基于SURPAC的誘導冒落開采爆破參數優化

周顏軍 任鳳玉 何榮興 劉 洋

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

爆破效果對礦山生產意義重大，其主要與炮孔參數、抵抗線、孔底距、邊孔角、炮孔密集系數等爆破參數的合理性有關。爆破參數的不合理將會導致大塊率高、眉線破壞嚴重、礦石的損失貧化過大、隔墻和懸頂等現象的發生［1］。針對這些問題，許多礦山采取了不同的應對措施來改善爆破效果：廣西那林金礦礦巖破碎、易鑿易爆的特點，采用類比法對鑿巖爆破參數進行優化；金山店鐵礦張福山礦區采用無底柱分段崩落法開采，針對生產中懸頂和大塊率高，礦石實際回收利率低的問題，根據崩落礦巖放出橢球體參數進行了一系列物理模型放礦試驗并結合礦山實際生產情況，進行了中深孔爆破的炮孔參數優化研究［2-4］；文獻［5-6］針對北銘河鐵礦大塊率高，眉線破壞嚴重，爆破隔墻事故時有發生等問題，通過改進裝藥結構和現場工業試驗對現有爆破參數進行優化，取得了良好的爆破效果。因此合理地選擇爆破參數，是保證設計方案回采效果的關鍵。

本研究針對遼寧日興礦業有限公司柏杖子金礦100-9#礦體爆破參數進行優化，并按選取的合理炮孔參數，利用SURPAC軟件中中深孔爆破設計功能，對每條回采進路進行中深孔爆破設計，優化爆破效果和礦石回收指標，指導礦山生產，提高生產效益。

1 100-9#礦體開采現狀

1.1 概述

柏杖子金礦100-9#號礦體屬于蝕變花崗巖型礦體，設計開采礦段分布在103～104勘探線之間，賦存標高+267～+373 m。礦體呈帶狀、局部囊狀分布，連續性較好，延長57～141 m，主礦層厚度7.5～66.8 m。礦體走向北東，傾向南東，傾角60°～73°。礦體比較破碎，穩定性差，礦體內部存在位置難以確定的復雜采空區。此外，礦體上盤的102-11N#和102-11#2個采空區及其周圍較小空區的影響（圖1），致使100-9#礦體處于高應力狀態。綜合各項因素，最終提出多分段協同誘導冒落開采方案（圖2）進行開采。

開采時底部雙塹溝與沿脈進路同步施工，利用雙塹溝拉開空間誘導上部礦體自然冒落，同時下盤沿脈進路自上而下多分段同時快速施工，將礦體與下盤圍巖切開，阻止冒落拱的形成，加快礦石的冒落進程。該方案是通過下盤沿脈進路的切幫回采，不斷切斷冒落拱的拱角，保證了右側礦石的不斷冒落，切幫完成后，將礦體與下盤采準工程分開，起到了為下盤采準工程卸壓的作用。隨著冒落區礦石的不斷冒落，冒落后形成的采空區逐漸接近并大于上盤圍巖的冒落跨度，誘導上盤圍巖的自然冒落，冒落的圍巖形成覆蓋巖層。

1.2 問題分析

100-9#礦體的回采爆破借鑒了傳統中深孔爆破設計方式，根據本礦山相鄰礦區采場爆破參數，通過在回采進路中做幾個剖面進行中深孔爆破的設計，并將其爆破參數應用于整條回采進路中。根據現場調研結果來看，目前的爆破方式主要存在“懸頂”（如圖3（a））、大塊率高（如圖3（b））和礦石的貧化等問題。

底部雙塹溝與下盤沿脈拉底工程同步施工時，回采進行至靠近礦巖交界處炮孔邊孔角很難適應礦體的變化是造成以上問題的主要原因。且炮孔邊孔角和孔底到爆破邊界距離與爆破的邊界條件密切相關［7］，柏杖子金礦100-9#礦體進路正?；夭蓵r的爆破邊界條件如圖4所示。炮排平面內的邊界約束條件可分為3類：回采爆破所形成的邊界（DE）、由回采進路所形成的邊界（BC、CD）、實體壁邊界（AB、EF等），這3類邊界對爆破的約束阻力各不相同。

柏杖子金礦100-9#礦體位于山體的淺部，地應力較小且以垂直應力為主，巷道松動圈的厚度較小，但由于同樣受爆破振動的影響，根據工程類比法推斷，巷道松動圈的厚度可達0.8～1.2 m。因此，由巷道形成的爆破邊界，可認為有0.8～1.2 m厚的表層已經發生了松動［8］。該松動層的存在，使該邊界的爆破阻力大為減小，從而對爆破力度的要求大為降低。具體說，對位于孔口邊界HI，可適當增大炮孔的不裝藥長度，以節省炸藥；對位于孔底部位的巷道邊界（BC、CD），可適當加大孔底距邊界面的長度，以使其沿該方向的爆破阻力與抵抗線方向協調［9-11］。邊界布孔參數如表1所示（其中炮孔總長度122 m，裝藥長度100 m，炮孔利用率為82%）。炮孔布置方案見圖5。

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2 爆破參數的優化

SURPAC軟件中深孔爆破設計是通過在建立的礦體三維模型和實測后建立的進路三維模型中，沿著進路每隔1個炮孔排距做1個剖面，在每個剖面中進行中深孔爆破的設計，能夠很好地解決圖3中2個問題。而且礦體三維模型可以在采準施工中，根據采準工程揭露的礦體邊界，進行修改，確保建立的礦體三維模型最接近實際礦體形狀，使設計的中深孔更好地適應礦體［12］。

2.1 礦體三維模型的建立

根據礦山現有的勘探線資料、已有各中段水平圖和剖面圖切出的平面圖，即可在SURPAC中生成100-9#礦體三維礦體模型，如圖6所示。

2.2 三維礦房的構建

無底柱分段崩落法一般菱形布置進路，扇形中深孔爆破的分間礦體形態近似為菱形。利用SURPAC中建立巷道實體模型的方法，建立菱形分間爆破實體模型（圖7）。

當采場結構參數發生變化時，需要調整扇形中深孔的炮孔參數，以保證進路負擔的菱形分間實體能夠全部崩落回采。當進路靠近礦巖邊界時，在保證礦石能全部被崩落回收的前提下，盡量不崩落圍巖，以免造成礦石的過早貧化，因此布置炮孔時必須掌握好礦體邊界的變化。為了很好地控制礦巖邊界，采用SURPAC中實體模型相交運算功能，按方案選取的進路布置參數和炮孔邊孔角建立每條靠近礦巖交界處的進路所負擔的分間形態（圖8）。

將該方法應用于靠近礦體邊界的進路中，便能快速獲得該進路所負擔的實際爆破分間結構尺寸（圖9）。該方法可以將礦體邊界的變化轉化為實際礦房的邊界變化，控制回采的礦巖邊界，避免由于炮孔設計不到位而導致靠近圍巖的部分礦體不能崩落，造成礦石的損失，同時避免設計的炮孔深入到下盤圍巖，使圍巖混入礦石中，造成礦石的過早貧化［13］。

此外，靠近礦巖交界處的沿脈進路，由于礦巖邊界的影響，相鄰分段中回采進路的水平間距很難按設計選取間距布置，不可避免地出現相鄰分段之間相鄰進路的水平距離偏離所選取的間距，當相鄰進路水平間距大于選取的間距時，分段之間回采礦房不相切，而在分段之間留下懸頂塊體（圖10）。

為了保證分段之間能夠爆透，構建了加高礦房（如圖11），該加高礦房僅處于礦房的一側，與采準后礦體相交運算后，另一側截取的礦體沒有變化，而僅是將上下分段之間需要加長炮孔才能崩落的礦體回采出來。該加高礦房主要針對在礦體下盤布置的單斜式沿脈進路采礦方案，為獲取實際礦房而構建的。

沿巷道中線做進路實體和實際礦房實體的縱剖面，剖面間距為中深孔炮孔排距（圖12）。扇形中深孔的設計可以在每個剖面中進行，這樣就能夠保證炮孔很好地適應礦體形態的變化。炮孔爆破時避免圍巖的混入，以及減少因炮孔設計不到位而造成的靠近圍巖部分的礦石不能崩落引起的礦石損失。SURPAC軟件進行中深孔爆破設計時，需要提前設置好相關參數，以便需要時可以從數據庫中將相應位置已設計好炮孔數據調出，指導生產工作。

2.3 利用SURPAC進行中深孔爆破設計

利用SURPAC中實體相交運算并保留公共部分的功能，將標準礦房與加高礦房相配合使用，與各進路上部礦體進行相交運算，便能得到各進路需要負擔的實際礦房的結構尺寸（圖13）。后續進行炮孔設計時，便可以對每個分段的實際礦房做縱剖面，并且剖面間距為炮孔排距1.6 m，這樣可以為每排炮孔設計提供實際礦房的剖面，保證了炮孔設計到位。

采用這種方式設計的爆破效果（圖14），保證了爆破對礦巖邊界的控制和分段之間采空區能夠聯通。為后續誘導礦體和上盤圍巖的冒落，提供了必要的暴露空間。

3 應用分析

為了驗證優化效果的可行性與合理性，以+330 m分段回采進路為試驗采場，運用SURPAC對其進行中深孔爆破設計，運用深孔爆破設計功能對各分段中炮孔參數進行優化。

首先將+345 m分段實際礦房實體、+330 m分段實際礦房實體、+345 m分段進路實體、+330 m分段進路實體，都拖入到新建的實體圖層中，再打開+330 m分段進路中線文件。以+330 m分段進路中線為中線創建上述實體的縱剖面，剖面間距為炮孔排距1.6 m。這里調入+345 m分段實際礦體，并將其作為已采礦體處理，SURPAC軟件可以默認+330 m分段實際礦房與+345 m分段實際礦房交界處為斷通處，布置在該處的炮孔，軟件會根據設置的斷通距自動縮短炮孔長度，滿足炮孔布置基本準則。

然后開始中深孔爆破設計功能，調入上面生成的文件，根據已確定的爆破參數進行鉆孔。圖15為在26號剖面中設計的扇形中深孔，以及該排炮孔的相關參數。整條塹溝炮孔全部設計完之后數據可以保存到數據庫中，可以根據需要提取數據指導鉆孔施工。

推廣至整個分段試驗之后，+330 m分段8個步距爆破完成后實際爆破效果如圖16所示，從實際的回收指標來看（如表2），100-9#礦體的回采爆破效果得到了很大的改善，大塊率降低，貧化和懸頂等問題得到解決。

4 結論

（1）利用SURPAC軟件建立礦體三維模型和菱形礦房實體，用菱形礦房控制爆破的礦巖邊界，將礦巖邊界轉化為爆破礦房邊界，有效地實現對爆破礦巖邊界的控制。

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（2）對獲取的各進路的菱形礦房實體進行了中深孔爆破設計，用礦房邊界控制炮孔的設計，實現各進路的爆破盡量只崩落礦石，避免圍巖的崩落而引起礦石的過早貧化。

（3）對SURPAC軟件的中深孔爆破設計進行試驗應用分析，結果表明：爆破效果得到了優化，回采指標得到了改善。

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