某大型露天礦新水平開拓工程優(yōu)化

王 凱 李旺旺 閆永富

（1.鄂爾多斯市能源局；2.內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)研究院）

露天礦開采過程中，為保持正常的礦石供應，需及時準備出新的工作水平，新水平的準備工作包括掘進出入溝、開段溝以及擴幫工作［1］。新水平開拓工程的特點為爆區(qū)規(guī)模小，鉆機作業(yè)效率低；炮孔重心距離臨空面遠，爆破抵抗線大；設備長期在斜坡道作業(yè)，零部件磨損異常，且設備效率難以發(fā)揮；在爆區(qū)含水量較大時，會降低炮孔的成孔率；常規(guī)新水平開拓需要爆破3次，銜接工序多，耗時長［2］。應當考慮調(diào)整技術(shù)方法和工藝措施，對新水平開拓工藝進行優(yōu)化。

掘溝的寬度以及深度是由礦山所采用的臺階高度、采掘設備以及生產(chǎn)工藝所決定，一般是一個定值，本次優(yōu)化設計以某大型露天礦山為工程背景，臺階高度為14 m、掘溝寬度為50 m，出入溝和開段溝總長220 m，礦山已經(jīng)具備大型牙輪鉆和潛孔鉆。通過調(diào)整新水平開拓工藝順序、優(yōu)化穿爆設計，進而縮短新水平開拓的工期。

1 傳統(tǒng)新水平開拓工程分析

1.1 排水滯后

露天礦山的新水平開拓是一項系統(tǒng)性工程。傳統(tǒng)的新水平開拓掘溝工藝按照時間順序可以概括為穿孔、爆破、采裝和排水4個工序。傳統(tǒng)新水平開拓抽排水屬于“滯后排水”，即在爆區(qū)開挖之后，在底部集中涌水區(qū)域設置一處微型抽水泵坑。在整個爆區(qū)穿孔過程中，地下水位沒有得到有效的降低，孔內(nèi)富水時需要在穿孔過程中增加吹渣風壓才能將孔內(nèi)巖渣排出孔外，高壓力的排渣風會不斷地沖擊孔壁，對孔壁造成破壞，降低孔壁的自穩(wěn)能力。另外排出的水也會對孔口造成一定的損傷，使其形成喇叭口，喇叭口不僅不能很好地保護炮孔，還會影響到穿孔過程中的排渣［3～4］，堆積而不能排出的廢渣不僅降低鉆機作業(yè)效率還會降低炮孔深度，降低成孔率。在采掘過程中同樣由于地下水的不斷補充導致采掘作業(yè)面涌水持續(xù)不斷。有時掘溝底板出水嚴重時會導致采掘中斷，影響采掘進度。

水是影響新水平開拓工程的主要因素，但是對于水的處理卻是在采裝過程中，因此可以考慮將排水工作安排到其他工序之前，盡可能早地對地下水進行抽排，使得整個新水平開拓工程處在一個貧水的環(huán)境中。

1.2 分區(qū)穿爆

傳統(tǒng)的新水平開拓作業(yè)是根據(jù)礦山地質(zhì)情況綜合權(quán)衡后在露天礦坑底選取一處掘溝位置，考慮到露天礦底部涌水較大，為了保證成孔率，一般采用大型牙輪鉆機進行穿孔。通常是將掘溝區(qū)域分為3個爆區(qū)進行組織（圖1），第一區(qū)為掘溝的掏槽區(qū)，只有一個自由面，采用中心掏槽眼方形布孔，普通毫秒延期雷管導爆索起爆方式進行爆破，爆破之后電鏟由設計的坡頂處開始采掘。此時鉆機在爆區(qū)的后方對第二區(qū)爆破進行穿孔，電鏟按照設定的坡度向下采掘到爆區(qū)的邊界時，電鏟退出作業(yè)面，進行第二區(qū)爆破，如此循環(huán)2次之后拉段溝已經(jīng)形成，可以進行下一步擴幫作業(yè)。

爆區(qū)分區(qū)設計有2個主要原因：一是由于爆區(qū)涌水量大，鉆機成孔困難，需要盡可能地縮短成區(qū)時間，減少炮孔被水泡塌的情況；另一個是由于自由面少，炮孔抵抗線大，爆破夾制作用大，所以需要多次分區(qū)域進行爆破。爆破抵抗線不合理是由于大型露天礦山一般新水平開拓所采用的炮孔均為牙輪鉆孔，這是為了提高成孔率和減少爆區(qū)炮孔數(shù)量而采取的方式；但是如果在爆區(qū)處于貧水的情況下，可以采取傾斜的小孔徑炮孔，傾斜炮孔的抵抗線更加合理，且傾斜炮孔更有利于改善爆破漏斗的拋擲效果。起爆網(wǎng)路設計宜采用數(shù)碼芯片雷管［5-6］，不僅延期時間精確，而且可以較便利地設定延期時間。

1.3 穿孔用時

在露天礦的生產(chǎn)爆破過程中，新水平開拓工程一般不考慮炸藥單耗的經(jīng)濟成本，因此本次測算的重點放在作業(yè)效率方面。大型牙輪鉆機在掘溝區(qū)域的穿孔臺班效率為ηy=180 m/d，潛孔鉆在臺階爆破作業(yè)時的穿孔臺班效率ηq=400 m/d，考慮掘溝區(qū)域有水，所以臺效折減80%，按照ηq=320 m/d為準。

整個掘溝區(qū)域采用傳統(tǒng)掘溝工藝所需要的炮孔數(shù)目Nc為215個（圖1），臺階段高H為14 m，炮孔超深h取3 m，則可計算獲得傳統(tǒng)掘溝工作量Lc=Nc（H+h）=3 655 m，傳統(tǒng)穿孔所需要的時間Tc=Lc/ηy=20.3 d，取21 d。

2 新水平開拓工程優(yōu)化方法

2.1 抽排水工藝優(yōu)化

優(yōu)化之后的新水平開拓工程抽排水屬于“超前排水”，即在爆區(qū)穿孔之前，先在爆區(qū)的中線部位利用大型牙輪鉆機穿鑿1排超深較大的垂直抽排水孔（圖2）。該排水孔的目的主要有2個：一是為了探明整個爆區(qū)的地下水分布情況，且利用這些炮孔對該區(qū)域的地下水進行超前抽排；另一個是詳細探明整個掘溝區(qū)域的巖性分布情況，為下一步的爆區(qū)穿爆設計提供參考資料。該方法最大的特點是利用大孔徑炮孔，在富水區(qū)域進行多臺水泵聯(lián)合抽排水作業(yè)，將整個掘溝區(qū)域的地下水位進行降低，待整個區(qū)域的水位持續(xù)一段時間沒有明顯回流升高之后再開始利用潛孔鉆進行穿孔，由于不再受炮孔水的干擾，此時的炮孔成孔率會得到改善。

2.2 穿爆工程優(yōu)化

優(yōu)化之后的新水平開拓穿爆工藝不再將整個掘溝區(qū)域劃分為3個分區(qū)，而是將整個掘溝區(qū)作為1個大爆區(qū)。爆區(qū)中部設計大型牙輪鉆機穿垂直的超前抽排水孔，該排水孔要求提前至少半個月以上時間形成，而后利用4臺小型潛孔鉆機先對涌水較小區(qū)域分區(qū)域進行穿孔，最后集中力量在富水區(qū)域快速作業(yè)，從而減少由于地下水的沖刷造成的塌孔。并且設計潛孔鉆所穿的炮孔為傾斜炮孔，以中部大型牙輪鉆的抽排水孔為對稱軸，傾向爆區(qū)的中軸部位（圖3）。該種設計是利用傾斜炮孔在改善炮孔抵抗線方面的優(yōu)勢，克服垂直炮孔難以克服的較大抵抗線，通過改變炮孔角度實現(xiàn)對有限自由面的充分利用。另外在抽排水孔的空間加密穿鑿潛孔鉆機炮孔，這些炮孔的目的是加大掏槽部位的炸藥裝藥量，為中部掏槽提供更大的炸藥能量。

為了最大限度地改善爆破質(zhì)量，優(yōu)化設計采用逐孔起爆技術(shù)，且為了更好地創(chuàng)造爆破補償空間，優(yōu)先起爆主掏槽孔和抽排水孔，之后依次起爆輔助掏槽孔和正常孔。根據(jù)礦山數(shù)碼芯片雷管使用經(jīng)驗及結(jié)合文獻資料線索［5-6］，孔間時間延期設置為30 ms，排間延期時間間隔設置為80 ms，其中掏槽孔的孔間延期時間設計為10 ms，最后一排邊孔加大排間延期到100 ms。

爆破作業(yè)對與采場生產(chǎn)影響最大的是爆破警戒工作［7］，爆破警戒要求范圍內(nèi)的車輛與人員停止作業(yè)，撤離到安全區(qū)域，直至撤除警戒為止。擴大爆破規(guī)模、減少爆破次數(shù)是解決爆破警戒對生產(chǎn)影響的最好辦法［8～9］。傳統(tǒng)掘溝工藝需要組織3次警戒工作，優(yōu)化后的掘溝工藝只需要組織1次警戒工作，可以減少2次警戒對生產(chǎn)的影響。

2.3 優(yōu)化后的新水平開拓穿孔用時分析

采用優(yōu)化之后的穿爆工程所需要的炮孔數(shù)目Ny為691個，其中正?？卓讛?shù)Ny1=578個，11 m深的孔數(shù)Ny2=90個，另外還有23個超深牙輪鉆孔。由于超深牙輪鉆孔為前期準備階段所穿孔，所以不計入本次耗時內(nèi)。由于設計的潛孔鉆炮孔傾角α為75°，所以優(yōu)化之后的掘溝工作量Ly=Ny1（H+h）/sinα+11Ny2/sinα=11 197.75 m，取11 198 m。穿孔所需要的時間Ty=Ly/ηq=35 d。由于采用4臺潛孔鉆聯(lián)合進行作業(yè)，所以整個掘溝所需要的穿孔為8.75 d，取9 d。

3 指標對比

為了更直觀地展示新水平開拓工程中穿爆工藝優(yōu)化前后的效果，對前文中的設備數(shù)量、穿爆參數(shù)等做歸納總結(jié)，對比結(jié)果見表1。

通過對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)新水平開拓工程的穿爆工期為21 d，而優(yōu)化后的工期僅為9 d，優(yōu)化效果明顯。

4 結(jié)論

（1）用空間換時間是加速狹窄重點區(qū)域施工進度的重要思路，在有限的空間分區(qū)域布置設備，可以大大縮短工程的作業(yè)時間。

（2）掘溝工程采用“超前抽排水”措施，可以有效降低掘溝區(qū)域地下水位，提高穿孔的成孔率，改善爆破效果。并且還可以對整個掘溝區(qū)域的巖性進行一個探查，為下一步的爆破參數(shù)設計提供依據(jù)。

（3）小孔徑炮孔、傾斜炮孔掘溝可以合理分布炸藥能量、降低大塊率和碎巖拋擲，但是采用小孔徑炮孔掘溝的前提是對爆區(qū)進行超前疏排水。

（4）采用出入溝和開段溝合區(qū)爆破，減少爆破警戒、設備避炮所需的時間；使用多臺設備進行穿孔作業(yè)，縮短穿爆工程所需時間。