后排孔装药量对台阶爆破根块率影响的试验

张 帅 李 彬 李永华 李 涛 高淑娜

(包钢集团公司白云鄂博铁)

台阶爆破是露天采矿中重要环节，其成本约占矿山成本15%～20%，如果无法保证爆破质量，大块率和根底率会较高，有些矿山的大块率甚至高达30个/万t。根底和大块不仅影响正常的生产效率，也极大地增加了二次破碎的费用，同时二次爆破和拉底爆破容易出现飞石，存在很大的安全隐患。因此，如何减少台阶爆破产生的大块和根底成为众多采矿工作者研究的关键问题。研究表明，影响露天台阶爆破大块和根底的因素有孔距、排距、装药量、起爆方式、现场施工等[1-3]。以白云鄂博铁矿矿石区域为研究对象，通过控制后排孔装药量，分析比较出该岩性区域后排孔最合理的装药量，以减少大块和根底的产生[4]。

1 工程概况

白云鄂博铁矿位于内蒙古包头市北面150 km，矿区南部属于阴山山系，主要由近东西走向的大青山、乌拉山、色尔腾山等构成；北部包括白云鄂博、百灵庙在内为一起伏平缓的草原。在大地构造上处于华北板块北缘，狼山—白云鄂博裂谷带，属多成因的内生铁矿，矿物成分极为复杂，根据现有的各种分析测试结果，共发现71种元素。除铁、铌、稀土和普通元素外，尚有一些稀有分散元素和放射性元素。

白云鄂博由于成矿条件复杂，致使矿体不同部位形成不同元素、矿物组合及矿石类型。块状富铁矿石主要分布在主、东铁矿体中心部位，其上部过渡为霓石型铁矿石，下部与条带状萤石型铁矿石相邻，条带状萤石型铌稀土铁矿石分布在主矿和东矿靠近下盘部分，在近上盘部分亦有少量出露，这种矿石上部与块状铁矿石相邻，下部与白云石型铁矿石接触，在东矿夹有霓石型矿石。

霓石型(钠辉石型)铌稀土铁矿石分布在主矿和东矿靠上盘地段，在东矿位于钠闪石型铁矿石之上，其上与白云石型相接，在主矿分布块状铁矿石与钠闪石型铁矿之间,铁矿石硬度系数平均约14～18，其中霓石型板岩和霓石型铁矿石不仅硬度较高，而且韧性非常大，爆破难度极大，也是最容易出现大块的区域。

白云鄂博铁矿矿体走向近于东西，倾向162°，倾角为50°～74°，局部有较缓或较陡的变化，有纵、横、剪切3种节理，节理大致为东西向，发育完善延伸远，热液交代作用常沿节理产生，局部有后期岩脉侵入。横节理走向呈南北，其内多有岩脉贯入。北东、北西向剪切节理规模小，且各组节理成矿前后都有发育。

白云鄂博铁矿降水量不大，但是东、主2个采场局部都有几条比较发育的裂隙水脉，对钻机成孔、爆破施工、炸药利用率等都有一定影响；由于复杂多变的地质情况以及发育的节理裂隙，在露天爆破时会产生很多问题，其中之一就是无法完全杜绝的根底、大块问题。

白云鄂博铁矿采用KY-310型牙轮钻机穿孔，孔网参数按矿岩性质选取7 m×6 m(高磁区域)到9 m×7 m(白云岩区域)不等，中间孔装药量(乳化炸药)在900～1 100 kg。以高磁区域为例，硬度系数在14以上，单耗选0.65～1.0 kg/m3，通过计算得出单孔装药量在950～1 050 kg。台阶高度为14 m，超深为2.5 m，填塞高度在5.5～7 m。

2 后排孔对大块根底的影响

根据利文斯顿理论表明，岩石性质、炸药性能、药包质量、埋藏深度等因素是炸药在岩石中爆破时传递给岩石能量和速度大小的依据[5]。当岩石性质、炸药性能不变时，药包质量和埋藏深度决定爆破效果的好坏，即爆破块度是否合适，爆破漏斗大小是否满足要求。

2.1 预裂块和顶部大块的产生

中间孔装药量为950～1 050 kg，填塞高度为5.5～7 m，从大块的分布来看，顶部大块较少；后排孔按照经验装药在400～600 kg，当后排孔装药量过少时，填塞高度过大，一部分爆破能量会向后传播，当爆破漏斗中的裂隙区外部和弹性震动区包含后面的台阶时，会对后面的台阶形成震动破碎，形成预应力块(图1、图2)，在后面台阶推进爆破时会形成前冲大块；同时，由于填塞高度过大，爆破粉碎区很难覆盖到台阶顶部，导致顶部破碎不彻底，形成顶部大块(如图3、图4)。

图1 对后面台阶的爆破作用

图2 后面台阶预裂块

图3 对顶部的爆破作用

图4 顶部大块

2.2 根底的产生

当后排孔药柱较高时，爆破漏斗较大，相应会形成较小的坡面角α(图5)，在钻机进行下一爆区的穿孔作业时，为了保证钻机作业安全，要离开坡顶线2.5 m，这时最前排炮孔的最大抵抗线较大，进行爆破时无法全部剥离破碎，从而形成根底(图5)。

图5 根底形成部位

3 工业试验

在岩性类似的矿石区域进行爆破漏斗试验，选取的孔网参数分别为7m×6m和7.5m×5.5m，钻孔直径为310 mm，孔深为16.5 m，分别在每个爆区的后排孔中利用JZC-B2型多功能坡度尺测试后排孔不同装药量时形成的坡面角(多次测试取均值)、根底情况以及大块数量和分布位置情况。

7 m×6 m爆破试验参数见表1。爆破孔网及药量见图6。

表1 7 m×6 m爆破试验参数

图6 爆破后排孔药量

根据以往经验，中间孔药量平均在1 000±25 kg，后排孔药量在400～600 kg，试验结果见表2。

表2 试验结果

由表2得出药包质量与后冲距离和坡面角的关系，见图7。

图7 药包质量与后冲和坡面角的关系

在严格控制施工质量的前提下，孔网参数改为7.5 m×5.5 m时，与7 m×6 m时的后冲距离和坡面角差别比较小，大块数量相差不大，但是未见根底。

根据试验数据分析，当药量过多时，会在后面的台阶形成预裂块，在后期的推进中，预裂块会直接向前推出，没有破碎的过程而形成前冲大块，同时，较多的药量会形成较大的坡面角，当在后面的台阶上穿孔时，由于底盘抵抗线较大，从而形成爆破根底(图8)；当药量过少并填塞较多时，顶部岩石无法获得更多的能量，从而会在顶部出现较多的顶部大块。

图8 坡面角过小造成的根底示意

4 减少根块率的措施

针对顶部大块的产生原因，首先确定合适的药包质量，从图7可以看出，在矿石区域时后排孔的药量控制在450 kg左右相对合理；其次要保证填塞高度，在距离孔口5.5～6 m处打空气间隔器，给炸药充分的反应空间和科学的作用部位，延长了爆压对岩体的正压作用时间，可以获得更多的爆破冲击能，从而提高爆破能量的利用率，达到改善爆破效果的目的[6]。

针对根底的产生原因，首先确定科学的孔排距，结合试验数据和实际经验，确定矿石区域排距为5.5～6 m；其次，必须要保证炮孔的超深(2～2.5 m)；此外，严格的控制装药量，确定450±25 kg是合理的装药量，提高坡面角α，减小底盘抵抗线(图9)，从而减少根底的出现。

图9 大坡面角时的爆破情况

在保证科学合理的爆破设计前提下，保证现场的施工质量，确保每个炮孔都填塞到位，同时按照设计准确连接起爆网络；其次，尽量减少爆区前方的结存量，为爆破创造良好的自由面；再者，不断创新爆破技术，针对不同岩性，建立一套完整的爆破数据库。

5 结 语

针对白云鄂博铁矿矿石区域进行不同孔网参数下的后排孔药量变化的爆破试验分析，从大块和根底产生的原理上入手，得出矿石区域后排孔的最合理装药量，同时，改善填塞方式，对减少爆破大块和根底、提高露天台阶爆破质量具有积极作用。由于地质情况复杂，没有形成一套完整的适用于各类岩性的后排孔装药量数据库，后续工作仍需不断完善。