第02章-矿岩松碎工作

露天采矿学第2章矿岩松碎工作2023/2/21第2章矿岩松碎工作第1节矿岩松碎的地位及意义第2节穿孔作业第3节矿岩松碎的方法第4节爆破工作2023/2/222.1矿岩松碎的地位及意义

露天矿采场内的矿岩，一般很难直接用采掘设备将它们从整体中分离出来，必须经过预先破碎。破碎矿岩的手段，主要是借助于穿孔爆破工作。部分经过破碎的矿岩，因破碎块度不符合要求，还需要进行二次破碎工作，以保证后序工艺的顺利进行。此外，穿孔爆破方法、参数选择、爆堆形状和尺寸等，亦对采装、运输（尤其铁路运输）工作等产生很大影响。因此，钻孔爆破工作通常是影响露天矿生产的一个重要工艺环节。2023/2/23自然界中所赋存的岩石的性质差别很大，但采掘设备的切割力有一定限制，故仅表土、煤、松软岩石有可能用采掘设备直接铲挖，而其余的大部份岩石则必须预先松碎，然后才能用挖掘设备采掘。标志岩石强度的指标很多。其中岩石的单向抗压强度对岩石的坚固性有决定性影响且易于测定，故现时多采用10MPa的抗压强度作为岩石坚固性的单位，称为岩石的坚固性系数，也叫普氏系数，以f表示：2023/2/24在露天矿生产过程中，穿孔爆破费用约占生产总费用的20~30％，对矿石的开采成本影响较大。因此，不断改善穿孔爆破技术，加强穿孔爆破组织管理，提高穿孔爆破效率，为后序工艺创造良好的工作条件，对强化露天开采，降低矿石成本，提高露天开采的经济效益等，都具有重要的意义。

2023/2/25炸药爆炸爆破现象是我们所熟悉的，如节日的焰火，战场上的炮弹落地，土方工程中的爆炸等。炸药在外界能量的促发下，在瞬间发生急剧的化学反应，因反应前后物质的分子组成发生改变而生成大量气体，放出大量热量，借助生成的高温，高压气体和爆炸应力波对周围介质作机械功，同时伴有声和光的效应。一般炸药的放热量可达600～1300kCal/kg，反应速度为2.5~8.0km/s，生成气体为0.6~1m3/kg。2023/2/26炸药及起爆器材在露天矿，常用的炸药有：硝铵炸药、铵油炸药和浆状抗水炸药等。起爆器材有导火线、导爆索、塑料导爆管及各种雷管(火雷管、即发电雷管、迟发电雷管)。爆破参数的确定露天开采中使用的爆破方法有：浅眼爆破法、深孔爆破法和硐室爆破法(又称大爆破)等。其中，深孔爆破法在大中型露天中有最广泛的应用。☻☻☻☻☻☻☻☻☻2023/2/27硝铵炸药主要成分:硝酸铵82~88%，TNT(三硝基甲苯)3~10%；木粉8%~9%。当需增加炸药的抗水性能时，可加入少量沥青和石蜡。铵油炸药：主要成分硝酸铵和油类(轻柴油、重油、机油等)，不含敏感剂。为了提高敏感度、减少结块，可加入适量的木粉。浆状抗水炸药：主要成分:硝酸铵、TNT和水。由于制成的炸药有像浆糊一样的流动性，因而称为浆状炸药。

抗水性强、密度高、使用安全。2023/2/28火雷管由管壳、起爆药及加强帽三个都分组成。雷管的长度为35~52mm，直径6~7mm。正起爆药多用雷汞和迭氮铅，副起爆药采用敏感度略低但爆力较高的炸药，使既有较高的起爆能力又较安全。2023/2/29即发雷管与火雷管的区别主要是在管壳开口的一段设有高电阻电桥丝组成的电气点火装置。2023/2/210迟发电雷管与即发电雷管的区别是在起火剂与正起爆药间有缓燃剂，在其燃烧终了时，引爆正副起爆药。缓燃剂一般为铅丹、硅铁和硫化锑的混合物。延续时间可通过调节缓燃剂的数量和硅铁颗粒大小来控制。2023/2/2112.2穿孔作业一、穿孔方法与穿孔设备穿孔方法：热力破碎穿孔和机械破碎穿孔两种方法。穿孔设备：火钻、钢绳式冲击钻、潜孔钻、牙轮钻、凿岩台车。目前主要应用设备：牙轮钻、潜孔钻、凿岩台车。2023/2/212钢绳冲击式钻机1-钻具；2-钢绳；3-天轮；4-压轮；5-后绳轮；6-卷简；7-主动齿轮；8-冲击轮；9-连杆；10-桅架项目单位CZ-1CZ-20-2孔径钻具重量冲击次数电动机功率重量工作平面尺寸工作高度行走速度最大走行坡度mmkg次/minkWtmmkm/h°230～3001500～270048～525523.57.065×3.515.050.730190～230900～120056～582212.15.85×2.62120.930国产钢绳冲击式钻机主要技术性能

使用条件：f<6钢绳冲击式钻机(磕头钻)是靠钻具自由下落冲击孔底而凿碎岩石，所以只能穿凿垂直钻孔。

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潜孔钻机是将冲击器潜入钻孔内，用钻杆将压缩空气送入冲击器冲击钻头，孔底凿碎的岩粉由压气排出孔外。潜孔钻机1-行走部分；2-液压千斤顶；3-钻具(冲击器)；4-桅架；5-回转机构；6-钻杆；7-司机室；8-机房；9-行走部分电力驱动机构项目单位KQ-150AKQ-200孔径钻孔倾角适应岩种(f)

爬坡能力电动机功率工作平面尺寸工作高度钻机重量mm°°kWtmmt15060、75、90中硬以下204l5.83×3.4511.7512200～22060～906～18143119.76×5.7414.3341.6国产潜孔钻机主要技术性能

穿孔效率高(冲击式钻机的2～3倍)；爆破后矿岩的块度较小。

2023/2/214二、牙轮钻机目前，80%的露天金属矿山使用牙轮钻机穿孔。牙轮钻机的优点：穿孔作业效率高、作业成本低、机械化程度高、适用于各种硬度的矿岩中穿孔。（一）牙轮钻机的工作原理牙轮钻机如图所示，它是通过钻机的回转和推压机构使钻杆带动钻头连续转动，同时对钻头施加轴向压力，以回转动压和强大的静压使与钻头接触的岩石粉碎破坏。同时通过钻杆与钻头中的风孔向孔底注入压缩空气，利用压缩空气将空地岩粉吹出孔外，从而形成炮孔。2023/2/215（二）牙轮钻机的钻具牙轮钻机的钻具包括：钻杆、稳杆器、减震器和牙轮钻头。

钻杆长度一般为9.2或9.9m。稳杆器可减小钻杆摆动，防止钻孔偏斜。钻头是直接破碎岩石的工作部件。（三）牙轮钻机的工作参数牙轮钻机的主要工作参数：钻压、钻具转速、排渣风量与风压。合理使用这些参数可以提高凿岩效率延长钻头寿命。2023/2/216牙轮钻机牙轮钻机是一种回转钻机。它借助推压提升机构向钻头施加很大的轴压力，使钻头上的轮齿压入岩石中，并在钻具回转扭矩及牙轮滚动作用下，使轮齿切削岩石而破碎，岩石碎屑也用压气排出。几种牙轮钻机的主要技术性能项目KY-250C45-R60-R(Ⅲ)钻孔直径，mm钻孔角度，°最大轴压，t钻具提升速度，m/min钻具回转速度，r/min钻杆直径，mm电机功率，kw钻机工作时的尺寸，m钻机重量，t225～25090429.862159、203383.311.9×4.8×17.984170～27060～9032270～100140～21927011×5.6×17.565230～38060～9050270～145184～34335013×5.8×27.993

牙轮钻机的穿孔效率高，在相同的穿孔条件下，牙轮钻机的穿孔效率较钢绳冲击式钻机高4～5倍，较潜孔钻机高1～2倍。从穿孔成本看，牙轮钻机的成本也是最低的，大约为钢绳冲击式钻机的75％，为潜孔钻机的70％。在牙轮钻机的穿孔成本中，钻头费用达40～50％，故改善钻头质量具有重要意义。2023/2/2171、钻压：根据实践经验总结出不同矿岩硬度系数选取不同的钻压，如表18-2。(10~40t)f直径190mm直径250mm直径310mm81012.315.91012.215.519.91214.619.023.81417.621.627.81619.524.931.8182228.035.72024.331.239.7tooth钻压超过岩石的抗压强度，岩石被压碎，此时，钻孔速度快，钻头寿命长。2023/2/2182、钻速与钻具的转速：在不同的轴压下钻头钻进速度V与钻具转速n的关系。由图可见，转速达到一定值后，钻进速度不增反而减小。原因：转速快，齿轮与孔底岩石的作用时间短（小于0.03秒）未能充分发挥齿对岩石的破坏作用，且加速了钻杆的震动和钻头磨损。根据经验，得出表18-3的最佳转速。钻机类型轻型钻机中型钻机重型钻机岩石硬度系数F<8F=10~14F=15~20转速r/min80~12060~10050~802023/2/2193、排渣风速与风量：经验表明：排渣风量不足时，岩渣在孔底被反复破碎，将显著地降低钻进速度和钻头寿命；另一方面，排渣风量过大，从孔底吹出的岩渣对钻头和钻杆的磨损作用也将显著增大。2023/2/220

排渣风量Q:D—钻孔直径；md—钻杆直径；mVH—回风速度；m/minQ—排渣风量，m3/min。为了便于排渣，(D-d)应大于20mm。目前，国内外度趋向于加大排渣风量，借以提高钻头的使用寿命和钻孔速度。当炮孔直径为310mm时，钻杆直径为270mm,要求的排渣风速为20m/s，排渣风量为4m3/s。2023/2/2212.3矿岩松碎的方法机械法松土犁：软层、冻岩中使用，设备简单、易于管理，工艺过程简单、一次松碎量少。对f<4~5的矿岩，根据国内外经验，采用松土机预松可能比穿爆预松更为有利。水力法适用于软岩，采用高压水。爆破法2023/2/2222.4爆破松碎矿岩2.4.1穿孔工作（一）穿孔设备①潜孔钻机优点：能量损失小，穿孔速度受孔深影响小噪音小用废气排渣，节省动力钻杆寿命长轴压小，钻机轻，钻孔不易倾斜2023/2/2232.4爆破松碎矿岩潜孔钻机缺点：气缸受孔径限制Φ>200mm时，速度低于牙轮钻机，动力消耗高30～40％，成本高台班生产能力计算：v——钻进速度；

——时间利用系数；2023/2/2242.4爆破松碎矿岩影响钻进速度因素：冲击功和冲击频率风压、排渣风量和风速轴压、转速和扭矩影响钻机工作时间利用系数因素：接杆、移位、修理（不可避免）等备件、风、水、电、卡钻处理（可避免）2023/2/2252.4爆破松碎矿岩②牙轮钻机优点（与潜孔钻机相比）：穿孔效率高2～3倍钻机作业率高15～45％工人劳动生产率高2～3倍穿孔成本低15～25％2023/2/226穿孔效率：比潜孔钻机高2~3倍，比冲击式钻机高3~5倍；钻机作业率：比潜孔钻机高15~45%，比冲击式钻机高50~110%；工人劳动生产率：比潜孔钻机高2~3倍，比冲击式钻机高3~4倍；穿孔成本：比潜孔钻机低15~25%，比冲击式钻机低10~30%。主要缺点机身重，价格昂贵。

2023/2/2272.4爆破松碎矿岩牙轮钻机主要参数：钻头的轴压力回转速度压气消耗量注意：各项参数间的合理匹配2023/2/2282.4爆破松碎矿岩③穿孔设备数量计算及选择计算公式： 钻机工作台数N： 钻机在册台数N’:注意：当矿岩性质差异较大，采矿和剥离工作制度不同时，应分别计算所需台数，然后再取总和。2023/2/2292.4爆破松碎矿岩选择孔径特大、大型露天矿：D≥310mm中型露天矿：D=150~250mm小型露天矿：D≤150mm2023/2/2302.4爆破松碎矿岩爆破工作（二）爆破工作 为后续的采装工作等提供合适的块度，爆破质量对后续工作影响很大，同时又要保证矿山生产的安全性和合理性，故应高度重视。（中间涉及经济指标、对永久边坡的保护等）2023/2/231

穿爆工作的技术经济指标穿爆是先行环节，其工作效果不但直接影响后续环节的效率也在矿石的最终成本中得到反映。穿爆费用在矿石成本中所占的比重很大(煤矿约15

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20%，金属矿则高达35~45%)。穿孔爆破的主要技术经济指标有：每米钻孔出岩率；钻机效率(万m/a)；炸药单位消耗量(kg/m3)；大块发生率；每m3岩石的穿孔和爆破成本等。在坚硬矿岩中，炸药单位消耗量的确定至为重要。从爆破环节来看，降低炸药消耗量会相应降低爆破成本，但从穿孔、采装、运输、矿石破碎等环节来看，不适当地降低炸药消耗量会导致大块率偏高，从而降低这些环节的效率。国内外的研究都证明，从整个工艺系统最优化的角度出发，存在着合理块度问题，以保证矿岩的最终成本最低。2023/2/232好的爆破质量合适的块度（低大块率）爆堆形状（高度、宽度）、集中且有一定的松散度没有根底、伞岩，台阶坡面平整没有后裂、挎坡，尤其对永久边坡较小的爆破振动无爆破飞石、空气冲击波等能促使露天矿生产总成本最低2023/2/2332.4爆破松碎矿岩2023/2/234爆破参数的确定

爆破参数包括：孔径d、底盘抵抗线W底、排距b、孔距a

、超钻深度h超、填塞长度L填。

W底＝(0.6～0.9)h，mb=mW底，m；式中钻孔的间距系数

m=0.7～1.3。

a＝bsin60°，mh超=(0.15~0.35)W底，mL填≥0.75W底，m每个钻孔的装药量Q:

Q=qhaW底，kgq—单位炸药消耗量，kg/m32023/2/2352.4爆破松碎矿岩露天采矿涉及的爆破方法1、浅眼爆破法这种爆破方法，主要用于部分小型露天矿的生产爆破，露天矿的二次破碎及处理根底的爆破，大爆破中的硐室开挖及其它辅助爆破等。2023/2/2362、深孔爆破法它主要用于露天矿正常剥采过程中的台阶爆破（或称生产爆破）以及临近边坡的控制爆破。3、大爆破（或称硐室爆破）法这种爆破方法，大多用于露天矿基建或扩建时期，以及用其它方法难以处理的孤立山头。2023/2/237在露天矿生产过程中，大量使用的是生产台阶的深孔爆破。在最常用的台阶深孔爆破中，根据起爆顺序和起爆时间的不同，又分为齐发爆破、秒差迟发爆破和微差爆破等，其中以微差爆破使用最广。此外，在露天矿生产中，台阶深孔爆破后，一般会产生一些块度超过规定尺寸的矿岩块。对这些不合要求的矿岩块，一般还要采用浅眼爆破、外覆爆破或碎石机进行二次破碎。2023/2/238对爆破质量的要求1）大块率。露天矿的采装、运输和粗碎设备，对爆破后的矿岩块度都有一定的要求，称做允许块度。超过允许块度的矿岩块称为大块，大块总量与爆破总量的比率称为大块率。大块率越高，说明爆破质量越差。2023/2/2392）爆堆形状和尺寸。爆破后形成的松散矿岩堆，称为爆堆。爆堆的形状和尺寸，对采装、运输工作都有很大影响。爆堆过高，会影响挖掘机的安全作业；爆堆过低，挖掘机不易满斗，影响挖掘机效率；爆堆过宽，不仅增加了挖掘机的大量倒堆清理工作，而且运输线路也会受到影响；爆堆过窄，说明矿岩碎胀不佳，爆破效果不好，挖掘机很堆甚至无法进行作业。因此，爆堆的高度、宽度和松散度，都要适合采装的要求。爆破后，台阶工作面的形状要规整，不允许出现根底、伞岩等凹凸不平的现象2023/2/240根底、伞岩示意图1-爆堆；2-根底；3-伞岩2023/2/2412.4爆破松碎矿岩爆破分级爆破工作的关键是选取合理的爆破参数充分考察岩性、地质构造等矿岩的可爆性分级2023/2/2422.4爆破松碎矿岩

矿岩可爆性分级B.B.里热夫斯基按强度分级——标准单耗

qB——炸药的标准单位消耗量，g/m3；岩石的抗压、抗拉、剪切强度和岩石容重。——岩石容重，kg/dm3。2023/2/2432.4爆破松碎矿岩 在实际爆破中，进行爆破设计时需对计算单耗值进行修正，其修正计算公式为：式中：qJ——设计计算的炸药单位消耗量，g/m3；qB——炸药的标准单位消耗量，g/m3；KH——炸药的换算系数；KPS——要求的破碎度系数，KPS=0.5/dp;dp——爆破后岩石的平均块度尺寸，m3；KL——岩体的裂隙度影响系数，一般为1.2；KX——药包在岩体中的形状影响系数，2023/2/2442.4爆破松碎矿岩②B.H.库图佐夫综合可爆性分级 综合炸药单耗、岩石坚固性、岩体裂隙等多方面因素，并以炸药单耗为主。 经过大量的数据计算统计，得出炸药单耗的离差（均方差）：式中：σ——炸药单耗统计值的离差，kg/m3；q——炸药单位消耗量，kg/m3；

2023/2/2452.4爆破松碎矿岩

研究岩石的可爆性分级，主要目的不是为了进行岩石分级，而是在于根据不同岩石对爆破作用的阻抗能力，预计合理的炸药单耗和所能达到的岩石爆破破碎效果，并以此作为爆破工艺设计的依据。2023/2/2462.4爆破松碎矿岩露天深孔爆破（一）确定爆破参数①底盘抵抗线 与钻孔直径、装药直径、炸药特性、装药密度、岩石可爆性、要求破碎程度、台阶高度等有关。②孔距a、排距b、炮孔临近系数m③钻孔超深取决于岩石性质、构造，且与底盘抵抗线、炮孔直径及炸药性质有关。超深作用：降低药柱中心克服底盘、底部阻力减少根底2023/2/2472.4爆破松碎矿岩露天深孔爆破④充填/堵塞长度 充填不足：炸药能量从孔口冲出，造成岩块飞散，降低爆破质量 充填过大：浪费钻孔，易在充填段产生大块⑤炸药单耗⑥单孔装药量 一般采用体积法计算2023/2/2482.4爆破松碎矿岩露天深孔爆破（二）微差时间 我国露天矿的实际参数，一般采用25～75ms，硬岩中取小值，软岩中取大值。（三）布孔方式和起爆顺序 布孔方式主要有：三角形（梅花形）、方形、矩形 起爆顺序：排间顺序、斜线顺序、“V”形起爆、波浪形起爆、中间掏槽起爆、楔形掏槽起爆2023/2/249

（二）台阶正常采掘爆破参数及爆破设计露天台阶爆破通常采用多排孔齐发爆破或多排孔间隔起爆方式。具体设计参数：1、炮孔底盘抵抗线bcL1DLBWPhHαaa——孔距b

——排距2023/2/2502.4爆破松碎矿岩露天深孔爆破 露天深孔爆破一般采用多排孔微差爆破方式。该爆破方式的优点：一次爆破量大降低爆破震动控制爆破方向充分利用炸药的爆炸能量改善爆破效果2023/2/2512023/2/252多排孔微差挤压爆破2023/2/253微差挤压爆破作用原理先爆孔为后爆孔提供新的自由面后爆孔在先爆孔产生的应力消失之前起爆，将形成应力波相互叠加，增强破碎效果岩块在空中运动相互碰撞，岩石进一步破碎降低了爆破地震2023/2/254露天矿采用多排孔微差爆破的优点是：1）一次爆破量大，可减少爆破次数和避炮时间，提高设备利用率；2）改善爆破质量，大块率比单排孔爆破降低30~50%；3）提高穿孔设备利用率约10~15%，这是由于工作时间利用率增加和穿孔设备在爆破后冲作用区作业次数减少之故。2023/2/25556

隆起现象。由于渣体作用产生隆起,隆起过大,对电铲采装不利；单位药耗量增加；由于渣体掩盖,看不清岩性和地质赋存状况,给布孔增加了困难。挤压爆破存在的问题2023/2/2562.4爆破松碎矿岩控制爆破露天深孔控制爆破主要用于紧邻露天矿边坡的爆破区域，常用的爆破方式有：预裂爆破光面爆破缓冲爆破2023/2/257（1）预裂爆破所谓预制爆破，就是沿露天矿设计边坡境界线，钻凿一排较密集的钻孔，每孔装入少量炸药，在采掘带主爆孔未爆之前先行起爆，从而炸出一条有一定宽度（一般大于1~2cm）并贯穿各钻孔的预裂缝。由于有这条预裂缝将采