紫金山金铜矿露天采场爆破参数优化

王国标 何 维 胡少华 王福缘

(紫金矿业集团股份有限公司)

台阶爆破作为露天矿山开采重要工艺环节，爆破效果直接关系到后续工序进展。中深孔爆破技术在露天台阶爆破中应用较广泛。通过与类似矿山的爆破数据对比，结合爆破漏斗理论可以得到其主要的爆破参数范围，然后在实际生产中逐渐改变爆破参数，以确定最优爆破参数。不同的矿山，甚至是同一矿山，其地质条件、岩石性质以及水文地质条件也会因矿体分布的不同千差万别，这将增加矿山合理爆破参数确定的难度。

紫金山金铜矿位于福建省上杭县城北15 km处，处于华南褶皱系东部，东南沿海火山活动带的西部亚带，北西向云霄—上杭深断裂带北西段与北东向和复背斜南西倾伏端交汇处，紫金山复式岩体中部。矿体呈不规则的密集平行脉带产出，在剖面上呈右形侧列分布，矿体呈“叠瓦状”斜列，形成自北东端矿体从标高928 m向南西端降至标高-200 m以下的侧伏形式，侧伏角为15°～35°。矿体形态多为简单-复杂透镜体，少部分呈脉状、似板状。5个主要矿体多为不规则大透镜状，次为不规则板状体，分板复合明显。矿体产状比较稳定，总体走向320°，倾角为5°～46°，上陡下缓。采用高陡边帮开采，年采剥量为3 300万m3左右。

目前，露天采场最高作业标高为784 m，最低为544 m，高差为240 m，作业平台点多面广，岩性分布复杂，采用汽车-露天溜井-井下机车运矿系统，对露天爆破矿石块度具有较高要求。随着金矿逐渐闭坑，铜矿不断揭露，地质岩性不断变化，以往沿用的爆破参数已不能满足现有生产对爆破质量的要求。大块及底根多、块度不均匀等现象普遍，对铲装效率及溜井下矿质量控制造成不利影响，且大幅增加后期的二次处理费用，制约平台推进。因此，如何调整现有爆破设计，在经济合理前提下改善爆破效果，成为亟待研究的问题。

1 矿区地质概况

紫金山矿床属上金下铜大型斑岩成矿系列、次火山高硫中低温热液矿床，呈垂向倾斜分布。矿床工程地质条件属坚硬-半坚硬块状岩类为主、局部夹薄层软弱岩石的简单类型，划分为完整坚硬岩组、完整半坚硬岩组、破裂半坚硬岩组和软弱松散岩组4个工程地质岩组。

铜矿床赋存于潜水面下部的原生带中，为隐伏矿床。铜矿体埋深大，大部分埋藏于640 m标高以下的弱风化带及原生带中，裂隙发育程度逐渐变弱。铜矿体与顶底板围岩性质相同，主要为中细粒花岗岩(占0.81，单轴抗压强度σc=26.5～141.9 MPa，岩石质量指标RQD≥75 %，属完整硬岩类)，次为隐爆角砾岩(占0.15，单轴抗压强度σc=88.6～95.9 MPa，岩石质量指标RQD≥50 %～70 %，属完整半坚硬岩类)和少量英安玢岩(占0.04，单轴抗压强度σc=31.1 MPa，岩石质量指标RQD≤50%，属软弱松散岩类)。除少量英安玢岩及构造破碎带外，上述矿岩质量指标RQD值一般均大于75 %，矿岩稳定性好，矿石自然类型主要为原生矿、不结块、不自燃。铜矿床及爆区具有以下特点：

(1)铜矿床赋存岩性为中细粒花岗岩，围岩蚀变主要为硅化、明矾石化和地开石化。

(2)矿石均为原生矿石，金属矿物主要为蓝辉铜矿、少量铜蓝及黄铁矿，脉石矿物以石英为主。

(3)部分炮孔内赋存有基岩裂隙沉积水，对爆破作业具有一定的影响。

(4)爆区构造裂隙发育较差，为完整坚硬的工程地质岩组，单轴抗压强度为113.7 MPa，坚硬系数为11.37，岩体质量等级为优。

2 岩体可爆性分级

岩体的可爆性是指其在炸药爆炸作用下发生破坏的难易程度。在台阶炮孔爆破过程中，除炸药爆炸性能、自由面条件和爆破技术参数外，岩体的可爆性是影响爆破破碎效果的重要因素[1]。但目前可爆性的确定一直是个难题，它是岩石本身物理力学性质和炸药参数、爆破工艺、装药结构、起爆方式等的综合效应，相互之间既有内在联系，又受外因控制，有明显的因果关系[2-3]。

目前，国内岩石可爆性分级方法有岩石爆破性经验公式[4]、回归分析、模糊综合评判[5]、灰色关联度分析[6]及普氏系数[7-8]等。根据相关资料[9]，结合矿山实际，考虑岩石破坏形式，将岩石可爆性分级指标分为岩石抗压强度σc、岩石抗拉强度σt、岩石内聚力c、弹性模量E，岩石质量指标RQD。前四个指标反映了岩石的力学性质对其可爆性的影响；而岩石质量指标RQD是岩石完整性质量的体现，其值主要受岩石物理力学性质、岩石的组成成分以及结构面等工程地质条件的影响。所以，岩石质量指标RQD能够综合反映爆破条件。

根据矿山地质资料并结合岩石物理力学性质调研，选取的试验区为花岗岩型硫化铜矿石，抗压强度为113.7 MPa，属完整坚硬的工程地质岩组。因此，其岩石可爆性为Ⅳ类，属难爆岩石。

3 爆破优化

紫金山金铜矿露采台阶高度为12 m，穿孔设备多为φ165 mm、φ152 mm潜孔钻机，钻凿75°倾斜孔，属中深孔台阶爆破。优化前一直沿用以往的经验参数，未根据矿、岩的地质岩性不同而有所区分，造成大块、底根多，爆破效果不理想。一般工程经验认为,缩小孔网参数以提高炸药单耗对改善爆破效果具有积极作用。为解决上述问题，决定根据矿、岩性质不同，采用不同的孔网参数，即铜矿区域缩小孔网参数，提高单耗，减少大块率的同时增大小块度矿石占比，以破代磨，提高铲装效率及溜井下矿质量；而为平衡整体炸药消耗，控制爆破成本，在渣区域扩大孔网参数，降低单耗，将爆破块度控制在可接受范围且不对铲装效率造成太大影响。

3.1 场地选取

本次试验研究分两阶段进行。首先，铜矿选取604 m西北部及628 m中部区域作为试验场地，渣区域选取640 m西及700 m北，场地见图1；然后，在阶段一基础上进行深化研究，选取较优参数，并在不同区域进行适用性试验。

图1 试验区域分布

3.2 试验参数确定

铜矿区域：优化前铜矿普遍采用孔排距为6.5 m×5 m(a×b)，单耗控制在0.45～0.47 kg/m3。现拟采用2个试验方案，方案一为5.8 m×4.7 m(a×b)，单耗为0.50 kg/m3；方案二为5.5 m×4.5 m(a×b)，单耗为0.55 kg/m3。通过试验对比，选取较优方案。

渣区域：渣区域孔网参数及单耗优化与铜矿近似，现将孔网参数调整至6.8 m×5.7 m(a×b)，单耗为0.35～0.36 kg/m3，并根据实际爆破情况适时调整。

2016年紫金山金铜矿露采综合采剥比为0.82，由于金矿爆破参数与铜矿相近且总量较少，剔除其影响，调整孔网后，整体炸药消耗总量与原有基本持平，参数调整符合优化目标。

3.3 现场试验

3.3.1 阶段一

为提高对比效果，增加未优化参数的2排对比爆堆(604 m西北197及213爆堆)。现场试验爆堆共计6排，其中铜矿区域为2排单耗0.50 kg/m3(604 m西201爆堆及628 m中541爆堆)，2排单耗0.55 kg/m3(604 m西207爆堆及628 m中544爆堆)；渣区域为1排单耗0.35 kg/m3(700 m北832爆堆)，1排单耗0.36 kg/m3(640 m西1174爆堆)。现场爆堆参数统计见表1。

3.3.2 阶段二

在阶段一所得结果基础上进行深化试验，对比爆堆新增628 m中北及796 m中北，合计2排；铜矿试验新增0.55 kg/m3单耗3处，分别为628，676及796 m中北，合计7排，其中3排采用前排孔间隔装药爆破；渣试验新增0.32～0.33 kg/m3及0.30 kg/m3单耗6处，分别为676及652 m北、604及592 m西北、772及628 m北，合计8排。现场爆堆参数统计见表2。

表1 阶段一现场试验爆堆参数统计

表2 阶段二现场试验爆堆参数统计

4 爆堆块度统计分析

运用摄像法原理统计爆堆块度，采用Powersieve3 Fragmentation Analysis软件进行计算分析，得到爆堆综合大块率值及整体块度分布情况，铜矿区域主要采用此方法进行爆堆分析。渣区域均为废石，无经济价值，因此,简化试验流程，通过统计爆堆特大块及底根的情况作为判别爆破效果好坏的依据，而不进行相关爆堆块度的详细统计分析工作，此方式能满足优化要求。

4.1 软件参数设置

Powersieve3 Fragmentation Analysis为Orica公司研发用于爆堆块度分析的专用软件，通过导入爆堆切面图，并人工圈定图片中大块，后采用灰度图像识别技术统计图片中块度的分布情况，并按照预先设定的识别尺度递增值进行统计。此次试验识别尺度递增值设置为0.05 m，大块尺度按溜井下矿要求设置为0.80 m。

4.2 图形拍摄

根据现场铲装实际，爆堆拍摄采用直径固定的篮球做参照，以每隔5 m的间隔拍摄爆堆斜切面图。拍摄推进方向及现场实拍见图2、图3。

图2 铲装推进方向及爆堆拍摄斜切面

图3 现场拍摄照片

4.3 图形处理

图形处理步骤如下:

(1)大块及粉矿圈定，见图4。

图4 爆堆切面图大块及粉矿圈定

(2)计算机块体粒度分析计算，得出切面块体尺度，见图5。

(3)软件自带统计系统，得出切面爆堆块度占比分布，见图6。

图5 切面块体尺度

图6 切面块度占比分布

(4)软件根据统计结果自拟合得出切面块度占比直方图及Rosin-Rammler拟合曲线，见图7。

4.4 铜矿区域结果分析

铜矿区域各爆堆处理结果见表3。

表3 铜矿区域各爆堆块度分析结果

4.4.1 阶段一试验分析

(1)相同平台不同单耗对比。604及628 m平台不同单耗对比情况见图8、图9。可以看出，随着试验爆堆单耗的提高，大块率呈下降趋势，同时粉矿比例及小块度矿岩占比明显提高，604平台试验爆堆大块率最大降幅为3.2%，628平台大块率最大降幅为1.0%；小块度矿岩占比方面，604平台最大增幅20.5%，628平台最大增幅27%。试验爆堆整体爆破效果较好。

图8 604 m平台不同单耗Rosin-Rammler拟合曲线×—604B201-0.5；+—604B207-0.55；■—604B197-铜矿对比；▲—604B213-铜矿对比

图9 628 m平台不同单耗Rosin-Rammler拟合曲线×—628B544-0.55；■—628B541-0.5

(2)相同单耗不同平台对比。单耗分别为0.50及0.55 kg/m3时，不同平台的对比情况见图10、图11。可以看出，单耗为0.50 kg/m3时，在不同地质情况下爆堆块度分布情况波动较大，而单耗为0.55 kg/m3时，爆堆整体分布情况较为稳定，不同区域块度Rosin-Rammler拟合曲线基本重合。同时，从表3数据中也可看出，单耗0.55 kg/m3整体爆破效果比单耗0.50 kg/m3更好，说明适当提高单耗对爆破效果具有积极的作用。

图10 0.50 kg/m3单耗不同平台Rosin-Rammler拟合曲线×—604B201-0.5；■—628B541-0.5

图11 0.55 kg/m3单耗不同平台Rosin-Rammler拟合曲线×—604B207-0.55；■—628B544-0.55

(3)对比爆堆与试验爆堆对比。不同单耗不同平台的对比情况见图12。可以看出，试验爆堆较对比爆堆爆破块度分布及小块度占比方面有较明显优势，整体爆破效果更好。试验爆堆的横向对比中，单耗0.55 kg/m3的爆破效果优于单耗0.50 kg/m3的爆堆，且两者均优于对比爆堆。

图12 不同单耗不同平台Rosin-Rammler拟合曲线×—604B201-0.5；+—604B207-0.55；■—604B197-铜矿对比； ▲—604B213-铜矿对比◆—628B541-0.5；▼—628B544-0.55

4.4.2 阶段二试验分析

阶段二3排爆破采用前排间隔装药形式，即单炮孔双火头，中间岩粉间隔，将装药高度在安全范围内适当上抬，能提高装药高度，理论上有利于上部岩石的破碎。从现场爆破效果看，在一定程度上确实能减少上部大块的出现，但从表3结果中可明显看出，3排采用间隔装药的试验爆堆大块率分别为3.1%、1.8%及4.6%，高于采用连续装药的试验爆堆，整体爆破效果并不理想，粉矿率结果尚可，但大块率相对较高，故放弃此优化方向。

664 m中北为紫金山金铜矿露采高铜区域，岩性较坚硬，岩体倾向北东—南西，总体为水平层状分布岩层，常年富含裂隙水，裂隙方向与爆破抛掷方向相同且水平倾角小(顺层软弱结构)，导致爆破产生的高温高压气体沿岩体裂隙提前逸散，能量利用率低，故达不到很好的破岩效果，需在之后的工作中进一步试验，但总体大块率在可接受范围。

其他铜矿作业区域，如604、628及676 m平台整体大块率低，小块度占比较高，爆破效果较好。

4.5 渣区域试验结果

由于渣区域爆破后爆堆直接装车外排，不需要详细的爆堆块度分布情况，仅需统计影响挖机作业的特大块及底根，并以此作为爆堆效果好坏的判别依据，因此，不在Powersieve软件中进行块度分析。现场统计结果见表4。

从现场试验统计结果可知，渣区域采用 6.5 m×5.5 m(a×b)孔网参数，单耗控制在0.36～0.38kg/m3时，爆堆无特大块，可正常铲装，设备效率不受影响；采用6.8 m×5.7 m(a×b)孔网参数，单耗控制在0.34～0.36 kg/m3时，爆堆铲装亦不受影响；当孔网参数扩大至7 m×6 m(a×b)，单耗降至0.32～0.33 kg/m3时，从统计的3个爆堆情况看，特大块偶有出现，存在部分底根，但不影响设备的铲装作业，实际效果在可接受范围；当采用6 m×5 m或7.5 m×5 m(a×b)孔网参数，单耗下探至0.30 kg/m3时，爆堆中出现较多特大块及底根，已影响设备的正常作业。

表4 渣试验区域爆堆统计结果

注：此处特大块指块度大于1.2 m的岩石。

从现场统计效果看，渣区域采用7 m×6 m(a×b)的孔网参数，单耗控制在0.32～0.33 kg/m3，在爆破效果及生产效率上能达到一个较好的平衡点。

5 结 论

(1)针对露采不同矿、岩地质条件，采用不同的爆破参数，适当提高矿石区域单耗，降低渣区域单耗，在不增加整体爆破成本的前提下，对控制露采爆破效果，以破代磨，提高整体设备作业效率，降低采选成本具有积极的意义。

(2)阶段一试验表明，铜矿区域采用5.5 m×4.5 m(a×b)孔网参数，单耗0.55 kg/m3，较其他方案得到更好的爆破块度分布结果，大块率控制效果好。

(3)阶段二进一步验证了阶段一的结果，同时排除了间隔装药结构方案，确定采用连续装药结构；而渣区域采用7.0m×6.0 m(a×b)孔网参数，单耗0.32～0.33 kg/m3，大块率及底根情况均在可接受范围，且不影响生产，符合优化目标。