱為“外坡道”，隨著剝離進(jìn)度的推進(jìn)，需要對(duì)外坡道進(jìn)行爆破剝離，對(duì)爆破孔網(wǎng)的參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)等都有嚴(yán)格要求，外坡道爆破效果的好壞直接影響煤礦的生產(chǎn)、設(shè)備的合理利用，對(duì)提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益、降低生產(chǎn)成本具有極其重要的意義。

孫盛等在露天礦斜坡路采用精細(xì)化爆破方法[1]，改善穿孔深度降低對(duì)路基原巖的損害，提高了斜坡路的穩(wěn)定性。張陽光等為探索孔間延時(shí)對(duì)露天深孔爆破巖體破碎效果的影響規(guī)律[2]，利用ANSYS/LS—DYNA對(duì)排、孔間延時(shí)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：當(dāng)排間延時(shí)為50 ms、孔間延時(shí)為19 ms時(shí)，則不利破碎區(qū)域的最大等效應(yīng)力平均值達(dá)到最大，此時(shí)可獲得良好的爆破效果。楊東兵等針對(duì)金屬礦山的斜坡道采用光面爆破技術(shù)[3]，改進(jìn)了常規(guī)的掘進(jìn)爆破方式，取得了良好的爆破效果。翟清翠認(rèn)為露天礦大塊和根底的產(chǎn)生不僅與地質(zhì)環(huán)境有關(guān)[4]，還與炸藥性能有關(guān)。張光雄、歐陽天云等為解決露天煤礦臺(tái)階爆破大塊和根底過多等問題[5]，采用乳化與銨油并敷裝藥結(jié)構(gòu)形式，結(jié)果表明：全部使用乳化裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)的裂紋擴(kuò)展明顯優(yōu)于并敷裝藥結(jié)構(gòu)，并敷裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)于全銨油裝藥結(jié)構(gòu)。李志鵬等為了改善露天礦巖石爆破效果[6]，采用了深孔之間布設(shè)淺孔的方式有效改善了爆破效果。李辰發(fā)等在對(duì)炸藥單耗進(jìn)行選取時(shí)綜合考慮各種因素影響后加入修正系數(shù)[7]，在提高爆堆松散度的同時(shí)，有效控制了炮腳。趙珂劼、池恩安等人通過對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理來控制爆破后大塊率和根底率等問題[8]，結(jié)果表明：當(dāng)孔深取13.5 m、孔、排距取3.5 m×6.5 m、最小抵抗線取2.5 m，裝藥結(jié)構(gòu)采用中部空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)且間隔比例為15%時(shí)，大塊率和根底率大大降低，獲得了良好的爆破效果。

以別斯庫都克露天煤礦為基礎(chǔ)，在北幫眾多的外坡道中選擇幾個(gè)比較具有代表性的外坡道進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化研究，分別選取+1240～+1228西外坡道、+1240～+1228東外坡道，+1216～+1204西外坡道、+1144～+1132西外坡道進(jìn)行研究，這幾個(gè)外坡道節(jié)理裂隙發(fā)育，產(chǎn)生根底、大塊較多，是該煤礦一直以來比較棘手的難題。再結(jié)合工程試驗(yàn)法對(duì)產(chǎn)生的根底率、大塊率、爆挖率、采裝率及炸藥單耗等指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，綜合評(píng)價(jià)外坡道的爆破效果，找到適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際可以采用的最佳孔網(wǎng)參數(shù)。

1 工程概礦

別斯庫都克露天煤礦(簡(jiǎn)稱“別礦”)，隸屬于哈密市巴里坤縣大紅柳峽鄉(xiāng)管轄區(qū)域內(nèi)，距離縣城大約150 km?？傮w地形較為復(fù)雜，主要分布呈現(xiàn)東高西低。北高南低的態(tài)勢(shì)，地貌形態(tài)主要是以為殘丘狀剝蝕平原為主，區(qū)域內(nèi)沒有明顯的地表水流，隨著開挖深度增加，某些平臺(tái)會(huì)出現(xiàn)地下水現(xiàn)象。

礦坑的最高處標(biāo)高為+1300 m,截至2021年9月，礦坑底部煤層的標(biāo)高為+1120 m,臺(tái)階的高度為12 m，共有臺(tái)階15個(gè)，開采的深度為180 m,外坡道標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為150 m,縱向坡度≤8%，寬度≤16 m,按孔深范圍把外坡道分為3個(gè)區(qū)段，H≥8 m、3～8 m、H<3 m，北幫是主要的剝離區(qū)，北幫的主要巖質(zhì)大多數(shù)是呈淺灰色的細(xì)沙巖石，同時(shí)也摻雜有少量的中砂巖以及泥巖，巖石的裂隙較為發(fā)育，巖石的平均單軸抗壓、抗剪強(qiáng)度分別為45 MPa、6 MPa左右，炮孔孔徑120 mm。

2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及施工技術(shù)

2.1 設(shè)備的選取

在爆破試驗(yàn)過程中所應(yīng)用的設(shè)備如下:沃爾沃挖掘機(jī)2臺(tái)，斗容量分別為4 m3、5 m3,礦卡采用臨工MT86、同力TL885A兩種設(shè)備，臨工MT86主要運(yùn)輸普通散料，額定容量為32 m3/車，同力TL885A主要運(yùn)輸大塊，額定堆裝容量36 m3/車，礦卡車數(shù)記錄儀1臺(tái)，每臺(tái)班以8 h計(jì)算，雙班時(shí)長(zhǎng)為16 h。RTK、GPS定位儀，以及CASS7.0繪圖等設(shè)備。布孔采用梅花形布孔，打孔鉆機(jī)有古河-HCR1200-ED、露天潛孔鉆機(jī)-JK730/440、B6A。這些鉆機(jī)均裝有120 mm鉆桿，爆破孔驗(yàn)收要求；孔深誤差為±20 cm，間距誤差為±20 cm，方位角和傾角為誤差為±1°30′。

2.2 爆破技術(shù)

根據(jù)露天煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，孔徑為120 mm，外坡道原有的設(shè)計(jì)爆破參數(shù)如表1所示，巖石爆破單耗取0.45～0.55 kg/m3之間，采用孔間30 ms、排間50 ms毫秒延期爆破。實(shí)際施工當(dāng)中，可根據(jù)巖石的硬度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況等條件適當(dāng)調(diào)整炮孔的孔距、排距。當(dāng)巖石硬度系數(shù)比較小、風(fēng)化程度高時(shí)，孔排距參數(shù)值可適當(dāng)增大；當(dāng)巖石硬度系數(shù)較大時(shí)，即巖石保存比較完整，未經(jīng)風(fēng)化或微風(fēng)化，孔排距參數(shù)值可適當(dāng)減小。

表 1 原始設(shè)計(jì)參數(shù)

3 爆破試驗(yàn)研究

3.1 進(jìn)行孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

茍倩倩等通過對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比[9]，結(jié)果表明采用水不耦合裝藥爆破能有效降低巖石大塊率及粉塵危害。徐順心等針對(duì)別礦內(nèi)坡道爆破后產(chǎn)生的根底、大塊較多問題[10]，提出調(diào)成孔距、排距以及孔深范圍來降低根底、大塊等問題。本次試驗(yàn)中大塊的判斷依據(jù):把介于兩種不同型號(hào)沃爾沃挖掘機(jī)配斗容量4～5 m3之間的爆破巖塊稱之為“大塊”。李杰等通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析[11],發(fā)現(xiàn)當(dāng)臺(tái)階面與巖層傾向夾角逐漸增大時(shí),發(fā)現(xiàn)爆破產(chǎn)生的大塊率有逐漸減小的趨勢(shì)。汪高龍等針對(duì)復(fù)雜環(huán)境爆破進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[12]，使得石料開采大塊率下降50%，裝運(yùn)效率提高15%。

許多專家和學(xué)者對(duì)深孔臺(tái)階爆破進(jìn)行了大量研究，但是對(duì)外坡道的研究甚少，但這是現(xiàn)場(chǎng)一直存在的一個(gè)比較棘手的問題，所以對(duì)外坡道進(jìn)行研究非常有必要，現(xiàn)在基于前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合別礦已有的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，從以往對(duì)外坡道進(jìn)行爆破的效果來分析，外坡道的爆破效果并不理想，外坡道爆破后產(chǎn)生的根底率高、大塊率多，爆挖率(爆破挖方率簡(jiǎn)稱“爆挖率”)、采裝率低，在本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)中：根底率、大塊率、爆挖率、采裝率及炸藥單耗的計(jì)算如式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)所示，現(xiàn)在針對(duì)以上難題進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)5組試驗(yàn)，分別在+1240～+1228西外坡道、+1240～+1228東外坡道，+1216～+1204西外坡道、+1144～+1132西外坡道進(jìn)行爆破試驗(yàn)。此次對(duì)外坡道進(jìn)行的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要以別礦原有的孔網(wǎng)參數(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)孔深范圍、孔、排距、超深、堵塞長(zhǎng)度、超深對(duì)應(yīng)的高度范圍等這5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)試驗(yàn)分為5組，如表2所示。

表 2 各參數(shù)優(yōu)化后對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方案組

(1)

式中：m為根底實(shí)際累計(jì)鉆孔長(zhǎng)度,m;M為炮區(qū)實(shí)際累計(jì)鉆孔長(zhǎng)度,m；ζ為根底率，%。

(2)

式中：V1為雙班運(yùn)輸大塊方量，m3；V為雙班采裝總方量，m3；Γ為大塊率，%。

(3)

式中：V實(shí)為實(shí)際挖方量，m3；V設(shè)為設(shè)計(jì)爆破挖方量，m3；η為爆破挖方率，簡(jiǎn)稱爆破率，%。

(4)

式中：X為雙班采裝總車次數(shù)，車；Y為雙班總時(shí)長(zhǎng)，此處取16 h；ψ為采裝率，車/h。

(5)

式中：Q為爆破平臺(tái)炸藥單耗消耗量，t；V實(shí)為實(shí)際挖方量，m3；q為炸藥單耗，kg/m3。

3.2 對(duì)優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況，將上述5組優(yōu)化后的參數(shù)分別在預(yù)先選定的外坡道上進(jìn)行試驗(yàn)，每組優(yōu)化后的孔網(wǎng)參數(shù)應(yīng)用于一個(gè)對(duì)應(yīng)的獨(dú)立的爆破區(qū)，每次只改變一個(gè)變量，控制其它變量不變的原則，為了降低爆破質(zhì)量的偶然性，在這里針對(duì)每組優(yōu)化后的孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，5組優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)總共需要進(jìn)行15次試驗(yàn)，每組取3次爆破試驗(yàn)的平均值進(jìn)行爆破效果分析，在試驗(yàn)區(qū)控制打孔的質(zhì)量，排除因鉆機(jī)打孔質(zhì)量影響爆破質(zhì)量。圖1是爆破前的圖片，圖2、圖3、圖4、圖5、圖6分別是對(duì)應(yīng)各試驗(yàn)組1、試驗(yàn)組2、試驗(yàn)組3、試驗(yàn)組4、試驗(yàn)組5爆破以后的局部現(xiàn)場(chǎng)圖片情況。

圖 1 坡道爆破前示意圖

圖 2 試驗(yàn)組1爆破局部示意圖

圖 3 試驗(yàn)組2爆破局部示意圖

圖 4 試驗(yàn)組3爆破局部示意圖

圖 5 試驗(yàn)組4爆破局部示意圖

圖 6 試驗(yàn)組5爆破局部示意圖

從現(xiàn)場(chǎng)圖片的角度分析，以上是各個(gè)試驗(yàn)組爆破后的局部圖片，圖2可以看出，試驗(yàn)方案1在原始設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)孔深范圍進(jìn)行優(yōu)化，爆破效果并不理想，局部出現(xiàn)特大快現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)中把超過現(xiàn)場(chǎng)最大挖機(jī)斗容5 m3量的大塊稱為“特大塊”，特大塊還需要二次破碎，阻礙剝離工作的推進(jìn)。圖3可以看出，試驗(yàn)方案2相對(duì)試驗(yàn)方案1，保持孔深范圍不變，對(duì)孔、排距進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，爆破效果有所改善，但是并不顯著，偶爾有特大塊。圖4可以看出，試驗(yàn)方案3在試驗(yàn)方案2的基礎(chǔ)上依然保持孔深范圍不變，繼續(xù)對(duì)孔、排距進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，爆破效果相對(duì)前兩次有一定的改善，采裝率也有明顯的提升，但是在采裝的過程中，還是有少量大塊和根底出現(xiàn)，需要破錘進(jìn)行破碎作業(yè)。圖5可以看出，試驗(yàn)方案4和試驗(yàn)方案3對(duì)比，在前一組的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，對(duì)超深和超深對(duì)應(yīng)的臺(tái)階高度范圍進(jìn)行優(yōu)化，取得了良好的爆破效果。大大提升了采裝效率，同時(shí)也很大程度上降低了大塊率和根底率，爆挖效果明顯，但是也還有少量不足。繼續(xù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，從圖6可以看出，試驗(yàn)方案5在試驗(yàn)方案4的基礎(chǔ)上，保證炸藥單耗在合理的取值范圍內(nèi)，適當(dāng)增加堵塞的長(zhǎng)度，通過分析巖石性質(zhì)、巖石結(jié)構(gòu)面、塊度要求、炮孔排數(shù)、臺(tái)階高度、炮孔直徑、裝藥結(jié)構(gòu)、鉆孔質(zhì)量等因素變化對(duì)炸藥單耗選取的影響。規(guī)定了別礦的最大炸藥單耗量不宜超過0.55 kg/m3，在此前提下，取得顯著的爆破效果，機(jī)械設(shè)備的配合完美，大大提高了外坡道的爆破質(zhì)量。

3.3 優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)優(yōu)化的孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，將現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化后的孔網(wǎng)參數(shù)在進(jìn)行爆破試驗(yàn)后所得到的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，然后對(duì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

表 3 爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.4 優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果綜合分析

在試驗(yàn)中，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用控制單一變量法進(jìn)行研究，每組試驗(yàn)做3次，取其平均值作為最后的評(píng)價(jià)依據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表 4 不同孔網(wǎng)參數(shù)下的綜合爆破結(jié)果

綜合對(duì)比分析，試驗(yàn)方案5的根底率、大塊率、爆挖率、炸藥單耗、采裝率分別比方案組1增加-55.6%、-57.5%、+12.1%、+20%、+81.8%。且試驗(yàn)方案5的整體爆破效果均優(yōu)于試驗(yàn)方案，由于規(guī)定，別礦在坡道中爆破炸藥最大單耗不宜超過0.55 kg/m3，在露天礦臺(tái)階深孔爆破中，孔距和排距成反比關(guān)系[13]。如果再繼續(xù)對(duì)孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，那么必定會(huì)使得炸藥單耗超過臨界值，在試驗(yàn)方案5中的平均單耗是0.54 kg/m3，已經(jīng)快接近臨界值，所以綜合考慮，方案5的參數(shù)優(yōu)化最佳合理。

4 結(jié)論

深孔臺(tái)階爆破的參數(shù)優(yōu)化主要還是依據(jù)工程實(shí)際情況而定，基于現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械設(shè)備、人員經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有技術(shù)，運(yùn)用工程試驗(yàn)法，為別礦探索出適合深孔臺(tái)階爆破的最佳爆破孔網(wǎng)參數(shù)，在很大程度上提高爆破效果，降低工程運(yùn)行成本。在外坡道采用孔深范圍在11～13 m、9～11 m、7～9 m、5～7 m、<5 m，孔、排距為4 m×5.5 m、3.8 m×5 m、3.5 m×5 m、3 m×4 m、3 m×3 m，超深為1.2 m、1.0 m、0.5 m，堵塞長(zhǎng)度為5.8 m、4.8 m、3.8 m、2.8 m、1.2～2.5時(shí)，根底率為3.83%、大塊率為4.22%、爆挖率為97.76%、炸藥單耗為0.54 kg/m3,而且不大于別礦規(guī)定的臨界值0.55 kg/m3，采裝率為6.0車/h,充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備和人員的合理配合，綜合對(duì)比分析，試驗(yàn)方案5效果最佳，為別礦外坡道臺(tái)階爆破提供了良好的工程試驗(yàn)基礎(chǔ)。