地下铝土矿破碎岩体高效爆破技术研究.pdf

第 ２８ 卷第 ９ 期 ２０１９ 年 ９ 月 中 国 矿 业 CHINA MINING MAGAZINE Vol ． ２８ ， No ． ９ Sept ． ２０１９ 收稿日期 ２０１８-０７-２５ 责任编辑 赵奎涛 基金项目 国家重点研发计划项目资助（编号 ２０１６YFC０６００７０９） ； 国家国际科技合作专项资助（编号 ２０１５DFA６０３３０） 第一作者简介 黄丹（１９８７ － ） ， 男 ， 工程师 ， 主要从事高效采矿及矿山安全技术等方面的研究工作 ， E-mail bgrimmhd＠ １２６ ． com 。 引用格式 黄丹 ， 陈何 ， 赵瑶瑶 ， 等 ． 地下铝土矿破碎岩体高效爆破技术研究［J］ ． 中国矿业 ， ２０１９ ， ２８（９） １１６-１１９ ， １４７ ． doi １０ ． １２０７５／j ． issn ． １００４-４０５１ ． ２０１９ ． ０９ ． ００７ 地下铝土矿破碎岩体高效爆破技术研究 黄 丹１ ， ２，陈 何１ ， ２，赵瑶瑶３，王 昌３，张英君３ （１ ．北京矿冶科技集团有限公司 ，北京 １００１６０ ； ２ ．国家金属矿绿色开采国际联合研究中心 ，北京 １０２６２８ ； ３ ．山西华兴铝业有限公司 ，山西 吕梁 ０３３０００） 摘 要 山西省地下铝土矿为缓倾斜薄矿体 ， 岩石坚硬但岩体破碎 ， 直接黏土岩顶板受爆破冲击影响较 大 ， 导致掘进效率低 、 爆破进尺短 ， 增加了顶板失稳的安全风险 。 本文通过未确知测度模型评价分析铝土 矿可爆性等级为 Ⅳ 级 ， 为爆破设计及直眼掏槽抛掷方案提供支撑 ， 提出中心双空孔超深滞后抛掷直眼掏槽 和光面爆破技术 ， 通过现场爆破试验 ， 断面 ３ m ２ ． ５ m 、 炮孔深度 ２ ． １ m 时 ， 有效进尺 ＞ １ ． ８５ m ， 单进尺长 度提高约 ０ ． ２５ m ， 炸药单耗由 ０ ． ７３ kg／t 降至 ０ ． ６ kg／t ， 单进尺炮孔数减少 ２ 个 ， 爆破块度均匀 ， 爆破后顶 板平整 。 关键词 铝土矿 ；破碎岩体 ；可爆性 ；直眼掏槽 ；光面爆破 中图分类号 TD８５３ 文献标识码 A 文章编号 １００４-４０５１（２０１９）０９-０１１６-０４ Study on high efficiency blasting technology of fractured rock mass in underground bauxite mine HUANG Dan１ ， ２，CHEN He１ ， ２，ZHAO Yaoyao３，WANG Chang３，ZHANG Yingjun３ （１ ．BGRIMM Technology Group ，Beijing １００１６０ ，China ； ２ ．National Center for International Joint Research on Green Metal Mining ，Beijing １０２６２８ ，China ； ３ ．Shanxi Huaxing Aluminum Industry Co. ，Ltd. ，Lyuliang ０３３０００ ，China） Abstract The underground bauxite in Shanxi province is a thin ore body with gentle slope ． The rock is hard but the mass is broken ． The clay rock direct roof is greatly affected by blasting shock ． The blasting efficiency is low and the advance of drilling footage is short that increases the safety risk of roof instability ． Through the analysis of the unascertained measurement model ， the blast-ability of bauxite rock mass is Ⅳ level ． It provides support for the blasting design and the throwing scheme of vertical hole cutting ． The technologies of vertical hole cut of deeper delayed projectile with central double cavity and smooth blasting are proposed ． Through field blasting test ， ３ m ２ ． ５ m tunnel section with ２ ． １ m depth holes ， mean effective penetration is ＞ １ ． ８５ m ． Single footage length is increased by about ０ ． ２５ m ． Specific charge is reduced from ０ ． ７３ kg／t to ０ ． ６ kg／t ． Two blasting holes are reduced in every single footage ． The rock fragmentation is uni and the roof is flat after blasting ． Keywords bauxite deposit ；fractured rock mass ；blast-ability ；cylinder cut ；smooth blasting 山西省是我国铝土矿资源赋存大省 ， 随着浅地 表资源消耗殆尽 ， 逐步转入地下开采 。 山西省地下 铝土矿为单层薄至中厚缓倾斜矿体 ， 受矿体开采技 术条件限制 ， 普遍应用浅眼掘进式房柱法开采 ［１-２］ 。 铝土矿岩石坚硬但岩体节理裂隙发育 ， 导致直眼掏 槽范围爆轰气体作用时间短 ， 无法将岩石有效松动 万方数据 第 ９ 期黄 丹 ，等 地下铝土矿破碎岩体高效爆破技术研究 抛掷 ， 掘进进尺受到影响 ， 所以在无法有效提高进尺 深度的情况下 ， 常用楔形掏槽减少炮孔数量及降低 炸药单耗 。 地下铝土矿通常采用留设 ０ ． ３ ～ ０ ． ５ m 护顶矿的方式对黏土岩类直接顶板进行保护 ［３］ ， 防 止其软化冒落 ， 但是爆破作业对护顶矿层造成较大 冲击 ， 同时破碎铝土矿体中形成不规整护顶层 ， 增加 了顶板失稳的安全风险 。 本文以山西省某地下铝土 矿区为例 ， 对破碎铝土矿岩体高效直眼掏槽爆破技 术进行了研究 。 1 破碎铝土矿可爆性分级 对于岩石坚硬但较为破碎的铝土矿岩体 ， 通过 研究其可爆性指标 ， 可以判断爆炸作用下岩体发生 破坏的难以程度 。 岩体可爆性是工程地质条件和岩 石物理力学性质的综合体现 ， 是选择合理爆破参数 和评估爆破效果的重要依据 。 在铝土矿岩可爆性分 级评价标准 ［４-６］的基础上（表 １） ， 应用未确知测度理 论建立破碎铝土矿岩体可爆性评价单指标测度函数 （图 １） ［６］ ， 依据该地下铝土矿区岩石力学试验与岩 体质量评价数据（表 ２） ， 求得铝土矿岩体的单指标 评价矩阵 u１。 应用信息熵法确定指标权重 ［７］ ， 可求 得铝土矿可爆性分级评价指标权重为 ［０.１４９ ， ０.１８５ ， ０ ． １８０ ， ０ ． １４４ ， ０ ． １８３ ， ０ ． １５９］。 表 1 岩体可爆性分级评测标准 Table 1 uation criterion of rock-mass blast-ability classification 分级描述抗压强度 Rc／MPa抗拉强度σt／MPa内聚力 c／MPa弹性模量 E／GPa岩石密度ρo／（t／m３）岩体质量指标 BQ Ⅰ最易０ ～ ２５m０ ～ ２ ． ００ ～ ５趑． ００ ～ ２０ ＜ ２弿． ５０＜ ２５０鬃 Ⅱ易２５ ～ ４５倐２n． ０ ～ ３ ． ７５P． ０ ～ ９ ． ２２０ ～ ４３２腚． ５０ ～ ２ ． ６０２５０ ～ ３１０ Ⅲ较易４５ ～ ６５倐３n． ７ ～ ５ ． ３９;． ２ ～ １３ ． ３４３ ～ ６５２腚． ６０ ～ ２ ． ７５３１０ ～ ３７０ Ⅳ中等６５ ～ ８５倐５n． ３ ～ ７ ． ０１３P． ３ ～ １７ ． ５６５ ～ ８８２腚． ７５ ～ ２ ． ９０３７０ ～ ４３０ Ⅴ较难８５ ～ １０５枛７n． ０ ～ ８ ． ７１７P． ５ ～ ２１ ． ７８８ ～ １１０２腚． ９０ ～ ３ ． １６４３０ ～ ４９０ Ⅵ难１０５ ～ １２５ǐ８Y． ７ ～ １０ ． ３２１P． ７ ～ ２５ ． ８１１０ ～ １３３Q３腚． １６ ～ ３ ． ３０４９０ ～ ５５０ Ⅶ最难１２５ ～ １４５ǐ１０n． ３ ～ １２ ． ０２５P． ８ ～ ３０ ． ０１３３ ～ １５５Q３腚． ３０ ～ ３ ． ４５＞ ５５０鬃 资料来源 文献［４］ ～ ［６］ 图 1 铝土矿单指标测度函数 Fig ． 1 Bauxite ore uncertainty measurement function of single index 表 2 可爆性分级评价指标数据 Table 2 uation index data of blast-ability classification 岩性单轴抗压强度 Rc／MPa抗拉强度σt／MPa黏聚力 C／MPa弹性模量 E／GPa岩石密度ρo／（g／cm３）岩体基本质量指标 BQ 铝土矿６１牋． ３４６棗． ３１１１;． ７３２４怂． ５９２�． ８１４１４q u１＝ ０００ ． ６８３００ ． ３１７００００ ００００ ． ９０６００ ． ０９４０００ ０００ ． ８８４３０ ． １１５７０００ ０ ． ６００９０ ． ３９９１０００００ ０００ ． １００００ ． ９００００００ ００００ ． ７６６７０ ． ２３３３００ ７１１ 万方数据 中 国 矿 业第 ２８ 卷 由求得的指标权重向量和单指标评价矩阵 ， 可 求出岩体可爆性分级的多指标综合测度评价向量 μ＝ ［０ ． ０８６５ ， ０ ． ０５７５ ， ０ ． ２７９２ ， ０ ． ５２２３ ， ０ ． ０５４５ ， ０ ， ０］。 开展置信度评价 ， 置信度λ＝ ０ ． ５ ， 由多指标综 合测度评价向量和置信度评价准则 ， 从小到大有 ０.０８６５ ＋ ０ ． ０５７５ ＋ ０ ． ２７９２ ＋ ０ ． ５２２３ ＝ ０ ． ９４５５ ＞λ， 从 大到小有 ０ ． ０５４５ ＋ ０ ． ５２２３ ＝ ０ ． ５７６８ ＞λ， 参照岩石 爆破破碎性分级表 ［６-８］ ， 则铝土矿的可爆性等级为 Ⅳ 级 ， 岩体可爆性中等 。 在浅眼爆破炮孔间距根据经 验公式可合理确定的情况下 ， 岩体可爆性分级对优 化掘进炸药单耗和提出掏槽区加强抛掷方案起到了 支撑作用 。 2 爆破参数优化 2 ． 1 中心双空孔超深滞后抛掷直眼掏槽 为了有效解决坚硬破碎岩体直眼掏槽效果较差的 问题 ， 提出中心双空孔超深滞后抛掷直眼掏槽技术。 采用中心双空孔 ， 增大了掏槽爆破补偿系数 ， 增 强爆轰气体炮孔径向压缩和拉伸波破坏作用 ， 使掏 槽区充分破碎 ； 双空孔超深并孔底装药 ， 采用微差爆 破滞后掏槽孔引爆 ， 由于传爆速度制约在 ２５ ms 段 位时间内 ， 掏槽孔爆破不会阻断中心空孔传爆 ， 因此 起到了掏槽区破碎岩石加强抛掷的作用 。 该技术解 决了破碎铝土矿直眼掏槽岩石破碎不充分 ， 矿岩挤 压无法形成有效自由面的问题 。 2 ． 2 光面爆破 应用光面爆破保护铝土矿护顶层规整 ， 减小对 顶板的冲击 ， 对控顶安全具有显著作用 ［９］ 。 根据光 面爆破原理和岩体动抗压强度等指标 ， 在炮眼直径 为 ４２ mm 时 ，采用 ２５ mm 直径药卷 ，不耦合系数 为 １.７ 。 炮孔间距一般为炮眼直径的 １０ ～ ２０ 倍 ， 整体性 较好的岩石中取大值 ； 铝土矿层局部节理裂隙发育 ， 设计炮孔间距为 ０ ． ６ m ， 为炮眼直径的 １４ ． ３ 倍 。 周边孔密集系数即光面炮孔间距与光爆眼起爆 最小抵抗线之比 。 光面眼起爆最小抵抗线一般为光 面层厚度或周边眼到临近辅助眼间的距离 。 实践表 明 ， 当密集系数为 ０ ． ８ ～ １ ． ０ 时爆破后光面效果较好 ， 炮孔间距 ０ ． ６ m ， 则光面层厚度为 ６００ ～ ７５０ mm 。 炮孔密集系数为 ０ ． ９２ ～ ０ ． ９５ ， 线装药集中度保守设 计为 ３５０ g／m 。 2 ． 3 孔网参数选择 矿山选用硝铵炸药和 YT２８ 气腿式凿岩机凿岩 爆破 ， 炮孔在 ２ m 深度内均可保证设备的高效作 业 。 炮孔周边孔间距通常按照（２０ ～ ３０）倍炮孔直径 选取 。 在该爆破参数选择中 ， 根据可爆性分级 、 岩石 硬度系数与崩落孔最小抵抗线关系和巷道掘进炸药 单耗经验值 ， 确定炸药单耗进而计算一个掘进循环 需要的总装药量计算出总炮孔数目 ， 再按巷道断面 形状及炮孔功能均匀地布置炮孔 。 平巷掘进中 ， 掏槽孔有多种不同的形式 ， 其孔间 距也有所不同 。 周边孔的孔口至轮廓线的距离一般 为 １００ ～ ２５０ mm 。 在坚硬岩石中取小值 ； 周边孔的 孔口间距则为 ５００ ～ ８００ mm ， 底孔的间距取小值 。 辅助孔的间距为 ４００ ～ ６００ mm 。 在保证爆破效果的前提下 ， 尽可能地减少炮孔 数目 。 按巷道断面和岩石坚固性系数估算 ［１０］ ， 计算 见式（１）。 N ＝ ３ ． ３ ３ fS ２ （１） 式中 N 为巷道全断面炮孔总数 ， 个 ；f 为岩石坚固 性系数 ， 根据岩石力学试验取 ６ ． ２ ；S 为巷道掘进断 面积 ， m ２ 。 则炮孔数目约为 ２４ 个（不考虑光面爆破时） ； 由于光面爆破炮孔不耦合系数高 ，单孔药量少 ，且 采用双空孔掏槽 ，矿体节理裂隙较为发育 ，根据实 际情况 ，炮孔取 ２８ 个为宜（现场同样断面一般炮孔 ３２ 个）。 综上 ， 针对矿区 ３ m ２ ． ５ m 作业情况 ， 破碎铝 土矿掘进爆破方案及雷管段位情况见图 ２ 。 表 ３ 为 凿岩爆破参数 。 实际中 ， 分段情况可根据现场不同 段位雷管数量进行调整 。 表 3 凿岩爆破参数表 Table 3 Drilling and blasting parameters 类型 个数／ 个 炮孔 倾角／ （） 药卷 直径／ mm 药卷 个数／ 个 装药 长度／ m 装药量／ kg 堵孔 长度／ m 空孔２潩９０行３２镲１�０痧． ２０ ． ３０.． ２ 掏槽孔４潩９０行３２镲７�１痧． ４４ ． ２０.． ５ 辅助孔９潩９０行３２镲６�１痧． ２８ ． １０.． ６ 底孔４潩８７行３２镲６�１痧． ２３ ． ６０.． ６ 边孔４潩９０行３２镲６�１痧． ２３ ． ６０.． ６ 光面孔５潩８７行２５镲７�１痧． ４３ ． ５０.． ６ 总计２８北----２３． ３- 3 现场采掘爆破试验 在矿区选择岩体代表性作业面进行工业试验 （图 ３ 和图 ４） ， 应用底板铁质黏土岩进行堵孔 ， 按照 上述爆破参数进行多次爆破施工作业 ， 爆破效果良 好 。 光面爆破顶板平整（图 ５） ； 爆破进尺１ ． ８５ m ， 炮 孔利用率 ≥ ９０％ ， 单进尺长度提高 １５％ ； 爆破块度 均匀 ， 现场观察无超过 ５００ mm 大块 ； 炸药单耗由 ０ ． ７３ kg／t 降至 ０ ． ５８ ～ ０ ． ６１ kg／t ； 掘进断面对照用 喷漆圈定的爆破范围无超采欠挖 。 ８１１ 万方数据 第 ９ 期黄 丹 ，等 地下铝土矿破碎岩体高效爆破技术研究 图 2 爆破方案 Fig ． 2 Blasting scheme 图 3 光爆孔现场装药结构图 Fig ． 3 Loaded constitution of the smooth blasting site 图 4 爆破块度 Fig ． 4 Blasting fragmentation 图 5 试验前后爆破顶板对比图 Fig ． 5 Comparison of the roof before and after the blasting test 4 结 论 １） 通过建立以岩石物理特性和岩体质量为指 标的未确知测度岩体的可爆性分级模型 ， 评价矿区 破碎铝土矿可爆性等级为 Ⅳ 级 ， 为爆破优化提供单 耗及爆破参数的设计依据 。 ２） 通过中心双空孔底药超深滞后引爆加强抛 掷技术解决了破碎铝土矿直眼掏槽困难的问题 ， 在 铝土矿矿体薄 、 采幅小的情况下 ， 爆破效果明显优于 楔形掏槽 ， 同时采用光面爆破保护顶板完整 ， 减小了 打孔作业强度 ， 为凿岩台车作业创造条件。 断面３ m ２ ． ５ m ， 炮孔深度 ２ ． １ m 时 ， 有效进尺 ＞ １ ． ８５ m ， 炮 孔利用率达 ９０％ ， 单进尺长度提高约 ０ ． ２５ m ， 炸药 单耗由 ０ ． ７３ kg／t 降至 ０ ． ６ kg／t ， 单进尺炮孔数减 少 ２ 个 ， 爆破块度均匀 。 除极破碎铝土矿岩体无法 有效凿岩成孔的岩体中应用楔形掏槽外 ， 均可推广 应用中心双空孔直眼掏槽高效爆破技术 。 参考文献 ［ １ ］ 任卫东 ． 采场内矿柱回收新技术在铝土矿中的应用［J］ ． 金属 矿山 ， ２０１３（７） ８-１１ ． REN Weidong ．Application of the new technology of stope pillar recovery ［J］ ． Metal Mine ， ２０１３（７） ８-１１ ． ［ ２ ］ 吴连方 ． 段村-雷沟铝土矿开采方案探讨［J］ ． 采矿技术 ， ２０１０ ， １０（６） ６-７ ． （下转第 １４７ 页） ９１１ 万方数据 第 ９ 期李梁宁 ，等 基于测井资料的含水层富水性预测模型 以鄂尔多斯地区营盘壕井田为例 ［３ ］ 肖乐乐 ， 魏久传 ， 牛超 ， 等 ． 掘进巷道构造富水性电法探测综合 应用研究［J］ ． 煤矿开采 ， ２０１５ ， ２０（３） ２１-２４ ． XIAO Lele ，WEI Jiuchuan ，NIU Chao ，et al ． Comprehensive application of water-rich electric detection of tunneling road- way structures［J］ ． Coal Mining ， ２０１５ ， ２０（０３） ２１-２４ ． ［４ ］ 石守桥 ， 魏久传 ， 尹会永 ， 等 ． 济三煤矿煤层顶板砂岩含水层富 水性预测［J］ ． 煤田地质与勘探 ， ２０１７ ， ４５（５） 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