白登磷矿台阶爆破参数的合理选择及

白登磷矿台阶爆破参数的合理选择及爆破块度分布规律研究学生张立国

指导教师栾龙发副教授

学院国土资源工程学院

专业采矿工程研究方向爆破工程及安全技术NationalEngineeringLaboratoryforVacuumMetallurgy目录

白登磷矿台阶爆破现状分析2白登磷矿台阶爆破的现场试验研究4白登磷矿台阶爆破方案初步设计3绪论1白登磷矿爆破块度分布规律与爆破参数的优化研究5结论与展望6绪论1.1论文的研究背景

本文通过对白登磷矿矿山爆区的地形地质等条件、矿山岩石的物理力学性质、爆破器材性能以及该矿的爆破参数等进行综合定性定量分析，结合爆堆块度分布规律的理论来进行研究，并根据台阶爆破设计方案在白登磷矿开展工业性试验，找出影响爆破块度与根底因素。通过研究确定白登磷矿采场中爆破参数优化方案，提高爆破破岩效率，控制工作面大块率，降低根底率及爆破成本，提高白登磷矿的经济效益，确保生产安全。绪论1.岩体爆破块度研究方法综述2.岩体爆破块度模型的研究3.节理岩体爆破的研究进展4.岩体爆破块度的分形理论1.2国内外

的研究

现状5.爆破块度的测定方法绪论1.3研究内容与研究方法

（1）研究内容通过对白登磷矿采场中深孔爆破的研究工作，以及矿山采场中岩石的物理学性能，对爆破参数进行优化，确定合理的钻爆参数，开发出适合白登磷矿的爆破技术，从而降低矿山的钻爆成本、提高起爆网路的可靠性和安全性、降低大块率及减少根底。（2）研究方法论文主要采用理论分析、现场工业性试验等研究方法，进行主要内容的研究。绪论图1-2论文研究方法路线图对白登磷矿现场进行调查分析进行理论分析，确定白登磷矿现场的试验方案现场实验对白登磷矿现场实测数据进行分析确定白登磷矿最佳的爆破方案1.4论文研究的技术路线第二章、白登磷矿台阶爆破现状分析白登磷矿简介白登磷矿爆破现状直接生产试验的可行性分析存在的问题2.1白登磷矿简介

白登磷矿概况矿区地质矿床地质特征矿床水文与工程地质储量2.2白登磷矿爆破现状

矿山爆破所使用爆破器材为岩石膨化硝铵炸药,磁电雷管起爆器起爆。起爆网路布置采用串并联方式连接，参见图2-2。当一次起爆炮孔数目超过一台起爆能力时，可采用多台起爆器串联使用，选一台起爆器为主机，其他为从机，起爆器及雷管连接如图2-3所示。

2.2白登磷矿爆破现状现有的台阶设计高度10m。该矿现使用阿特拉斯CBH-10型号全液压钻机和宣化鼎信矿冶公司DXA165型号潜孔钻机两台，钻孔直径为140mm，钻孔深度分别为11.5m和13.5m。采用垂直钻孔，底部连续装药，上下双药包起爆。其上下起爆药包分别布置在药柱的1/3和2/3处（如图2-4）。所收集的各次爆破的平均爆破参数见表2-4.

表2-4爆破参数表岩种段高(m)孔深(m)抵抗(m)孔距(m)排距(m)超深(m)药柱高(m)填高(m)每孔药量(kg)单耗(kg/m3)炸药种类砂页岩10113.5～444.516.5～6.05.0～4.5740.41硝铵白云岩10113.5～44.54.516.0～5.55.0～4.51170.58硝铵2.2白登磷矿爆破现状

通过现场调查发现，实际钻孔时孔排距布置不规整、单孔装药量过少以及填塞过大是造成台阶上部破碎不充分，是产生大块的主要原因之一；炮孔超深不够，使得每次爆破效果不理想，开挖达不到设计的10m台阶高度，出现根底、台阶不平整等问题，如图2-5～2-8。图2-5爆破开挖情况2.2白登磷矿爆破现状图2-6后排爆破地表岩石破碎情况2.2白登磷矿爆破现状图2-7爆破后无法装载的大块岩石2.2白登磷矿爆破现状

由于上述原因的存在，使得每次爆破的效果很不理想，台阶高度开挖也达不到所设计高度；爆破时后排的炮孔曾出现留有根底以及向上冲孔所引发的飞石事故等施工质量问题。图2-9爆后产生根底情况2.3直接生产试验的可行性分析

挪威的学者曾经在“露天台阶爆破的优化”这一报告中阐述：“露天台阶爆破现场生产试验存在的一些问题，如：由于正常生产的干扰，进行以及评估这些试验非常困难，且费用高、时耗长等”。但是，为了省去中间环节，可以直接为生产服务来开展现场的实际研究。更为重要的是在相似理论研究尚无重大突破的条件下，我们决定结合实际的情况，利用该矿现有的生产条件以及所作课题规定的时限要求，尽量避免影响白登磷矿正常生产的前提下，通过对白登磷矿所做的具体分析来开展现场的试验研究。2.4存在的问题

该矿存在的问题主要是填塞过大和孔距偏小、延米爆破量小、炸药单耗偏高，相应的增加了钻爆成本。并且爆破的效果也很不理想，开挖达不到所设计的台阶高度，并且经常留有根底现象，大块率问题较为突出。这些问题给白登磷矿下一标高的钻孔生产以及台阶的平整造成了很大的困难，影响连续钻爆施工，并给该矿山的生产安全带来了较大的隐患。第三章、白登磷矿台阶爆破方案初步设计台阶爆破设计依据爆破方案选择起爆网路技术准备及爆破技术措施

（1）爆破参数（2）布孔方式3.1台阶爆破设计依据3.2爆破方案选择采用垂直深孔爆破。起爆方式改为导爆管-导爆索联合起爆网络。炮孔按矩形方式布置，炸药采用安宁化工厂生产的直径为φ120mm，长度350mm，5kg/袋的

1号岩石乳化炸药。3.2爆破方案选择

3.2.2爆破参数确定(1)最小抵抗线W为了计算方便，按炮孔孔径倍数确定底盘抵抗线，我国露天台阶爆破的底盘抵抗线一般为孔径的20～50倍。W＝(20～50)×d

（3-5）式中：d——钻孔直径，mm。根据白登磷矿实际生产经验和同类工程的施工经验，再结合该施工区岩石性质，确定底盘抵抗线如下：W＝40×0.14m＝5.6m；(2)炮孔孔距和排距

根据白登磷矿现场所收集的资料参数，炮孔孔距和排距按爆区岩石性质分为以下两种：

白云岩

孔深11.5m时，炮孔间距6(孔距)×5(排距)m；

孔深13.5m时，炮孔间距6.5(孔距)×5(排距)m；

页岩

孔深11.5m时，炮孔间距7(孔距)×6(排距)m；

孔深13.5m时，炮孔间距7.5(孔距)×6.5(排距)m；

3.2爆破方案选择(3)炮孔深度L和超深h

L＝H＋h

式中：H——台阶高度，分10m和12m，施工时根据现场实际情况选取；h——炮孔超深，一般h＝(0.15～0.35)×W，根据场区内分布岩石力学性质，再结合施工经验选取h＝1.5m；

故L＝10.0＋1.5＝11.5m或L＝12.0＋1.5＝13.5m。

因矿山现有台阶高度为10m和12m，在保证超深不低于1.5m的基础上来选择炮孔的深度。3.2爆破方案选择3.2爆破方案选择

(4)填塞高度

填塞高度是一个重要的爆破参数，合理的填塞高度应保证爆生气体不过早从孔口喷泄，同时又使台阶上部岩石能得到充分破碎。根据经验，按炮孔直径d大小，填塞高度可取：

l=（20～30）d，m

为了获得更集中的爆堆，适当加大填塞高度，系数选取30；

l＝30×0.14＝4.2m(5)炸药单耗

根据白登磷矿现有的爆破参数，炸药单耗按爆区岩石性质分为以下三种：白云岩单耗0.3kg/m3，页岩单耗0.22kg/m3。装药过程中可根据现场条件做临时小范围调整。3.2爆破方案选择(6)单孔装药量

前排炮孔：

后排炮孔：

式中：K——岩石阻力系数，K=1.2～1.5

白云岩

孔深11.5m时，前排：

后排：

孔深13.5m时，前排：

后排：

页岩

孔深11.5m时，前排：

后排：

孔深13.5m时，前排：

后排：

3.2爆破方案选择(7)装药结构

采用底部连续装药。为了减少矿山的生产成本并使网络敷设简单方便不易受损，建议由原来的上下双药包起爆改为上药包起爆。起爆药包布置在药柱的1/3处，参见图3-4。

起爆网路为导爆索——导爆管联合起爆网路，孔内采用导爆管雷管起爆，孔外为导爆索传爆，起爆导爆索的雷管为磁电雷管，爆破所使用炸药为乳化炸药，使用YR-1磁电雷管起爆器起爆。起爆网路布置采用串联方式连接，该起爆方法操作简单，使用安全、准确、可靠，能抗杂散电流、静电和雷电等优点。参见图3-5～3-8。3.3起爆网路3.3起爆网路3.3起爆网路3.4技术准备及爆破技术措施根据对白登磷矿现场的实际条件以及爆破技术现状的分析来看，为了提高爆破质量，在不形成上部爆破漏斗和后翻以及保证允许飞石距离和爆堆伸出的条件下，尽可能的减少填塞高度以及增加单孔的药柱高度，来改善岩石破碎的质量。在现场试验中主要采取扩大孔网参数、减少凿岩工作量，[U1]

降低炸药单耗来提高爆破的效率，具体技术准备及爆破技术措施如下：3.4技术准备及爆破技术措施根据对白登磷矿现场的实际条件以及爆破技术现状的分析来看，为了提高爆破质量，在不形成上部爆破漏斗和后翻以及保证允许飞石距离和爆堆伸出的条件下，尽可能的减少填塞高度以及增加单孔的药柱高度，来改善岩石破碎的质量。在现场试验中主要采取扩大孔网参数、减少凿岩工作量，

降低炸药单耗来提高爆破的效率，具体提出相应的技术准备及爆破技术措施

、、第四章、白登磷矿

台阶爆破的现场试验研究

由白登磷矿现有的爆破数据可以看出，现行爆破参数的炮孔密集系数偏小，未采用大孔距小排距爆破技术。同时填塞过大，超钻偏深，相应减小了药柱高度。使得每次爆破效果不理想、开挖达不到设计的台阶高度；后排炮孔在爆破时，曾出现留有根底等问题。这些问题给该矿的台阶平整和下一标高的钻孔生产造成了很大的困难，并给矿山的安全生产带来了极大的安全隐患。4.1现有爆破效果分析4.1现有爆破效果分析

以“充分利用炮孔容积”原理作为孔网参数计算的理论出发点。

其原理主要是在合理超深值及恰当的填塞长度确定后，获得一个相对最大的炮孔容积，实行“满装药”。由于提高了每孔装药量，则在已经确定的炸药单耗前提下，可求出最大的爆破负担面积。所以当合理超深（h），恰当的填塞长度（Lt）及炸药单耗（q）确定后，即应求算装药长度（Ls）、装药量（Q）及每孔负担面积（S）。4.2爆破孔网参数优化设计4.3.1爆破试验

自2008年6月份起，针对该矿的白云岩、页岩共进行了几十次试验。选用炸药为1号岩石乳化炸药，即使在雨季炮孔有水的情况下都可使用，而且爆炸威力大，有助于克服根底影响。采用导爆索和导爆管联合起爆网路，孔外传爆导爆索用磁电雷管起爆。具体爆破试验参数方案见表4-1。4.3爆破试验及效果分析4.3爆破试验及效果分析

4.3爆破试验及效果分析4.3爆破试验及效果分析

通过试验得出：在本试验条件下，当Ｌt＞4.5m时，充填物没有冲出现象。经过综合分析与研究，在白登磷矿的矿岩条件下，填塞高度控制在5m左右较为合适。为了避免根底和超挖现象，还要保证炮孔有足够的超深，经过几个月的试验研究，确定在白登磷矿的条件下，超深1～2m。为了取得更好的爆破效果，可以选用合理的微差起爆间隔时间和起爆顺序，并采用合适的炮孔密集系数。故在工业试验中，有意识地不断扩大孔网参数，增大炮孔密集系数m值。经过试验，采用原来的微差起爆间隔时间和起爆顺序爆破效果还可以，故在后面试验中使用的导爆管雷管段别没做改变。4.3.2效果分析4.3爆破试验及效果分析实验证明：当孔网参数为以下参数时爆破破碎效果最佳：a、白云岩孔深11.5m时：6.5(孔距)×5(排距)m；孔深13.5m时：6.5(孔距)×5(排距)m；b、页岩孔深11.5m时：7(孔距)×5(排距)m；孔深13.5m时：7(孔距)×5(排距)m；（1）岩石破碎4.3爆破试验及效果分析图4-5爆堆表面岩石破碎图4.3爆破试验及效果分析

图4-6爆堆中心岩石破碎图图4-7大块岩石图

如图4-5～4-7所示，通过参数优化后，岩石爆破破碎效果良好、块度破碎均匀。在页岩爆破中几乎不产生无法装载的大块；在白云岩爆破中产生少量的大块，其大块率由原来的5%～9%降至2%以下，大块主要由于炮孔没填塞好或产生冲孔，导致爆区边缘炮孔填塞部位岩石没有被爆生气体充分破坏所造成。炸药单耗下降0.08～0.17kg/m3，降低8.6％～26.5％；延米爆破量由20m3/m提高到30m3/m以上。4.3爆破试验及效果分析（2）爆堆形状

经过对每次爆破爆堆的拍照、测量，得到大量实测数据，绘制了5排炮孔、2排炮孔延期爆破的爆堆大致剖面图。见图4-8～4-9。4.3爆破试验及效果分析我们从中可以发现：

2排炮孔延期爆破的炸药单耗和微差时间的选择较为合适。因此在今后爆破中尽量减少一次起爆排数，以免影响爆破效果。（3）开挖效果4.3爆破试验及效果分析

从以上四幅开挖后图片可看出，开挖边坡消除了超挖、欠挖和伞檐现象；采场底板开挖平整，底板标高与设计标高之差不大于1m，基本消除了根底现象，为下台阶的凿岩钻孔工作提供了良好的工作平台。岩体爆破块度的影响因素分析白登磷矿爆破块度的现场测试及分析白登磷矿爆破块度的分布规律分析白登磷矿爆破参数的优化研究小结第五章、白登磷矿爆破块度分布规律与

爆破参数的优化研究

影响爆破块度的因素主要有，岩石的可爆性、岩体的节理裂隙发育程度、爆破器材、炸药与岩石的相互关系、爆破参数等。5.1岩体爆破块度的影响因素分析5.2.1试验爆区岩体节理分布规律

（1）节理的测量方法与定量描述指标

节理的测量方法主要有测线法、取样窗法和岩芯调查法三种，前两种方法以其简便、易行的特点而被广泛采用。节理测量内容根据不同的工程目的来确定，主要包括：间距、迹长、方位和张开度等。本文应用测线法对试验爆区岩体的节理进行测量。

（2）爆区节理调查结果及其间距分布规律

为了对白登磷矿试验区的爆破参数进行分析研究，对多次生产爆破开展了爆前节理调查工作。在进行爆区节理调查时，主要统计了台阶坡面上水平、垂直两个方向和台阶横断面上的节理间距组成，且各方向上的节理不按组别逐一统计，而记录总体间距组成。各爆区节理间距统计结果见表5-1。5.2白登磷矿爆破块度的现场测试及分析5.2白登磷矿爆破块度的现场测试及分析

根据表5-l的统计数据，按回归计算得到的结果列于表5-2。表中同时列出了统计得到的节理频数和相对平均节理间距(平均节理间距/最小节理间距)。回归结果表明，各爆区的节理间距分级数在0.7096-1.1774之间变化，表明节理很发育。5.2白登磷矿爆破块度的现场测试及分析

表5-1和表5-2对比表明，大多数情况下，分维数大，对应的相对平均间距小，如：方案一中水平与垂直方向的分维数分别为0.9625和1.0425，后者的相对平均节理间距(3.20)比前者(3.35)小。因此，可以用分维数或相对平均节理间距对比分析各试验爆区的节理分布密度。间距分维数反映了节理间距在其变化范围内的分布特征。但分维数不反映节理间距的绝对大小，这体现了节理分布与尺度无关的分形特征。5.2白登磷矿爆破块度的现场测试及分析5.2.2爆堆取样

白登磷矿爆破块度研究过程中，共对白登磷矿进行了36次现场爆破试验，取其中10次现场试验爆破效果进行分析。

5.2白登磷矿爆破块度的现场测试及分析

测定爆堆块度的体视概率计算法

用等体积球直径近似等于岩块尺寸，以球体系统的断面圆尺寸分布及其空间分布为基础，确定出爆堆表(断)面上测线与岩块相交所截出的线段的数量密度与岩块的空间数量密度之间的关系，由此提出计算爆破块度组成的体视概率计算法，该方法计算块度组成的累积比率公式：5.2白登磷矿爆破块度的现场测试及分析5.2.3爆堆块度组成的测定方法5.2.4爆堆块度的组成测定结果及分析

应用体视概率计算法对现场爆破试验破碎岩石的块度组成进行计算，其结果列于表5-3中。

各试验方案的爆破块度分布规律及筛下累积率的关系见图5-4。由图5-4可知方案4、方案5和方案7的爆破效果较好、爆破块度较小，爆破块度小于40cm的筛下累积率占70%左右。图5-4各试验方案的爆破块度分布规律及筛下累积率的关系5.2白登磷矿爆破块度的现场测试及分析5.3.1分布规律模拟模型

爆堆块度分布函数的经验公式很多，公认最具代表性的是R-R(Rosin-Rler)分布函数和G-G-S(Gate-Gaudin-Sehumann)分布函数。5.3白登磷矿爆破块度的分布规律分析

根据各爆区矿岩块度分布的现场检查结果（表5-3），将各次爆破的块度组成分别按R-R分布和G-G-S分布回归计算，结果见表5-4，5.3.2爆堆块度分布规律的回归分析5.3白登磷矿爆破块度的分布规律分析

由爆堆块度组成的测定结果和爆破块度分布的回归分析，可知各次爆破方案的大块率均较小，最大值达12.83%，反映出选取的爆破参数总体合理，尤其是方案4、方案5和方案9组爆破的试验参数选择得更好。5.3白登磷矿爆破块度的分布规律分析5.4确定影响爆破块度主要因素的灰关联分析方法

影响岩体爆破质量的因素很多，包括：炸药参数、爆破参数、岩体结构及其力学特征等各种不同类型的因素，它们的共同作用决定了岩体爆破质量。然而，由于理论分析和现场试验的目的不同，以及受各种客观条件的限制，不可能将各个影响因素都反映出来。所以，确定影响岩体爆破质量的主要因素，是准确控制和预测爆破质量的前提。

（1）灰关联度的分析原理（2）系统特征变量和相关因素变量（3）灰关联度的计算方法10次爆破试验方案的主要参数见表5-5

由爆堆块度组成的测定结果和爆破块度分布的回归分析，可以得出各试验方案爆破后的块度组成与各项指标规律，见表5-6。

以爆破后的

、

指标、块度分维数、均匀性指数和大块率为系统特征变量

（i=1、2、…、5），爆区节理频数(三个方向的平均值)、

、天然块度分维数、填塞高度、孔距、抵抗线、炸药单耗和微差时间为相关因素变量

（j=1、2、…、5），计算出十次生产爆破的灰色绝对关联矩阵，见表5-7。

影响爆破块度分维数和均匀性指数的主要因素的次序基本相同，即；天然块度分维数、节理频数、抵抗线、孔距和炸药单耗，表明爆破块度分布是由天然块度分布和爆破参数决定，这说明计算模型的出发点与实际工程实践经验相符。当爆破参数选取合理时，爆破块度主要受由爆破参数所决定的岩体破裂比率的控制，即是说，此时的块度分布应该与爆破参数的相关性更强。此外，分别比较爆破块度分维数和均匀性指数与上述五个因素的关联度数值可知，它们都几乎相等，这反映出二者的物理意义相同的事实。5.4.2白登磷矿爆破参数分析

通过对试验区爆破块度的现场测试与分析和爆破块度的分布规律分析，结合影响爆破质量主要因素的灰关联分析，确定爆破试验方案的方案4、方案5、方案7和方案9的爆破参数较其它的方案好。但是，方案7大块率相对其它三个方案较高，所以，优化方案中各项爆破参数的选择可参考方案4、方案5和方案9的爆破参数。

（1）孔网参数

根据前面爆破试验总结，白云岩单耗在0.30kg/m3左右、页岩单耗在0.22kg/m3左右可取得较好的爆破效果。装药过程中可根据现场条件做临时小范围调整。通过优化确定的孔网参数，见表5-8：5.4.3白登磷矿优化后的爆破参数

为避免孔内导爆管网路过长导致在装药填塞过程中导爆管被挤断、挤破或压扁，保证起爆的可靠性和敷设网路的简单方便性，将继续采用孔口起爆方式。炮孔内采用连续装药结构。（2）起爆网路和爆破器材由于导爆索和导爆管联合起爆网路联接简单、起爆可靠，在今后爆破中继续使用。网路起爆雷管用磁电雷管，炸药用1号岩石乳化炸药。

本章在应用测线法对各试验爆区进行了爆前测试、爆破试验和岩体爆破块度的影响因素分析的基础上，对白登磷矿各试验爆区的爆破块度进行了现场取样、测试及爆破块度分析。爆堆块度组成的测定结果和爆破块度分布的回归分析表明，各次爆破方案的大块率均较小，最大值12.83%，反映出选取的爆破参数总体合理，尤其是方案4、方案5和方案9组爆破的试验参数选择得更好。应用灰关联分析方法确定出影响白登磷矿爆破块度的主要因素。据方案4、方案5和方案9组爆破的试验参数，确定了白登磷矿最优的爆破参数。

通过试验优化后的孔网参数、装药结构、爆破方法，使炸药单耗下降了8.6％～26.5％，而且改善了爆破效果，大块率降到2%以下，铲装效率有所提高，较好解决了采场爆后根底的现象；根据设计底板标高适当调整钻孔深度，实现了台阶底板平整，底板标高与设计标高之差不大于1m。5.5小结1.主要结论2.今后的工作展望第六章、

结论与展望论文主要采用理论分析、现场工业性试验、工程类比法等研究方法，在对白登磷矿矿岩地质情况和存在的问题进行现场调研的基础上，通过岩体爆破块度分布规律的理论研究和岩体爆破效果的影响因素分析，确定了适合白登磷矿的爆破方案，论文的主要研究结论为：

1分析了应力波、分布函数、能量块度计算模型的特点及适用条件，指出了各计算模型的缺点，即没有将节理裂隙分布引入到岩体爆破