后排孔裝藥量對臺階爆破根塊率影響的試驗

張 帥 李 彬 李永華 李 濤 高淑娜

(包鋼集團公司白云鄂博鐵)

臺階爆破是露天采礦中重要環節，其成本約占礦山成本15%～20%，如果無法保證爆破質量，大塊率和根底率會較高，有些礦山的大塊率甚至高達30個/萬t。根底和大塊不僅影響正常的生產效率，也極大地增加了二次破碎的費用，同時二次爆破和拉底爆破容易出現飛石，存在很大的安全隱患。因此，如何減少臺階爆破產生的大塊和根底成為眾多采礦工作者研究的關鍵問題。研究表明，影響露天臺階爆破大塊和根底的因素有孔距、排距、裝藥量、起爆方式、現場施工等[1-3]。以白云鄂博鐵礦礦石區域為研究對象，通過控制后排孔裝藥量，分析比較出該巖性區域后排孔最合理的裝藥量，以減少大塊和根底的產生[4]。

1 工程概況

白云鄂博鐵礦位于內蒙古包頭市北面150 km，礦區南部屬于陰山山系，主要由近東西走向的大青山、烏拉山、色爾騰山等構成；北部包括白云鄂博、百靈廟在內為一起伏平緩的草原。在大地構造上處于華北板塊北緣，狼山—白云鄂博裂谷帶，屬多成因的內生鐵礦，礦物成分極為復雜，根據現有的各種分析測試結果，共發現71種元素。除鐵、鈮、稀土和普通元素外，尚有一些稀有分散元素和放射性元素。

白云鄂博由于成礦條件復雜，致使礦體不同部位形成不同元素、礦物組合及礦石類型。塊狀富鐵礦石主要分布在主、東鐵礦體中心部位，其上部過渡為霓石型鐵礦石，下部與條帶狀螢石型鐵礦石相鄰，條帶狀螢石型鈮稀土鐵礦石分布在主礦和東礦靠近下盤部分，在近上盤部分亦有少量出露，這種礦石上部與塊狀鐵礦石相鄰，下部與白云石型鐵礦石接觸，在東礦夾有霓石型礦石。

霓石型(鈉輝石型)鈮稀土鐵礦石分布在主礦和東礦靠上盤地段，在東礦位于鈉閃石型鐵礦石之上，其上與白云石型相接，在主礦分布塊狀鐵礦石與鈉閃石型鐵礦之間,鐵礦石硬度系數平均約14～18，其中霓石型板巖和霓石型鐵礦石不僅硬度較高，而且韌性非常大，爆破難度極大，也是最容易出現大塊的區域。

白云鄂博鐵礦礦體走向近于東西，傾向162°，傾角為50°～74°，局部有較緩或較陡的變化，有縱、橫、剪切3種節理，節理大致為東西向，發育完善延伸遠，熱液交代作用常沿節理產生，局部有后期巖脈侵入。橫節理走向呈南北，其內多有巖脈貫入。北東、北西向剪切節理規模小，且各組節理成礦前后都有發育。

白云鄂博鐵礦降水量不大，但是東、主2個采場局部都有幾條比較發育的裂隙水脈，對鉆機成孔、爆破施工、炸藥利用率等都有一定影響；由于復雜多變的地質情況以及發育的節理裂隙，在露天爆破時會產生很多問題，其中之一就是無法完全杜絕的根底、大塊問題。

白云鄂博鐵礦采用KY-310型牙輪鉆機穿孔，孔網參數按礦巖性質選取7 m×6 m(高磁區域)到9 m×7 m(白云巖區域)不等，中間孔裝藥量(乳化炸藥)在900～1 100 kg。以高磁區域為例，硬度系數在14以上，單耗選0.65～1.0 kg/m3，通過計算得出單孔裝藥量在950～1 050 kg。臺階高度為14 m，超深為2.5 m，填塞高度在5.5～7 m。

2 后排孔對大塊根底的影響

根據利文斯頓理論表明，巖石性質、炸藥性能、藥包質量、埋藏深度等因素是炸藥在巖石中爆破時傳遞給巖石能量和速度大小的依據[5]。當巖石性質、炸藥性能不變時，藥包質量和埋藏深度決定爆破效果的好壞，即爆破塊度是否合適，爆破漏斗大小是否滿足要求。

2.1 預裂塊和頂部大塊的產生

中間孔裝藥量為950～1 050 kg，填塞高度為5.5～7 m，從大塊的分布來看，頂部大塊較少；后排孔按照經驗裝藥在400～600 kg，當后排孔裝藥量過少時，填塞高度過大，一部分爆破能量會向后傳播，當爆破漏斗中的裂隙區外部和彈性震動區包含后面的臺階時，會對后面的臺階形成震動破碎，形成預應力塊(圖1、圖2)，在后面臺階推進爆破時會形成前沖大塊；同時，由于填塞高度過大，爆破粉碎區很難覆蓋到臺階頂部，導致頂部破碎不徹底，形成頂部大塊(如圖3、圖4)。

圖1 對后面臺階的爆破作用

圖2 后面臺階預裂塊

圖3 對頂部的爆破作用

圖4 頂部大塊

2.2 根底的產生

當后排孔藥柱較高時，爆破漏斗較大，相應會形成較小的坡面角α(圖5)，在鉆機進行下一爆區的穿孔作業時，為了保證鉆機作業安全，要離開坡頂線2.5 m，這時最前排炮孔的最大抵抗線較大，進行爆破時無法全部剝離破碎，從而形成根底(圖5)。

圖5 根底形成部位

3 工業試驗

在巖性類似的礦石區域進行爆破漏斗試驗，選取的孔網參數分別為7m×6m和7.5m×5.5m，鉆孔直徑為310 mm，孔深為16.5 m，分別在每個爆區的后排孔中利用JZC-B2型多功能坡度尺測試后排孔不同裝藥量時形成的坡面角(多次測試取均值)、根底情況以及大塊數量和分布位置情況。

7 m×6 m爆破試驗參數見表1。爆破孔網及藥量見圖6。

表1 7 m×6 m爆破試驗參數

圖6 爆破后排孔藥量

根據以往經驗，中間孔藥量平均在1 000±25 kg，后排孔藥量在400～600 kg，試驗結果見表2。

表2 試驗結果

由表2得出藥包質量與后沖距離和坡面角的關系，見圖7。

圖7 藥包質量與后沖和坡面角的關系

在嚴格控制施工質量的前提下，孔網參數改為7.5 m×5.5 m時，與7 m×6 m時的后沖距離和坡面角差別比較小，大塊數量相差不大，但是未見根底。

根據試驗數據分析，當藥量過多時，會在后面的臺階形成預裂塊，在后期的推進中，預裂塊會直接向前推出，沒有破碎的過程而形成前沖大塊，同時，較多的藥量會形成較大的坡面角，當在后面的臺階上穿孔時，由于底盤抵抗線較大，從而形成爆破根底(圖8)；當藥量過少并填塞較多時，頂部巖石無法獲得更多的能量，從而會在頂部出現較多的頂部大塊。

圖8 坡面角過小造成的根底示意

4 減少根塊率的措施

針對頂部大塊的產生原因，首先確定合適的藥包質量，從圖7可以看出，在礦石區域時后排孔的藥量控制在450 kg左右相對合理；其次要保證填塞高度，在距離孔口5.5～6 m處打空氣間隔器，給炸藥充分的反應空間和科學的作用部位，延長了爆壓對巖體的正壓作用時間，可以獲得更多的爆破沖擊能，從而提高爆破能量的利用率，達到改善爆破效果的目的[6]。

針對根底的產生原因，首先確定科學的孔排距，結合試驗數據和實際經驗，確定礦石區域排距為5.5～6 m；其次，必須要保證炮孔的超深(2～2.5 m)；此外，嚴格的控制裝藥量，確定450±25 kg是合理的裝藥量，提高坡面角α，減小底盤抵抗線(圖9)，從而減少根底的出現。

圖9 大坡面角時的爆破情況

在保證科學合理的爆破設計前提下，保證現場的施工質量，確保每個炮孔都填塞到位，同時按照設計準確連接起爆網絡；其次，盡量減少爆區前方的結存量，為爆破創造良好的自由面；再者，不斷創新爆破技術，針對不同巖性，建立一套完整的爆破數據庫。

5 結 語

針對白云鄂博鐵礦礦石區域進行不同孔網參數下的后排孔藥量變化的爆破試驗分析，從大塊和根底產生的原理上入手，得出礦石區域后排孔的最合理裝藥量，同時，改善填塞方式，對減少爆破大塊和根底、提高露天臺階爆破質量具有積極作用。由于地質情況復雜，沒有形成一套完整的適用于各類巖性的后排孔裝藥量數據庫，后續工作仍需不斷完善。