抛掷爆破与剥离台阶开采参数分析—露天矿倒堆剥离开采方法系列论文之四.pdf

第 3 2卷 第 1 期 2 0 0 3年 1月 中 国矿 业大 学学 报 J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 2 NO ．1 J a n． 2 0 0 3 文章 编 号 1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 3 0 1 0 0 2 7 0 4 抛掷爆破与剥离 台阶开采参数分析 露天矿倒堆剥 离开采方法系列论文之 四 ， 张幼蒂 ，傅 洪贤。 ，王启瑞。 ，夏松林 1 ． 中国矿业 大学 能源科 学与工程 学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．铁道科学研究院 爆破研究室 ， 北 京 1 0 0 0 8 1 ； 3 ． 神华集 团准格 尔能源有 限公 司，内蒙古 呼和浩特 ， 0 1 0 3 0 0 摘要对露天矿抛掷爆破技术的发展 、 预裂爆破及倾斜钻孔的应用、 炸药类型、 抛掷爆破参数及 预期抛掷爆破效果进行 了扼要 阐述 。露天矿倒堆剥离台阶各开采参数与抛掷爆破参数及其效果 有 密切 关 系， 对剥 离段 高 、 采宽及 剥 离工作 线 长度 的影 响 因素及 其合 理确 定也 进行 了 系统分 析 ． 最后 ， 对倒 堆剥 离条件 下煤 炭 生产储 量的保 证程度 这 一重要 问题 的特殊 性进 行 了讨 论 ． 关键词 抛掷爆破 ；剥离台阶；开采参数；生产储量 中图分 类 号 T D 8 2 4 ． 3 文献标 识码 A 1 剥离台阶的抛掷爆破 技术 深孔 抛掷 爆破剥 离技 术 ， 最 初是 2 0世纪 6 0年 代 初 期 在美 国 的 Mc C o y煤 矿进 行 了尝试 ， 该 矿 覆 盖物厚度为 1 8 ～2 4 m， 抛掷爆破能将 4 0 的覆盖 物 抛 到 采 空 区[ 】 ] ．自 2 0世纪 8 0年 代 初 ， 美 国 、 澳 大 利 亚 等 国露 天 煤 矿 先 后 采 用 此 项 技 术 ， 经 过 近 2 0 a的试 验研 究 ， 取 得 了一 些 成 果 ， 形 成 了抛掷 爆 破一 拉斗 铲 、 抛 掷爆破 一 推土 机 、 抛 掷爆 破一 电铲一 卡 车 等多种 剥离工 艺 ．目前 ， 加拿 大 、 印度 、 约旦 等许多 国家 的露天矿 也采 用 了爆破剥 离技 术 ． 抛掷爆破剥离技术要求煤层水平或缓倾斜埋 藏 ， 覆 盖 物 厚 度 必 须 大 于 1 0 m[ 2 ] ， 覆 盖 岩 石 的裂 隙、 层理不发育 ， 否则 ， 将使爆轰气体泄漏 ， 极大地 影响抛 掷效果 ， 甚 至不 能采 用抛掷 爆破 ． 1 ． 1 预裂爆 破 在露 天煤矿 抛掷爆 破剥 离过 程 中 ， 大 多采用预 裂爆破， 国外 2 0多年的经验证明其作用为 1 排 水 作 用 在潮 湿 的地 方 ， 可 钻 预裂 炮 孔 ， 先行装 药爆 破 ， 爆 破形 成 的预裂缝 具有疏 干 作用 ； 2 可 减小后 冲 ， 增加抛 掷量 ； 3 能准确界定抛掷爆破范围 ， 使边坡整齐， 增 加 边 坡安全 性 ． 经过多年实践 ， 对于常用的 2 5 0 mm预裂炮孔 间距 在 3 ～ 6 m 之 间 ， 依 岩石强 度而定 ． 1 ． 2 倾 斜钻 孔[ 3 为 了把 炮 弹 打得 远 些 ， 大炮 必 须 向上 倾 斜 ， 此 道 理 同样适 合 露 天矿 抛 掷爆 破 ． 倾 斜 炮 孔有 利 于 炸药能量在岩石中传播， 减少台 阶底部岩石 的阻 力 ， 取得较好的爆破和抛掷效果 ． 其具体优点是 1 因炸药能量 的有效利用及 台阶底部岩石阻 力和上部堵塞部位周围岩石体积的减小 ， 提高了爆 破 效果 ； 2 使 台 阶边 坡 更 加 稳定 ， 增 加 了采 场 的安 全 性 ； 3 利用倾斜炮孔 ， 可使 台阶高度增加， 取得较 好 抛掷 效果 ； 4 由 于炮孔 长度 的增加 ， 可装较 多 炸药 ， 在炸 药单耗 不变 的情 况下 ， 可增加 孔距 和排距 ； 5 抛掷距离可增大 ， 从而增大不需拉斗铲倒 堆的 有效抛 掷率 ． 钻孔倾 角 多为 7 0 。 ～8 0 。 ， 过 小 的倾 角使装 药 发 生 困难 ， 尤 其在潮 湿炮 孔 中 ， 炸药 不易 到达孔 底 ． 1 ． 3 炸药 类型及 单耗 5 ] 传统的生产爆破只是破碎覆盖物， 炸药单耗一 般介 于 0 ． 1 2 ～0 ． 3 0 k g ／ m。 多指 A NF O 之 间 ．抛 掷 爆 破 炸药 单 耗 为 0 ． 3 6 ～0 ． 6 1 k g ／ m。 ．抛 掷爆 破 一 般用高能炸药 ， 高能炸药装药密度大 ， 抛掷效果 收稿 日期 2 0 0 20 5 2 2 作者简介张幼蒂 1 9 3 4 一 男 山东省 济南市人 。 中国矿业大学教授 ， 博 士生导师 ， 从事露天开采和矿业 系统工程方面的研究 维普资讯 2 8 中国矿业大学学报 第 3 2卷 好 ．由铵油炸药与乳化炸药混合 的高能炸药应用 较 多 ， 其 中乳 化炸 药实 用 比例在 2 4 ％ ～3 0 ％左 右 ． 在潮 湿 或浅 钻 孔 等 条 件 下 ， 可 以 单 独 装 入 乳 化 炸 药 ． 采用抛掷爆破， 虽 因此 明显提 高了炸药消耗 量 ， 但由于提高了抛人采空 区的废石 比例 ， 大为减 少了拉斗铲的倒堆剥离量 ， 仍能获得明显的综合经 济效益 ．表 1为约旦一磷灰石矿在采用抛掷爆破 前后成 本 比例的 对 比 ．由表 1 可 见 ， 虽 然该 矿 因采 用抛掷爆破使穿孔和爆破的成本有所提高， 但 由于 拉斗铲倒堆剥离量大幅度减少 ， 倒堆作业成本的降 低幅度更大， 使综合成本下降了 1 2 ． 1 [ 6 ] ． 表 1 采用抛掷爆破后成本 的变化 T a b l e 1 S t r i p p i n g c o s t c h a n g e s d u e t o t he E lS e of c as t bl a s t i ng 成本项 目 作业成本所占比重／ 传统拉斗铲倒堆 抛掷爆破倒堆 1 ． 4 抛 掷爆 破参 数的确 定 - 0 ] 1 最 小抵 抗线 ．确定 最小 抵抗 线有 诸 多公 式 ， 主 要 与装 药 直径 、 岩石 物理 性 质 有关 ．下 面介 绍 两个 相对 简单 而较实 用 的公 式 最小抵 抗线 的单 位为 m ． W 0 ． 0 3 6 D E ／ dR ， 1 式 中 D 为 装 药 直径 ， mm； d 为 炸 药 的相 对 密 度 ； d 为岩石 的 相对密 度 ． 一1． 0 8 7 d ， 2 式 中 d为线 装 药密度 ， k g ／ m． 2 炮 孔 间距 a ．即确定 合 适 的 炮孔 临 近 系数 ，ma l W．一般 情况 下 介 于 1 ～2之 间 ． 3 堵塞长度 ．堵塞的主要作用是保证炸药 爆炸后爆轰波有足够 的时间对岩石进行破坏 ．实 践表明， 合理堵塞长度 一 0 ． 5 ～0 ． 7 W． 4 延 时 间 隔 t ．排 间 延 时 间 隔是 影 响 抛 掷 效 果 的一个 主要 因素 ， 延 时间 隔与 岩石 的物理 性 质有 关 ．大量现场试验表明， 排间延时间隔的合理范围 为 O ． 6 1 ～O ． 9 1 6 ms [ 9 其中 b为排距 ， 单位是 m ． 覆盖 物较 软时 ， 延 时 间隔 大些抛掷 效果 较好 ． 1 ． 5预 期抛掷 爆破 效果 从 国 外 的经 验 看 ， 抛 掷 爆 破 一 般 能 把 3 0 ％～ 6 0 ％的 岩石 抛掷 到 采 空 区 ； 有 效 抛掷 量 即不 需二 次 倒堆 量 可 达 到 抛 到 采 空 区 的抛 掷 量 的 4 0 ％～ 7 0 ％， 即有效抛掷率可达到 1 0 ％～4 0 ％． 抛掷量的 多少主要和台阶高度与采宽之 比、 炸药性能以及岩 石裂隙的发育程度等 因素有关 ． 爆破前后岩体状 态 见 图 1 ． 预 裂炮孔 抛掷炮孔 B oO A ＼ ．＼ ， ‘ 、一一，，． ‘ ． ‘‘ ． ’ ． ’ ／ ’ ／ ． ． I／ C V ． _ _ _ ． _ ‘ ． ． 图 1 剥 离台阶爆破前 后状态示 意图 Fi g ．1 St r i p pi n g b e nc h s t a t u s b e f o r e a nd a f t e r c a s t b l a s t i ng 在确 定 的 炸药 单 耗 、 排 间延 时 间隔 的 条 件下 ， 影响抛掷量的主要 因素是炮孔深度与采宽之 比 ． Mc D o n a l d等 人在 R i e t s p r u i t 露 天 矿经 过 多年 研究 得 出如 图 2所示 的结 果 L 9 ] ． ＼ 岫} 嚣 舞 炮 孔 深 厦 与 采 宽之 比 图 2 抛掷率与炮孔深度／ 采宽 的关系 Fi g． 2 Re l a t i o ns hi p b e t we e n p e r c e nt a g e o f b l a s t t h r o w a n d b l a s t d e p t h ／ wi d t h 爆后必须用推土机为拉斗铲准备好平 台， 平台 最小 宽 度 单位 为 m 为 B i 一0． 7 5 Db R A 式 中 Db 为拉 斗 铲 底 盘直 径 ， m； R 为拉 斗 铲 尾 端 回转半径 ， m； △为安 全间 隙 ， m． 例如 ， 对于 B E公 司制造的 2 5 7 0 WS型拉 斗 铲 ， 需保 证 B 。 一5 0 m． 2 剥离 台阶开采参数 如图 3所示 ， 倒堆剥离台阶主要开采参数有剥 离台阶高度 月， 剥离采掘带宽度 B和剥离 台阶工 作线 长度 L ． 图 3 剥离 台阶开采参数 Fi g ．3 M i ni ng pa r a me t e r s of a s t r ippi n g b e nc h 2 ． 1 剥离台阶高度 H 的确定 剥离台阶高度的确定 ， 应考虑以下主要因素 维普资讯 第 l 期 张幼 蒂等 抛掷爆破 与剥离 台阶开采参数分析 1 煤层顶板待剥离硬岩层厚度 ． 2 拉斗铲所能达到 的下挖深度 、 上挖高度及 卸载高度 ．受此限制 ， 美国、 澳大利亚等国实际采 用剥离高度 指拉斗铲一次行程剥离高度 一般不 超过 6 0 m． 3 钻 机最 大钻子 L 深度 ．以 B E公 司的牙 轮钻 机 为 例 ， 3 9 一 R 型 钻 机 可 用 5节 钻 杆 ， 每 节 长 1 3 ． 5 m， 则 最 大 钻 深 H⋯ 5 1 3 ．5s i n 7 5 。 一 6 5 ． 2 m； 4 9 一 R 型 钻 机 最 大 钻 深 H x 41 9 ． 8 s i n7 5 。 76 ． 5 m ． 4 剥离台阶高度的经济合理值 ．应结合拉斗 铲规 格 的选 择 进行综 合优 化[ 1 ． 5 剥离 台阶高度影响运煤系统的合理设置 ， 亦 应综 合考 虑[ 1 ． 2 ． 2 剥离采 掘 带宽度 B的确 定 综合美国、 澳大利亚、 俄罗斯等国的资料 ， 采宽 选择与采高有密切关系， 大致 有 3种情况 高宽近 等 型 ， H／ B． 1 ； 窄 采 型 ， H／ B 1 ． 实践 中 H／ B值一般介于 0 ． 7 ～1 ． 0之 间，其 中一个重要原因是国外多数矿床埋藏较浅 ， 倒堆剥 离厚度较小所致 ．随着倒堆剥离在厚剥离物中的 应用 ， 日／ B值有增大趋势 ． 采宽取值大小的利弊分析[ 1 引 1 窄采 可提高爆破有效抛掷率 ， 爆破抛入采 空 区的剥离量与 H／ B值的关系如图 2 所 示， 加大 H／ B值可明显提高爆破抛掷量的比例 ， 但炸药消 耗 量较 大 ． 2 宽采的优点是 有利于减小重复倒堆量和提 高煤炭可采储量， 当横向布置工作线时可以增大采 煤工作线长度， 减少煤的损失贫化 ． 3 对拉斗铲效率的影 响 宽采可减少拉斗铲全 程走行及辅助作业量， 但在剥离工作中回转角可能 增大或移动频繁， 需具体分析 ． 2 ． 3 剥 离 台阶工 作线长 度 L 的确定 国外拉斗铲剥离多用 于浅埋矿床， 工作线长度 达数公里甚至十余公里 ．部分矿山开采深度较大， 工作线 长度相对较短 ， 如美 国的 D r u mmo n d C o a l C o ． ，T r a p p e r Mi n e ， C o l o wy o C o ． 等 中型矿 ， 工作 线 长 度 为 1 ． 0 5 ～1 ． 5 k m， 特 大 型矿 山如 加 拿 大绕 兹尔矿 、 美 国波德河矿区黑雷等露天矿 ， 工作线 长 度 多在 2 ～ 3 k m 以 上 ． 前苏联巨型拉斗铲剥离工作线 长度 为m] 厚 矿层 1 ． 0 ～ 1 ． 2 k m， 薄矿 层 2 ． 0 ～2 ． 5 k m． 从剥采工艺角度来看 ， 剥离工作线长度由穿爆 区、 倒堆区及采煤区组成 见图 4 ． 1 穿爆 区长度 Ll 至少应满足 3 ～5 d剥离量 的要 求 ； 2 拉 斗铲倒堆作业区长度 L 按拉斗铲作业 半径范围并考虑安全距离后确定 ； 3 采煤区长度 厶．由于剥离倒堆空间的严格 限制 ， 采煤工程一般尾随剥离台阶之后进行， 尽量 不占据横向倒堆空间 ．如图 4所示 ， 采煤用横采方 式 ， 分为 2 个采煤 台阶， 上下段之问设有临时运煤 斜坡道 ， 则相应采煤区长度可以计算出 ． 图 4剥 采 工 作 线 纵 向不 慈 图 Fi g ． 4 Ov e r b u r d e n a n d c o a l wo r k i n g l i n e a l o n g l o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n 剥离工作线 长度按剥采工作线全长作业及剥 采分区作业 2 种情况分别确定 ． 1 工作线全长作业 最小工作线长度 L i L1 L2 L3 ． 3 剥离台阶工作线全长 L KL ， 可取系数 K≥ 2～ 3 ． 2 剥采分区作业 最小工作线长度 L i 一ma x{ L1 L2 ， L3 ． 4 分区长度 L 一 ， 可取 K≥2 ～3 ． 剥离 台阶工作线全长 L2 L ’ ． 进 一步确定 L值应该考虑 以下因素 1 上部 台阶卡车内排运距 L愈大 ， 内排运距愈大 ； 2 露天 矿基建工程量 L愈大， 基建量愈大； 3 煤产量均衡 保证程度 愈大愈有利 ； 4 工作线推进速度 及 其对设备作业的影响 在一定 的生产规模下 ， L愈 大， 愈小 ， 拉斗铲、 胶带等的移设量相应愈小 ； 5 进一步增产 的要求 L愈大， 采场增产的潜力愈大 考虑前 2项因素， 宜取较短 的工作线 长度 ， 而 后 3项因素则要求取较长的工作线长度 ， 因此应根 据矿山具体条件权衡确定 ． 3 关于煤炭 生产储量 由于倒堆剥离开采方法的特殊条件 ， 对传统开 采方法煤炭可采储量 如原煤炭工业部关于“ 二量” 维普资讯 3 0 中国矿业 大学学报 第 3 2卷 的 规定 的要求 很 难 达 到 ， 也没 有 必要 按 照 一 般露 天矿 的条 件去勉 强套 用 ． 为 了保证 矿 山外运 商品煤 的持 续稳 定性 ， 采用 拉 斗铲 倒堆 剥 离 的矿 山可 采取 下 述 措施 保 证 足够 的煤炭储 量 1 取较 大 的采掘带 宽度 ．如 剥离段 高 2 7 5 3 m， 采宽 可达 5 7 8 0 m L l ． 俄 罗斯 专家 提 出 了采 宽 达 1 5 0 m， 拉 斗铲分 两趟 采掘 的方 案l 1 ． 2 取足够大的矿坑工作线长度 ， 以保证采煤 区长度及相 应 的煤炭 可采储 量 ． 3 设 置大容 量地 面储 煤 仓 ．如美 国黑 雷露 天 煤 矿 生 产能 力 逾 6 0 Mt ／ a ， 分 为 4个 露 天 坑 ， 每 坑 工作线长度在 3 k m 以上 ， 地面储煤仓容量 9 0万 t ， 地面储 煤 量连 同 坑 内煤 炭 可采 储量 ， 煤 炭生 产储 量 相 当于 4 0 d的煤产 量 ． 参 考 文献 [ 1 ] [ 2 3 [ 3 ] [ 4 3 Ed i t or s ． Ef f i c i e nt s t r i p p i n g，n e w wa s he r。bu i ld ma r k e t s [ J ] ．C o a l Ag e ，1 9 6 2 ， 6 7 5 6 4 6 7 ． Lu d wi c z a k J T．Bl a s t c a s t i n g，D o n ’ t l e t i t c a r r y y o u a w a y [ J ] ．J E x p l E n g ，1 9 8 5 ， 3 1 2 0 2 2 ． C h i r o n i s N P ．A n g l e d d r i l l i n g a i d s c a s t i n g [ J ] ． C o a l Age，1 9 84，89 1 6 4 6 7． Tr a c y J M ．I n c r e a s e d p r o d u c t i o n t h r o u g h c a s t b l a s t i n g i n s u r f a c e c o a l mi n e s [ J ] ． J E x p l E n g ， 1 9 8 5 ， 3 3 1 6 一 Z3 ． [ 5 ] C h i r o n i s N P ．B l a s t c a s t i n g p a y s o f f a t A v e r y [ J ] ． Co a l Ag e，1 982， 87 1 140 43． [ 6 ] T a g i e d d i n S A．Ap p l i c a b i l i t y o f b l a s t c a s t i n g t e c h n i q u e i n s t r i p mi n i n g p h o s p h a t e r o c k [ J ] ． E n g i n e e r i n g G e o l o gy，19 9 2， 3 2 1 2 7 13 9． [ 7 ] C h i r o n i s N P ．C a s t i n g o v e r b u r d e n b y b l a s t i n g [ J ] ． Co a l Age。1 9 80，8 5 5 1 7 2 1 80 ． [ 8 3 C h i r o n i s N P ．S p i c e d u p ANF O mi x t u r e l e a d s t o s u p e r b l a s t s f o r c a s t i n g [ J ] ．C o a l A g e ， 1 9 8 4 ， 8 9 5 5 2 5 5 ． [ 9 ] G r i p p o A P ．H o w t o g e t m o r e c a s t p e r b l a s t [ J ] ．C o a l Ag e，1 9 84， 8 9， 1 2 63 6 9． [ 1 O ] 张幼蒂 ， 郭昭华 ， 杨 云浩 ， 等 ．倒堆剥离拉 斗铲规格 选择 露天矿倒堆剥离工艺 系列论 文之二 [ J ] ．中 国矿业大学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 1 5 3 4 1 3 4 3 。 [ 1 1 ] 尚 涛 ， 张幼 蒂 ， 李 克 民， 等 ，露天煤 矿拉 斗铲倒 堆 工艺 运煤系统 的优 化选择 露 天矿倒 堆剥离 开采 方 法系列论文之三[ J ] ．中国矿业大 学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 1 6 57 1 5 74 ． [ 1 2 ] Ma r t i n R L，Ki n g M G．T h e e f f i c i e n c i e s o f c a s t b l a s t i n g i n w i d e p i t s [ J ] ．C o a l ， J u n e ，1 9 9 5 3 3 3 4 ． [ 1 3 ] 中国矿业 学院．露天采矿手册 第 四册 [ M] ， 北京 煤炭工业 出版社 ， 1 9 8 9 ． 3 9 5 4 8 2 ． [ 1 4 ] K o 3 a o B 1 0 C ， 1 1 C E H K O J d 1 ． T e C X e M a o T p a 6 O TK I F o p 14 3 O H T a g l bH b I X 14 H O B O V H X y F O ．r 1％Hb l X I I ．r l a C T O B O f l,H l l M； l p a r a n H o M [ J ] ．y r o a s ，1 9 9 3 9 3 8 4 1 ． Ca s t i n g Bl a s t a n d An a l y s i s o f M i n i n g Pa r a me t e r s o f S t r i p p i n g B e n c h Te c h n i c a l p a p e r s e r i e s f o r o p e n c a s t me t h o d i n s u r f a c e mi n e s Ⅳ Z HANG Yo u d i ，F U Ho n g x i a n 。 ， W ANG Qi r u i 。 ，XI A S o n g l i n 。 1 ． Co l l e g e o f Mi n e r a l a n d En e r g y Re s o u r c e s ，CUMT，Xu z h o u， J i a n g s u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a ； 2 ． Bl a s t Re s e a r c h Di v i s i o n，Ra i l wa y Re sea r c h I n s t i t u t e，B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ，Ch i n a ； 3． Sh e nhua Gr o up Zh un ge e r En e r g y Co．Lt d，Huh e ha o t e，I n ne r M on g ol i a 0 1 03 00，Chi na Ab s t r a c tTh e d e v e l o p me n t o f c a s t i ng b l a s t t e c hn i qu e i n o p e n c a s t mi n e s，t he a p pl i c a t i o ns o f p r e s pl i t t i ng b l a s t a n d i n c l i ne d d r i l l i n g t e c hn i q u e，t h e t y p e s o f e xp l o s i v e，t he p a r a me t e r s o f c a s t i n g b l a s t a n d i t s pr e d i c t e d c a s t i n g r e s u l t s we r e i nt r o du c e d．Th e mi n i n g p a r a m e t e r s o f a s t r i pp i ng b e n c h s u c h a s i t s he i g h t，c u t wi dt h a nd wo r k i ng l i n e l e n gt h，c l o s e l y r e l a t e d t o t h e p a r a me t e r s a n d r e s u l t s o f c a s t i n g b l a s t ，a s we l l a s t h e i r i n f l u e n c i ng f a c t o r s a nd r a t i o n a l d e t e r mi n a t i o n we r e a n a l y z e d．I n a dd i t i o n，c o a l pr od u c t i o n r e s e r v e s i n o p e n c a s t mi ne s a s a s pe c i a l pr ob l e m we r e di s c u s s e d． Ke y wo r ds c a s t i n g b l a s t ；s t r i pp i ng b e nc h；mi ni n g p a r a me t e r ；pr o du c t i o n r e s e r v e s ①神华集团准格尔能源有限公司 ．赴加拿大、 美国露 天煤矿考察报告[ R ] ． 2 0 0 2 ． 责任编辑付国彬 维普资讯