巴润矿24 m高台阶爆破技术实验研究_刘占全.pdf

巴润矿24 m高台阶爆破技术实验研究 刘占全 1 王德胜 2 崔凤 1 徐晓东 1 兰盾 2 （1. 包钢钢联巴润矿业分公司， 包头014080； 2. 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京100083） 摘要巴润露天矿前期开采形成的临时边坡未到界， 形成了2组或4组台阶并段叠置现象。针对临时边坡 陡直、 扩帮到最终境界平台宽度窄， 大型牙轮钻机、 电动轮汽车作业危险的实际状况， 提出了在已并段的2组12 m 台阶上实施24 m高台阶爆破扩帮技术方案。用三维数值模拟技术研究了在爆破荷载作用下高台阶深孔在空气间 隔装药结构下炮孔间、 排间岩石在台阶顶、 底部和排间中间部位的受力特性， 分析了露天高台阶深孔爆破主要技术 参数的可行性。现场爆破试验表明， 毫秒微差起爆、 大密集系数布孔、 空气间隔装药等综合技术的应用， 提高了陡 直边坡、 狭窄平台的扩帮爆破效率， 降低了炸药单耗， 保障了大型设备的作业安全。 关键词露天矿高台阶爆破扩帮数值模拟空气间隔装药 中图分类号TD854.2文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-068-04 DOI10.19614/ki.jsks.201906012 Experimental Research on the 24 m High Bench Blasting Technique in Barun Mine Liu Zhanquan1Wang Desheng2Cui feng1Xu Xiaodong1Lan Dun22 （1. Baotou Steel Union Barun Mining Company， Baotou 014080， China； 2. School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China） AbstractThe temporary slope ed in the early stage of mining in Barun Open-pit Mine did not reach the final min- ing boundary，and two or four groups of benches were combined in parallel. Aiming at the actual situation of steep temporary slope，narrow width of bench extending to the final boundary and dangerous operation of large geared drills and electric wheeled trucks，a 24 m high-bench blasting scheme for bench expansion is put forward on two groups of 12 m combined bench. Three-dimensional numerical simulation is adopted to investigate the stress characteristics of high-bench deep holes at blast holes，or at the top，bottom and middle parts of the bench under structure of air-interval charge，and the feasibility of main technical parameters of open high-step deep-hole blasting was analyzed. The field blasting test shows that the application of comprehensive techniques such as millisecond detonation， large dense holes arrangement and air-decking charge improves the blasting efficiency of steep slope and narrow bench，reduces the unit consumption of explosives and ensures the safety of large-scale equipment. KeywordsOpen-pit mine， High Bench， Bench expansion by blasting， Numerical simulation， Air-interval charge 收稿日期2019-04-07 作者简介刘占全 （1968） ， 男， 教授级高级工程师， 硕士。通讯作者王德胜 （1961） ， 男， 教授， 博士。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 124 m高台阶爆破扩帮方案的提出 大型露天矿多采用分期开采或小境界陡帮开采 来均衡前期大量的剥岩， 随着开采下延逐步扩帮至 最终境界。巴润矿是亚洲知名的特大型多金属露天 矿， 采剥总量已达1.3108t/a。设计台阶高度12 m， 开 采下延至第6组台阶后， 为提高开采强度， 将台阶高 度提高到14 m， 现已形成了14组完整台阶， 采深近 180 m。强化开采使上部台阶临时靠帮， 下部工作面 紧追矿体下延， 实现了逐年的矿石保产。采场上部 已形成了2组或4组台阶并段现象， 并段叠置高度近 100 m， 但临时边坡未推进到最终境界。目前坑底的 开采面积愈加狭小， 难以满足矿石稳产要求， 迫切需 要基于采场现状、 岩性、 地质构造等地、 空间信息的 科学扩帮方法。依托巴润矿现有生产设备的穿孔、 爆破、 铲装作业高效硬件设备支撑系统， 安全、 可行 的陡直边坡、 狭窄平台条件下扩帮爆破破岩、 铲装技 术， 针对扩帮平台宽度从几到几十米不等的陡直高 边坡， 沿着已形成的既有台阶扩帮时大型牙轮钻机 68 ChaoXing 穿孔、 混装车装药爆破、 大型电铲铲装、 大型电动轮 矿车作业困难且危险， 经充分论证后提出了在已并 段的12 m台阶上， 实施24 m高台阶爆破扩帮的技术 方案。本文重点介绍该矿24 m高台阶爆破技术。 224 m高台阶爆破的技术难题 受穿孔、 挖掘设备和开采工艺技术的限制， 目 前我国金属露天矿的台阶高度多为12 m， 少数金属 矿和大型露天煤矿采用15 m台阶。“八五” 科技攻关 期间在本钢的南芬露天矿进行了18 m高台阶爆破技 术探索研究并获得了的突破性成果， 24 m高台阶爆 破技术对于国内非煤矿山仍然属于空白， 无论国产 大型钻机的穿孔、 有效爆破破岩和安全高效的爆堆 挖装都存在技术难题。 （1） 高台阶炮孔穿凿技术。对于24 m高台阶， 炮 孔超深按照2.0～3.0 m考虑的话， 需要穿凿26～27 m 深孔。目前国产的大型牙轮钻机， 钻杆架为2根装， 每根钻杆10.0 m， 除去钻机的作业平台高度， 最大钻 孔深度不能满足24 m高台阶穿孔的要求。项目针对 国产大型牙轮钻机现状进行了备杆方式、 炮孔内强 力排粉等技术改造， 满足了24 m高台阶炮孔穿凿的 要求。 （2） 高台阶爆破技术。大型牙轮钻适合穿凿垂 直深孔， 在保证牙轮钻作业安全时距离前排坡顶线 的最小安全距离≥3.0 m， 24 m高台阶垂直深孔第一 批炮孔的最小抵抗线超过14 m， 对310 mm大直径深 孔爆破而言将是极大的挑战。 （3） 高爆堆的安全高效铲装技术。一般台阶清 渣爆破的爆堆高度是台阶高度的0.8～1.0 倍， 24 m高 台阶爆破的爆堆高度将达到21～25 m， 超过了绝大多 数国产大型电铲的安全挖掘高度， 装车过程中易出 现砸铲、 埋铲等危险现象。巴润矿现有的穿孔设备 为 YZ55B-22 型牙轮钻机， 采掘设备为利勃海尔 ER9350液压电铲， 根据露天矿台阶爆破、 铲装作业要 求， 24 m的台阶高度基本符合经过技术改造的穿孔、 铲掘设备的安全作业要求。 本文重点介绍高台阶大直径深孔爆破技术模拟 和现场试验， 高台阶穿孔和高台阶爆堆的安全挖掘 技术另文再续， 不在此赘述。 324 m高台阶爆破数值模拟实验研究 用LS-DYNA3D模拟高台阶大直径深孔同排炮孔 间和前后相邻炮孔间在爆炸荷载作用下岩石的破坏 特性。为降低高台阶深孔的单孔装药量， 模拟实验 采用空气间隔装药结构， 重点考察高台阶顶、 底部岩 石和排间相邻炮孔间的岩石在爆炸荷载作用下的受 力特性。 （1） 高台阶爆破模型的建立。台阶高度24 m， 取 模型高40 m， 底面长30 m、 宽24 m。炮孔直径φ310 mm， 超深2.0 m， 前排底盘抵抗线14 m， 孔间距16 m， 排间距6.0 m， 炮孔堵塞长度7 m， 炮孔装药采用中部 空气间隔， 间隔高度5.0～6.0 m。 （2） 岩石力学特性。扩帮岩体主要为白云岩， 取 样实测其物理力学参数后， 现场测定岩体的节理、 裂 隙分布特性， 按照霍克布朗公式修正实验测定的 岩石力学参数后获得白云岩体的力学性能参数如表 1所示。 针对高台阶深孔的装药长度大的实际情况， 本 研究针对炮孔的孔底部装药、 中部装药和顶端装药 实施空气间隔装药模拟实验， 间隔高度5.0～6.0 m。研 究表明中、 顶端空气间隔装药延长了爆轰气体破岩 作用时间， 提高了多孔粒状铵油炸药能量利用率， 考 虑施工便利， 选择顶端空气间隔装药结构， 多孔粒状 铵油炸药性能如表2示。对于炮孔中的空气间隔炸 药结构， 计算时输入空气介质的参数如表3所示。 （3） 边界条件 采用对称建模， 计算时只需要构 建1/2模型， 模型正面为对称边界， 左面、 右面、 底面 和背面为无反射边界， 台阶的顶面、 坡面和底盘处为 自由面， 对自由面的位移和波的反射不加以限制。 （4） 高台阶同排双孔爆破模拟结果及分析 图1 为高台阶炮孔顶部空气间隔装填铵油炸药爆破时， 被 爆岩体不同时刻的受力云图。由图 1 可知， 当 t 2019年第6期刘占全等 巴润矿24 m高台阶爆破技术实验研究 69 ChaoXing 958.03 μs时， 爆炸处于初始阶段， 孔壁处最大应力值 达到578.1 MPa。当t1 615.4 μs时， 爆轰波向下传播 至孔底部， 比全装炸药时传到孔底用时长， 空气间隔 装药延长爆轰波作用时间的效果显现出来， 孔底部应 力值达到657.3 MPa； 爆轰波上传播至药柱顶部， 炮孔 顶部应力值达到657.4 MPa。应力波传播至台阶坡面 后发生反射， 反射波与入射波产生叠加， 在坡面上产 生应力集中现象， 坡面处最大应力达到72.5 MPa。当 t8 004.1 μs时， 应力波传播到台阶的各处， 炮孔间的 应力均超过岩石破坏极限， 能对全台阶岩石有效破碎。 在台阶坡底和顶部距离炮孔中心每隔0.5 m各 取一个监测单元， 求出各单元应力峰值， 对比用铵油 炸药和乳化炸药装填炮孔时被爆岩体中的等效应力 发展趋势， 如图2所示， 结果表明均超过岩石的动态 抗拉强度， 说明2种炸药均可以对被爆岩体进行有 效破碎。 4高台阶深孔爆破现场试验 （1） 高台阶大直径深炮孔布置及穿凿。用经过 改造的YZ55B-22型牙轮钻机穿凿高台阶垂直深孔， 除原钻杆架上配备钻杆外， 在钻架上再加备1根10 m 钻杆， 钻杆总长度达30 m； 改造钻头和排风装置， 将 孔内排粉的压力提高到10 MPa。在巴润矿现场穿孔 试验表明可以在 24 m 高台阶上成功穿凿直径 310 mm大直径深孔， 白云岩中实现了平均钻孔速度达15 m/h的技术目标。台阶平面上按照三角形布置炮孔， 使被爆岩石内破碎能量均衡分布。高台阶炮孔的孔 间距和排间距分别为15 ～16 m和6.0～6.5 m， 炮孔的 超深取2.0～2.5 m。 （2） 炮孔的装药结构设计。数值模拟研究表明 高台阶深炮孔装药孔底、 装药中部和装药顶端采用 适当高度的空气间隔时， 可以满足炸药爆破破岩的 需要， 同等条件下装药中部、 顶端空气间隔的破岩效 果较孔底间隔要好， 现场试验时为方便装药采用顶 端空气间隔， 间隔高度5.0～6.0 m， 均衡孔内爆轰压 力， 提高炸药爆轰能量有效破岩能量利用率。用混 装车在炮孔内装填普通多孔粒状铵油炸药， 密度 0.85～0.90 g/cm3， 爆速2 700～2 800 m/s。 （3） 延期时间及起爆网络。扩帮部位距离最终 边坡近， 控制单段最大起爆装药量不超过10.0 t， 采用 高精度塑料导爆管雷管小斜线起爆方式， 尽最大限 度降低爆破振动等有害效应； 为降低高台阶爆破的 爆堆高度， 小斜线起爆时采用较长的排间延期时间， 各组间延期时间控制在50 ms， 现场应用均取得了良 好的预期爆破效果。 高台阶大直径深炮孔爆破技术经过现场试验验 证， 爆破效果良好， 初步试验后已在现场推广应用， 初步形成了高台阶大直径炮孔爆破的相关技术参数 如表4所示。 金属矿山2019年第6期总第516期 70 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ 5结论 露天矿分期开采形成的临时边帮向最终境界扩 帮过程中， 可根据矿山实际情况选用高台阶扩帮到 界， 避免由于临时境界形成的高陡边坡、 工作面狭 窄、 作业安全条件差等困难， 充分利用高台阶大直径 深孔爆破的高效率， 实现降低分层扩帮工程的辅助 工作量， 提高扩帮效率， 降低扩帮工程成本。 （1）根据矿山现有牙轮钻机的状况， 通过改变钻 架、 备杆状况、 提高钻机炮孔内排粉压力等多种技术 改造， 突破了国产大型牙轮钻机正常穿孔的极限， 实 现了高台阶大直径深炮孔的穿凿， 为24 m高台阶爆 破创造了条件。 （2）双排多炮孔数值模拟实验和现场验证试验 为高台阶爆破技术参数的确定提供了依据， 适当长 度的空气间隔可以延长炮孔内爆轰气体破岩作用时 间， 提高炸药爆轰能量的利用率， 降低整体破岩炸药 单耗， 也可以获得良好的爆破效果。 （3） 高台阶扩帮需要高台阶深孔爆破技术、 高台 阶缓冲爆破技术和临近边坡的控制爆破技术配套使 用， 配套的相关技术也需要进一步探索， 综合实施才 能体现高台阶扩帮的技术优势。 参 考 文 献 周楠， 王德胜， 王华， 等. 露天矿高台阶爆破的数值分析 ［J］ . 岩土力学， 2013， 34 （S1） 516-523． Zhou Nan， Wang Desheng， Wang Hua， et al. 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