排山楼金矿中深孔孔底起爆爆破方案优化试验

排山楼金矿中深孔孔底起爆爆破方案优化试验

0中深孔孔底起爆试验山体金矿床是位于辽宁西部变质岩中的大型同构切割带的金矿床。雕刻行业的类型为贫困化学岩。主要工业矿体有T1、T4和T5。T1矿体大部分已被露天开采,露天转地下后主要开采的是T4、T5矿体,而矿体T4又是地下开采的主矿体。T4矿体走向长200m,厚度2～35m,平均厚度10m,倾斜延深30～330m,平均延深168m,矿体倾角15°～48°,上陡下缓,平均倾角28°。矿体为黑云斜长糜棱岩或长英质糜棱岩,f=10～14。上盘围岩为黑云斜长糜棱岩、长英质糜棱岩,f=10～12;下盘围岩为黑云斜长糜棱岩或糜棱岩化黑云斜长片麻岩,f=12～16。矿体和围岩中没有软弱夹层,坚硬稳固。辽宁省排山楼金矿(下简称排山楼金矿)地下开采生产能力为1800t/d,采矿方法以中深孔矿房采矿法为主,所占比重85%。矿石比较难爆。2004年地下开采投产后,爆破方案一直采用传统的孔口起爆技术,并加以孔内导爆索辅助传爆,多排孔微差和限制空间挤压爆破。原有的这套孔口起爆爆破方案,安全可靠,但存在崩矿块度不均匀、前半孔爆破较碎、后半孔爆破块度大等问题。特别是由于多种原因,不能在最有利的空间条件下实施挤压爆破时,大块产出率较高,使得出矿二次破碎的炸药单耗较高,2006年上半年中深孔出矿25万t,出矿二次破碎炸药单耗平均为0.13～0.15kg/t。为了中深孔落矿爆破获得更好的效果,达到降低成本和改善出矿作业安全条件的双重目的,排山楼金矿在2006年初开始进行中深孔孔底起爆技术试验。首先进行了钢管爆破试验,获得孔底起爆威力比孔口起爆明显增高的情况下,进入采场试验应用。在采场试验应用前,实地考察学习了中条山有色金属集团责任公司和陕西太白黄金矿业有限责任公司的爆破工艺技术;并对孔底起爆使用炸药和雷管等火工材料的品种选定、现场施工安全操作规程等事先做好充分的准备工作。2006年7月和8月分别在2个采场中深孔爆破试验应用了孔底起爆技术,均获得很好的效果。1孔底爆炸试验1.1孔口与孔底爆炸能量的比较试验(1)试验地点和试验材料在2根同样规格和长度的钢管中,装填同种等量炸药,分别采用孔口和孔底起爆方式,观察爆破后钢管碎片。通过碎片的对比,分析孔口起爆和孔底起爆爆炸威力的相对大小。试验地点选择在300m中段东部靠近回风巷一侧,1#钢管地点是300m中段回风巷,2#钢管在300m运输巷上盘环行东部。试验前先清理平整试验地点巷道,铺好垫布,并将钢管悬于巷道底板(垫布)上方1.4m,以便回收爆破碎片,钢管装药前连好接地线。钢管装填结构见表1。炸药是多孔粒状硝铵黏性炸药,起爆药为2#岩石炸药,雷管为导爆管雷管。孔口起爆用导爆索辅助传爆,孔底起爆无导爆索,雷管和起爆药装在起爆器具里。装填结束后,孔口堵塞黄泥200mm。(2)孔口、孔底起爆钢管碎片对比孔口起爆1#钢管:收回钢管碎片49片,统计平均尺寸(长×宽)173.49mm×34.082mm,长度大于60mm的44片,占89.8%。孔底起爆2#钢管:收回钢管碎片125片,统计平均尺寸(长×宽)51.896mm×15.272mm,长度大于60mm的31片,占24.8%。孔底起爆钢管碎片大于60mm的比孔口起爆降低65个百分点。孔口起爆和孔底起爆收回钢管碎片,放在边长700mm方框内拍摄图片,可直观的比较2种起爆方式的爆炸碎片大小,见图1、图2。爆炸碎片对照和数据统计结果,孔口起爆钢管碎片大,孔底起爆钢管碎片小。说明孔底起爆比孔口起爆爆速、爆炸压力都大得多,孔底起爆爆炸威力明显大于孔口起爆。(3)接地良好,防止施工电火花为保证作业安全,注意2条操作要点。一是装药器和钢管都分别接地良好,防止可能产生静电火花而危及孔底雷管;二是孔底起爆药包与围岩接触要防止撞击,进入孔底时要轻,装药器输料阀开动要慢,切不可急速开阀,防止起爆药包喷射出去撞击孔底。1.2矿区中的深孔坍塌试验(1)t6-5采场爆破试验试验选择了2个采场,275m中段T4-4采场和200m中段T6-5采场。275m中段T4-4采场,矿体厚度20～40m,倾角20°～27°,走向NE～SW,倾向NW(313°15′)。矿体及围岩均为黑糜棱岩,稳固性较好。中深孔立扇形布置(见图3)。采场试验爆破崩矿量16600t。试验日期:2006年8月23日。200m中段T6-5采场,矿体厚度7～17m,倾角50°左右,走向NE～SW,倾向NW(313°15′)。矿体及围岩均为长英质糜棱岩,稳固坚硬。中深孔立扇形布置(见图4)。采场试验爆破崩矿量18100t。试验日期:2006年7月24日。2个采场爆破参数相同,排距1.4m,孔距1.8m,钻头直径65mm。每米中深孔崩矿4.3t,孔内装填多孔粒状硝铵黏性炸药。装药时先将起爆药和导爆管雷管送入孔底,随即向孔内装填粒状黏性炸药,起爆药包和孔内炸药一次装填完成,操作比较简便。起爆网络,T4-4采场孔外用双导爆索传爆,孔内毫秒微差导爆管雷管起爆。T6-5采场孔外用双导爆管并-串联传爆,孔内毫秒微差导爆管雷管起爆,孔外雷管脚线15m1段雷管,支线用50m脚线1段雷管,干线用100m脚线1段雷管。孔内管并联后与孔外管串联,孔外管并联后与支线串联,各支线并联后与干线串联。火雷管引爆主干线,导火索选用6m以上,点炮人员撤至地表响炮。(2)孔底起爆与孔口起爆出矿工程比较通过统计试验采场出矿的炸药、雷管、材料消耗指标,将试验孔底起爆与试验前孔口起爆的出矿单耗相比较,见表2。同样以矿房崩矿比较,孔底起爆的矿房出矿二次破碎材料消耗比孔口起爆降低30%～40%,见表3。从孔底起爆比孔口起爆矿房出矿二次破碎材料节省30%～40%,可以看出,孔底起爆和孔口起爆同样的装药,获得的崩矿块度更好。出矿二次破碎节省费用0.615元/t,见表4。孔口起爆需要孔内导爆索,孔底起爆加长了孔内雷管脚线而不需要孔内导爆索,这一因素使孔底起爆采矿费用节省0.447元/t。采出矿总成本节约1.062元/t。采场中深孔爆破使用孔底起爆,不但节约了生产成本,随着二次破碎工作量减少,还相应地提高了生产效率和安全生产条件,孔底爆破出矿台班效率提高25%。2孔底起爆对激发爆破作用的影响(1)孔底起爆以封闭腔内起爆代替了孔口黄泥堵塞条件下的起爆,加强了起爆能力,还大大提高了起爆药包的能量利用率。孔口起爆是在黄泥堵塞条件下的起爆,黄泥对起爆药包爆炸产物的约束力,仅为黄泥堵塞的阻力。孔口黄泥堵塞加强一倍,起爆药包爆炸产物的压力就增高一倍。当孔口堵塞的黄泥被冲出孔外后,爆炸气体并夹带着未反应完全的炸药颗粒,就毫无约束的冲出孔外,形成爆炸能量的损失及有害的空气冲击波,减弱了起爆孔内主炸药的能量。中深孔爆破用孔底起爆代替孔口起爆,使起爆药包约束在孔底封闭腔内爆炸,以原岩的强度代替了黄泥堵塞微弱的约束力,起爆药包的爆炸高温高压气体不发生逸散,从而使其爆炸产生的温度、压力均能迅速达到最高,击发主炸药的能量比孔口起爆大大增强。孔底起爆能迅速使主炸药达到理想爆轰,而且起爆药爆炸气体会继续留在炮孔这个封闭腔内,并和主炸药爆炸气体一起对矿岩进行破碎。钢管爆炸威力对比试验中,孔口起爆用150g2#岩石炸药药卷,且辅助导爆索传爆,孔底起爆仅用100g2#岩石炸药,孔底起爆药减少50g,又取消了孔内导爆索,而钢管碎片大于60mm以上的却比孔口起爆少60%。采场应用中,孔口起爆药包用1kg2#岩石炸药柱状药包,孔底起爆试验用100g2#岩石炸药。崩矿效果看,孔底起爆矿石大块率明显低于孔口起爆。这些实际效果也说明了封闭腔内起爆对增加爆炸威力非常有利。(2)在封闭腔条件下自孔底向孔口传爆,提高了炮孔主炸药的爆炸威力。文献介绍了对扇形孔的孔底起爆和孔口起爆模型所做的动光弹试验,取得结果是:孔底起爆较孔口起爆在介质中产生的冲击波强度更大,应力条纹作用时间更长。扇形孔孔底起爆时合成应力波传播方向由疏到密地向前发展,扇形孔孔口起爆时合成应力波传播方向由密到疏地向前发展,说明孔底起爆在传爆过程中应力显著地由高到更高,孔口起爆在传爆过程中应力没有增高的特性。孔底起爆时,炮孔内主炸药传爆方向与孔口起爆相反,是由孔底向孔口传爆,整个爆炸过程在封闭腔(炮孔)内进行。由于爆炸高温高压气体不发生逸散,所以其爆炸产生的温度、压力均能不断升高,主炸药传爆过程中获得的能量补充也不断增大。外能愈大、愈集中,主炸药的局部温度愈高,形成活化分子越多,炸药反应速度就升高。在耦合装药时,炸药爆轰压力跟爆速成正比。p=12ρc2(1)p=12ρc2(1)式中:p为爆轰压力(MPa);ρ为炸药密度(kg/m3);c为爆速(m/s)。主炸药在孔内由孔底向孔口传爆过程中,爆炸反应在炮孔内进行且保持理想爆轰,在矿岩被炸开之前一直保持着封闭腔的条件。炸药爆炸能量充足释放,产生的温度和压力由高至更高,爆炸气体被约束在孔内的时间加长,从而大大提高了炸药爆炸能量用于爆破矿岩的利用效率,爆炸威力显著提高。(3)扇形炮孔爆破孔底起爆的有利之处。扇形炮孔由于孔底部位孔距最大,单位长度炮孔负担的崩矿量最大,所需的能量最高。根据岩石爆破原理,岩石内部爆破作用分为粉碎区、破裂区、震动区。粉碎区外应力波作用在岩石中,先形成初始裂隙,接着爆炸气体的膨胀、挤压和气楔作用,使初始裂隙进一步扩展和延伸。在炸药气体和应力波共同作用下,随着径向、环向、切向裂隙的形成、扩展和贯通,紧靠粉碎区外侧形成了一个裂隙发育的区域——破裂区。在耦合装药条件下,岩石内部爆破作用分区如图5所示。破裂圈内岩石主要以拉伸破坏为主,岩石中初始应力波的压力增大,将会提高岩石中的应力和扩大裂隙区域半径。根据岩石破坏准则:σi=σ0σ0={σcd(压碎圈)σtd(裂隙圈)σtd=σtσi=12√σr[(1+b)2−2μd(1−b)2+(1+b)2]12σr=prb−αrb=rjrpb=μd1−μd‚μd=0.8μα=2±b(2)σi=σ0σ0={σcd(压碎圈)σtd(裂隙圈)σtd=σtσi=12σr[(1+b)2-2μd(1-b)2+(1+b)2]12σr=prb-αrb=rjrpb=μd1-μd‚μd=0.8μα=2±b(2)式中:σi为岩石中任一点应力强度(MPa);σ0为岩石单轴应力状态下的破坏强度(MPa);σcd为岩石单轴动态抗压强度(MPa);σtd为岩石单轴动态抗拉强度(MPa);σt为单轴抗拉强度(MPa);σr为计算点到装药中心的应力(MPa);p为透入岩石中的冲击波初始压力(MPa);μd为动泊松比;μ为泊松比;rb为比距离;rj为计算点到装药中心距离(m);rp为炮孔半径(m);α为载荷传播衰减系数;b为侧向应力系数。孔底起爆使扇形孔孔底部分,获得最高爆炸压力和最高应力作用的同时,又获得最长的爆炸气体作用时间,从而加强了应力波和爆炸气体破裂岩石的效果。这样就使得扇形孔孔底部分担负崩矿量最多,受到的炸药能量也最多。当炸药爆轰波传播到孔口时,爆炸气体压力最高,透入岩石的应力波最强,但由于爆炸气体逸散因素影响,孔口部位爆炸气体作用时间最短,能量利用率最低,从而减轻了因药量集中造成邻近爆区井巷破坏。崩矿量与炸药能量利用率相匹配,是扇形孔孔底起爆的最有利之处。(4)孔底起爆加强了挤压爆破作用。孔底起爆炮孔内主炸药爆炸后,爆炸气体在孔里滞留时间长,从而导致爆炸气体更多的向排孔抵抗线方向做功。抵抗线方向首先产生矿石崩落,爆炸气体夹持着崩落矿石向前排已崩落矿岩进行撞击和挤压作用,这部分爆炸气体比孔口起爆时压力更高、数量更多,从而挤压爆破作用更强。而孔口起爆由于起爆点在孔口,堵塞孔口的黄泥很容易在孔内炸药刚起爆时就被冲出孔外,从而产生爆炸气体孔口泄露。孔口泄露降低了爆炸气体的压力,也减少了作为挤压爆破的高压气体的数量,所以孔口起爆的挤压爆破作用比孔底起爆要弱很多。3孔底爆炸技术的安全生产强调了(1)空气波浪与孔口起爆更广泛,比孔口起爆更弱由于孔底起爆提高了爆炸气体压力和作用时间,从而导致应力波增强,地震波危害半径相应地也比孔口起爆时更大,而空气冲击波由于爆炸气体向爆堆倾泻更多,从孔口泻出的进入凿岩巷道、出矿巷道和中段运巷的爆炸气体较少,从而使得空气冲击波孔底起爆比孔口起爆更弱。在进行爆破危害预防时,应针对地震波适当加强防护。(2)孔底起爆+压气装填多孔粒度主动改爆由于机械压气装填时,炸药在压气输送过程中与罐体送料管摩擦时会产生静电,所以炸药品种宜选用静电弱的品种。压气装填多孔粒状硝铵黏性炸药比粉状硝铵炸药产生静电弱的多,采用机械压气装填多孔粒状黏性炸药配合孔底起爆是国内通用的方法。机械压气装药,孔底起爆绝对不可使用电雷管。因为装药器一旦出现接地不好,将极有可能引爆电雷管。(3)