纳米比亚湖山铀矿空气间隔装药试验研究.pdf

Vo l. 29,No . 8 Aug 2020 第29卷第8期 2020年8月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 纳米比亚湖山铀矿空气间隔装药试验研究 苗小虎】，喻 智2,谭期仁3,史秀志2,张世安2,董文明】，KAL IPI Is ma el4 1.中广核铀业发展有限公司，北京100029； 2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083； 3.长沙迪迈数码科技股份有限公司，湖南长沙410083； 4.中广核斯科铀业有限公司斯瓦科普蒙德999122 摘要基于湖山铀矿降低火工品消耗的现场需求，本文分析了空气间隔装药理论及合理空气柱长度计 算方法，总结了现有的空气间隔装置，在利用弹性理论计算合理空气间隔长度后于纳米比亚湖山铀矿爆破 施工现场开展了空气间隔装药爆破试验。运用爆破块度分析、铲装速率及火工品消耗统计等方法，得到了 常规连续柱状装药及空气间隔装药条件下的爆破效果试验效果表明相对于连续柱状装药区域，空气间 隔装药区域火工品消耗降低了 24 ,X50增大约21，但铲装速度仅下降了 3.5，空气间隔装药技术具有 明显的经济价值和技术价值。本文为矿山降低火工品消耗、提升经济效益指明了方向，为同类型矿山爆破 工艺优化提供了参考 关键词爆破；空气间隔装药；火工品消耗；块度 中图分类号TD868 文献标识码A 文章编号10044051202008016504 Experimental study on air-deck charge of Husab uranium mine in Namibia MIAO Xia o hu1 , YU Zhi2 , TAN Qiren3 , SHI Xiuzhi2 , ZHANG Shia n2 , DONG Wenming1 , KALIPI Isma el 1. Ura nium Reso urce Co mpa ny Limited , China Genera l Nuclea r Po wer Co rpo ra tio n , Beijing 100029 , China； 2. Scho o l o f Reso urces a nd Sa fety Engineering, Centra l So uth University, Cha ngsha 410083 , China； 3 Cha ngsha Digita lMineCo .L td.Cha ngsha 410083China； 4. Swa ko p Ura nium Pro prieta ry Limited, Swa ko pmund 999122, Na mibia Abstract Ba sed o n the field dema nd o f reducing explo sive co nsumptio n o f Husa b ura nium mine,the theo ry o f a ir-deck cha rging bla sting a nd rea so na ble a ir co lumn length ca lcula tio n metho d were a na lyzed, a nd the existing a ir-deck devices were summa rized in the present pa per. A co mpa riso n a ir-deck cha rging bla sting tria l wa sca rried o utin Husa b ura nium mine a fter the rea so na ble a ir co lumn length ca lcula tio na nd the fra gmenta tio n size, lo a ding ra te a nd explo sive co nsumptio n were studied to a ccess the bla sting results o f co nvenio na lbla sQa nda ir-deckcha rgingbla sQ.TheresulQssho wQha QQheexplo siveco nsumpQio nsisreduced a ppro xima tely 24 , X50 increa ses a bo ut 21 , but lo a ding ra te just decrea ses a bo ut 3. 5 , which po ints o ut theo bvio useco no mica ndtechno lo gica lva lueo fa iB-deckcha Bgingtechniq ue.Thispa peBca npBo videguida nce o f the explo sive co nsumptio n reductio n a nd bla sting pro cess o ptimiza tio n fo r Husa b ura nium mine, a nd technica lrePerenceso Pthesimila rmines . Keywords bla s ting； a ir-deck cha rging； explo sive co nsumptio n； fra gmenta tio n size 收稿日期收稿日期201907-20 责任编辑责任编辑赵奎涛 基金项目基金项目中南大学创新驱动项目资助编号2018zzts217 第一作者简介第一作者简介苗小虎1985 ，男，硕士，工程师，主要从事采矿工程方面的生产与研究工作，E-ma ilmia o xia o hucgnpc. co m. cn。 通讯作者简介通讯作者简介喻智1992，男，汉族，湖南长沙人，博，博士研究生，主要从事工程爆破方面的研究工作,E-ma ilyuzhi_bla stingcsu. edu. cn。 引用格式引用格式苗小虎，喻智，谭期仁，等纳米比亚湖山铀矿空气间隔装药试验研究J*.中国矿业，2020,298165-168. do i10. 12075/j. issn. 1004-4051 2020 08 012 166中国矿业 第29卷 湖山铀矿（又称罗辛南铀矿）位于纳米比亚埃龙 戈省境内，距离纳米比亚第二大城市鲸湾港约 90 km,距离世界闻名的罗辛白岗岩性铀矿约5 km, 是世界第二大露天铀矿山。矿山主要采用钻爆法进 行矿石生产，单次爆破方量40万〜80万t,火工品 消耗量极大，火工品消耗是矿山主要的生产成本投 入之一。此外，目前国际市场铀价相对低迷,单位铀 产品经济效益较低。为提升矿山总体经济效益，保 证企业利润，矿山试图从优化爆破技术着手，通过引 入能量利用率更高、爆破综合成本更低的空气间隔 装药技术，以期在保证爆破块度和铲装速率的前提 下有效降低矿山火工品投入，确保矿山平稳、健康、 高质量发展。 1空气间隔装药技术 1. 1空气间隔装药理论 空气间隔装药从装药结构的角度可以分为径向 不耦合空气间隔装药和轴向空气不耦合装药;此外， 轴向空气不耦合装药按照空气间隔所处位置又可以 分为顶部空气间隔不耦合装药、中部空气间隔不耦 合装药和底部空气间隔不耦合装药。 对于空气间隔装药和传统连续柱状装药在爆炸 能量传播和利用上的异同，科研人员普遍认为当运 用空气间隔装药时，爆炸冲击波在传播的过程中受 到低密度空气的影响，首先在空气间隔中发生缓冲 效应，大大降低了到达炮孔壁的初始爆炸应力波峰 值强度，相对于传统连续柱状装药可以显著减小甚 至消除炮孔附近的压缩性区域;其次,空气间隔的存 在有效地延缓了爆生气体的泄露，增长了爆生气体 的作用时间，爆生气体的气楔作用得到了充分的发 挥，为裂纹的扩展创造了更为有利的条件；最后，相 统柱 装 在 柱的 生 炮孔全长分布更为均匀，岩石的破碎块度得到了改 善，有效地提升了爆炸能量的利用率。 在空气间隔装药爆破中，起爆方向、空气间隔位 置及空气间隔比例对于爆破效果均存在较大的影响。 1） 起爆方向通常包括正向起爆与反向起爆 正向起爆时，炮孔顶部区域将先于其他炮孔部位产 生裂纹，随后爆生气体沿着裂纹泄露,显著地缩短了 爆生气体对中下部岩体的作用时间，爆炸能量的利 用率较低。相对于正向起爆方式，反向起爆时爆生 气体作用于岩石的静态作用强度高、时间长,有助于 克服由炮孔底部岩石所产生的夹制力，避免根底的 产生m。 2） 的 通 顶 、中 及底部。吴亮等閃通过数值模拟发现，反向起爆方 式下，空气层位于顶部爆破时可以有效地消除根底， 冲击波在堵塞自由面反射可以产生拉伸应力波，进 而减少堵塞段大块的产生。空气层位于中部的爆破 效 最 ， 到矿岩块 布均 的 效 ， 便于铲装运输作业，但中部空气间隔装药施工过程 复杂，操作难度较高。当空气层放置于炮孔底部时, 空气层降低了爆轰冲击压力对底板的冲击损伤，可 以起到保护底板的作用。 3）空气间隔比例可以通过爆轰力学理论进行 估算。根据凝聚炸药的爆轰理论，炮孔内爆生气体 的初始平均压力00,见式（1）3。 p0 （1） 式中p为炸药的密度,kg/m3 ;3为炸药的爆速,m/s。 根据热力学原理，爆生气体在炮孔中将发生等 爛绝热膨胀,在膨胀过程中通常以pk作为临界压力 （通常为200 MPa）,当膨胀到临界压力时，气体膨胀 遵循理想气体方程，见式（2））］。 P C （2） 式中，,为理想气体等爛指数,, 1.3。 膨胀为临界压力P,时，气体体积Pk计算公式 见式（3）。 式中Ph为炸药的爆压;Pc为装药体积。 若Pk （兀为去掉炮泥体积后的炮孔体 ）， 生 充 孔 时 ， 静 力 （4 ） 3 入 4 5 式中Vc pdLc/4为炮孔装药体积，m3 ； 8,为炮 孔装药直径，m；V「为装药长度，m；P”为爆生气体 膨胀时所占体积,m3。 为了保证相邻炮孔之间的裂纹贯通，两孔之间 的孔间距应当小于爆生裂纹的长度。根据目前普遍 认同的爆炸应力波和爆生气体联合作用机理，炸药 起爆后首先在岩石中激起应力波并在炮孔壁上产生 初始裂纹，然后在爆生气体的静压作用下使裂纹进 一步的扩展、发育、贯通，因此形成贯通裂纹的条件 可以近似表达，见式（6）⑷。 E RcRa （6） 式中，尺和％”分别为爆炸应力波和爆生气体静压 作用 产生 的 m 第8期苗小虎，等纳米比亚湖山铀矿空气间隔装药试验研究 167 7和式8页。 Rc “E ⑺ 丄 Ra “ E 2 8 式中 2[ 1“为岩石中应力波衰减指数； 岩石的 作用 取“ “, 力波作用 取“一” Ea 生 充满 炮孔时的准静压力，Pa。爆生 在岩石中产生静 力场；生 孔壁在孔壁岩面 上产生的初始 值应力，见式9* o 1 F 3n ⑼ 式中F为药室长度；n为爆轰产物冲击药室壁时的 压力 倍数,通常取8〜11。 1 . 2 装 实 孔中的空气间隔，工程技术人员发明 了多 器，主要 几种。 1木 器此 器 主要由木 ，制作简单、成本低廉，在许 多矿 到 用7*。此外， 器简单实用的 ，许多企业 器进行了改造和加工，如南非Po wer Decking公司 的Tulip Plug产品图1a 。该空气间隔器的使 用步骤如下首 器放入炮孔，之后在 器 一定量的 质用于充分舒 展 器顶部承接器，随后放入炸药和起 I 包，最后开展 、联线、起爆等工作。 a Tulip Plug b提拉式空气间隔器产品 图1空气间隔器 Fig. 1 Air-deck device 2竹筒式空气间隔器该类型空气间隔器主要 利用竹筒两端有 闭、 的特点， 筒作 的 器。 资源充足 的地域，竹筒式空气间隔器是天然、环保、廉价的选 择。目前竹筒 器在凡口 矿等 地 矿山中应用较为广泛「8「9*。 3充 器产品市面上的空气间隔 器产品按照充 差异通 顶推式、提拉 充 产品。其中，顶推式是指在 间隔器装入炮孔之前打开压 罐，在空气 器充气过程中 器 定位置，待充 后 实 孔 的 ； 提 是 器 定 ， 提 器 到 一 定 高度并 器， 器在重力作 用 并将压 罐开关 ，从而在指定位 充 孔的 ；现充式是 连 有 充 的 器 定 ， 随 后 开充气装置，待气压达到指定数值时拔出充气管道, 从 器 装 工 作 。 2 铀矿铀矿空气气间隔装药现场试验隔装药现场试验 湖 矿于2013年开始矿 作业，于 2015年 入矿 阶段。矿 设初期，受 技术力量、达产压力等因素 ，矿山一 用连续 柱状装 矿石。随着矿 深 、矿石 产量提升，矿山生产压力得到了有效缓解，如何科 学、高效、经济、合理地 矿石资源逐 矿山 面对的主要技术问题。 湖 矿矿 存条件复杂，含铀的白岗岩矿 体与大理岩、页麻岩、石英岩等岩脉相 ，但经 多次地质 作用后，含铀的 岩矿体与周边围 岩 相似，结构面较少，岩体较 ，岩 ’爆 性较好。基于矿山降低火工 的现实需要及空 装药能够提高能 用率的 ，矿山开展 装 试验。相较 起爆，反向 起 提 高 岩 的 静 压 作用 ， 作用 时 ， 的产生，因此 试验过程中选用反向起 。此外，为充分保护台阶底板，从 一台阶钻 孔、爆破提供较好的 ，本次 试验选用 部 装结 湖 矿250 mm炮孔爆破设计中，孔距通常为 6. 5 m,代入式6可得,空气柱长度应当小于1. 3 m 方能保证 孔 的充分连。本次试验矿 山采用的空气间隔器是由南非Po wer Decking公司 的Tulip Plug产品图1a ,考虑到产品型号等限 制性因素，矿山最终选择了长度为1. 1 m的Tulip Plug 产 用 试 。 此 充 证 隔装药的优越性，本次爆破试验只调 矿 有 参数中的装 ，其他 参 保持不 168中国矿业 第29卷 变。常规爆破及爆破试验相关爆破参数见表1。 爆破作业后，工程技术人员使用Split Deskto p 软 统柱状装 及 装药爆堆图 2 块 析,分析结 2。 表1爆破参数 Table 1 Blasting parameters 类型 孔径/ 阶 孔// 堵塞装 超深/ 高度/// mm m mm mm m 常规爆破 250756560184818 试 250756560183718 图2试验区块爆堆 Fig. 2 Blasted muck pile of trial block 表2块度分析结果 Table 2 Fragmentation analysis result 类型 /mm试 /mm X104 6732 95 X2018 5864 19 X3041 9794 26 X4084 30123 48 X50122 58148 65 X60156 14173 46 X70191 23200 85 X80232 02233 59 X90289 76280 53 X100479 92411 68 分析结果表明，相对于常规连续柱状装药，空气 间隔装药减小 中矿岩的最大块度，同时增大 小 岩块的 。考虑到湖 矿现有的铲装 设备为Ca t 7495电力索斗铲及Ca t 6060液压正铲, 容 57 m3和34 m3，小幅度的岩块尺寸变 化 装运输影响不大。随后，矿山记 及 装药试 的铲装速率 觇爆 装速率为2 465 t/h， 装药试 装速率为2 378 t/h,两者差 3. 5。此 火工 统 炸 降 24，爆 试验充 证 装药技术的优越性。 3结论结论 1空气间隔装药与连续柱状装药爆破相比，炸 降 24 湖 矿 幅 的降火工 入。但随着炸 降低，X50增 约21，铲装效率降 约3. 5，对矿山生产现 考察后发现，矿 有的 装设备单斗 铲装量分别为145. 8 t和91. 8 t,矿山现有自卸式卡 车有效载 327 t,矿 经 卡车 率无 车铲装速率的 ，因此 i 的降 装速率并 矿山生产产生较大的影 。目前，湖 矿正逐步推 装药技术 的大面积推广及工业应用。 2 装 在保证铲装速率和爆破 块度的同时,有效地降低火工 ，提高矿山经 济效益，保障矿 生产。 致谢 爆破块度分析由南非Po wer Decking公司团 队 ，感 团队在 装药现场试 1场 工及结 析中提供的支持 助。 参考文献参考文献 1 吴亮，位敏，钟冬望，等空气间隔装药爆破动态应力场特性研 究 J 爆破,2009,264 “721. 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