巴润铁矿超大区爆破方案设计与实践

师文强 顾春雷 张 波

(内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司)

近年来，大区爆破以建设速度快、劳动效率高、综合经济效益好等特点，在大型露天矿山建设和生产过程中得到了广泛应用。但是，全国大型露天铁矿数量不多，且传统的大区爆破已能够满足日常生产需要，因此增大爆区规模的爆破技术的研究与应用并未得到足够重视。在包钢集团不断增长的钢铁生产用矿需求的大背景下，巴润铁矿决定采用超大区爆破技术。超大区爆破即单个爆区爆孔数量、一次用药量、爆破范围等参数均较传统大区爆破大。为进一步提高巴润铁矿的矿石生产能力，本研究通过对大区爆破技术方案进行设计与应用。

1 工程概况

巴润铁矿位于内蒙古自治区包头市，矿区属于干燥气候区，该矿设计原矿生产能力为1 500万t/a，采剥总量为11 250万t/a。矿区铌矿、稀土、铁等多种金属共生，矿体南北宽约1 km，东西长10 km，呈向斜构造，在向斜两翼分布有南北2个矿带，相距200～500 m，由东向西开始两矿带逐渐变宽。白云鄂博西矿矿体主要产于中元古界白云鄂博群哈拉霍疙特岩组中，形态杂乱。爆区位于东采场北帮1 536段30#～37#线(图1)，岩性以白云岩、板岩和含铁围岩为主，结构致密坚固，层理和节理不发育，硬度f=8～10，爆破难易程度为中等。该爆区长度为630 m，宽度为60～150 m。

图1 爆区位置示意

2 爆破方案设计

爆破方案设计原则是最大限度的将爆区内总装药量在时间和空间上分散开，大幅降低爆破振动影响，每一排爆孔按照爆破设计的延时间隔顺序起爆，为下一排炮孔起爆创造新的自由面。此外，所在爆区的地质条件，也是影响爆破效果的重要因素之一，直接影响了爆破范围大小、爆破方法、爆破矿石总量以及爆破后的铲装作业现场环境布置等。

2.1 炸药单耗

本研究根据矿岩普氏系数、裂隙发育程度、断层控制情况确定炸药单耗，并根据爆破矿岩风化状态、弱面分布等实际情况进行适当增减[1]。爆区中已掘好的炮孔应充分考虑岩层裂隙充水因素，为避免水孔中的炸药被水浸泡失效或炸药悬浮而使得炸药重心提高，因此从安全和便于装药角度，水孔应装乳化炸药，干孔应装铵油炸药[2]。

2.2 孔网参数

爆区钻孔设备采用310牙轮钻机，故钻孔直径为d=310 mm。抵抗线W的计算公式为

W=(25～40)d.

(1)

本研究W=8～12 m。

孔距a和排距b的计算公式为

a=mW，

(2)

b=asin45° ，

(3)

式中，m为邻近系数，一般取0.8～2。

临近系数m值的大小根据矿岩性质、起爆方式、对爆破块度的要求进行确定。矿岩较坚硬难爆，应取小值，反之，应取大值。爆区矿岩较为坚硬，爆破难易程度为中等，因此m取1。根据现场环境，取a=10～11 m，b=6～8 m。

炮孔孔深h应根据抵抗线以及台阶高度进行适当调整，计算公式为

h=(0.1～0.2)W.

(4)

当岩石松软时，h取较小值；反之，h取较大值，由于爆区岩石较为坚固，且考虑到现场钻机钻杆长度为18 m，为施工方便，h=2 m。为提高成孔率、保证钻机起落和进尺安全，常将炮孔布置成垂直孔，有利于钻机穿孔作业并改善爆破效果[3]。

爆破药量Q的计算公式为

Q=kqabH，

(5)

式中，q为炸药单耗，kg/m3；H为台阶高度，m；k为各排孔的矿岩阻力作用的增加系数，一般取1.1。

经过巴润铁矿多年经验以及现场矿岩条件，岩石坚固性系数f=12，结合表1可知，相应的炸药单耗q=0.74 kg/m3。

表1 单位炸药消耗量q取值 kg/m3

2.3 布孔方式及孔网参数

爆区采用三角形布孔方式，区内岩性较复杂，穿孔深度为14 m，炮孔直径310 mm，设计孔网参数为11 m×6 m(a×b)，平均超深2 m，在爆区靠东侧区域，岩性出现明显变化，该含有少量混合矿，该部位孔网参数设计为10 m×6 m(a×b)。爆区相关爆破参数设计取值见表2。

表2 爆区相关爆破参数

2.4 起爆方式和装药结构

由于爆区规模较大，且爆区后侧已揭露的台阶岩性为碳质板岩，相较其他部位来说较不稳定，为减少单次起爆的最大起爆药量，有效降低爆破振动，确保采场边坡稳定性[4-5]，爆区设计采用高精度逐孔起爆技术进行爆破。在相同孔深和孔径的条件下，间隔装药结构的总装药量比连续装药结构小，因此也更能有效减少爆破振动。由装药结构对爆破振动影响的相关研究表明，减振效果由好至差的装药结构依次为空气间隔装药、水间隔装药和无间隔装药。根据矿山减振和降本增效需要，不同地段采用不同装药量、不同填塞长度。根据矿山地质条件等因素，爆区爆破采用连续装药结构(图2、图3)，初步设计为：①13 m区域底部装药650 kg，填塞高度6.5 m；②15 m区域底部装药800 kg，填塞高度7 m；③16 m区域底部装药950 kg，填塞高度6.5 m。

图2 炮孔装药示意

图3 爆区装药及网络连接示意

2.5 施工现场管理

(1)临近边坡钻孔。为使得爆区在爆破过后的最终边坡稳定可靠，在临近最终边坡界限处已提前实施预裂爆破，在靠近爆区最终边界处应严格控制孔底标高。

(2)临空面坡脚根底预处理。对临空面坡脚根底进行预处理可以为超大区爆破提供良好条件，根据巴润铁矿实际情况，需在爆破前采用液压破碎机配合挖掘机进行预处理。

(3)现场装药技术措施。装药前需测量炮孔中水深，对含水孔应用乳化炸药，无水孔应用铵油炸药。在装药过程中，爆区负责人应根据设计要求确保炮孔中装药符合设计要求。

(4)合理堵塞长度。为有效控制爆破飞石，应按照爆破设计要求进行炸药填塞和炮孔填塞，填塞长度一般为平均抵抗线的1.3倍。填塞过后，应用木杆逐一进行捣鼓并检查填塞质量。

(5)现场施工管理时应提前考虑到爆破后的渣滓无法及时清运外排的情况，爆破过后，爆堆除前排向前冲出外，大部分留在原地，要求爆破后不能留有根底，否则不仅会增加后期破碎费用，而且为平整场地带来困难。

(6)爆区南侧靠近边坡，施工时应严格按照设计要求控制临近边坡的孔底标高及装药结构和密度，确保边坡稳定。

(7)由于爆区面积大，故应确保导爆管连线系统稳定，多次检查后方可实施爆破。

3 爆破危害控制及防治措施

3.1 飞石安全管控

飞石是造成露天矿开采过程中安全事故的主要原因之一，同时也是超大区爆破过程中应着重关注的因素。造成飞石的原因有很多，当炮孔内装药量较多时，便会导致填塞长度达到设计要求，在此情况下，很容易出现飞石现象；当爆区中岩体结构面发育完全时，炮孔与裂隙发生贯通，并且钻孔最小抵抗线估计出现重大失误时也会造成飞石现象发生[6-7]。

综合上述各种飞石现象出现的原因，飞石预防措施主要有[8]：①采用加压砂包填堵孔口，加压砂包是露天矿爆破过程中防治飞石的有效手段之一，在孔口设置加压砂包可以有效防治飞石现象发生，可以避免因炮孔虚塞导致冲炮现象发生；②合理确定最低抵抗线位置，在爆区内抵抗线相对薄弱的位置采取措施，主要方法是堵塞岩粉，在装药前技术员应认真检查每一个炮孔，查看炮孔和裂隙以及孔与孔之间是否出现贯通现象，若出现该现象应立即堵塞该段炮孔。

3.2 爆破振动安全管控

爆破产生的振动效应也是露天矿山开采过程中造成间接安全事故的主要原因之一，严重危害了露天边坡和周边建筑物的稳定。由于地震波在传播过程中受到多种因素影响，因此，爆破地震波传播过程十分复杂。露天矿山爆破不可避免的会产生爆破振动，因此应将爆破振动控制在爆破振动危害效应影响范围内，即振速、频率以及安全距离应符合露天矿山安全标准。为减小爆破振动，可采取的措施主要有减小爆破源头单响药量、阻隔减弱爆破应力波传播、改变爆破应力波传播方向等[1,9]。

(1)爆破振动对构筑物的影响。计算公式为

RDZ=KDZQ1/3，

(6)

式中，RDZ为爆破安全距离，m；KDZ为修正系数，一般取6。

(2)对周边建筑物的安全距离。计算公式为

RZ=KZQ1/3,

(7)

式中，KZ为修正系数，一般取4。

综上分析，本研究爆破振动危害的预防措施主要有：①尽可能将爆区内的总装药量在时间和空间上分散开，限制一次爆破的最大用药量；②选择适当的装药结构，炮孔中装药结构对最终的爆破振动影响较大，一般来说，间隔装药的总装药量小于连续装药结构的总装药量，故而采用间隔装药方式有助于减少爆破振动。

4 爆破效果

4.1 爆破振动

本研究选择由TCS～B3型三轴振动速度传感器、低噪声屏蔽信号电缆和TC～4850N型无线网络测振仪组成的监测系统对该矿大区爆破振动速度进行监测。TCS-B3型速度传感器频率范围为5～300 Hz，携带方便，适用于户外监测，并可长期保存所记录的数据，使用十分方便。按照需要重点监测的边坡位置，在距离爆心180，290，345，420 m平台上共布设了4个监测点(表3)。

表3 振动测试基本参数

爆破监测数据表明：各质点的峰值振动速度为1.018 9～2.736 9 cm/s，满足《爆破安全规程》(GB 6722—2014)对于边坡保护的速度要求，小于国家标准允许的振动速度5～9 cm/s。已测出的爆破振动主频率最小为8.4 Hz，最大为20.5 Hz，可见爆破振动不会与边坡、建筑物发生共振。因此，该爆破振动不会对爆区边坡及附近建筑物造成影响。

4.2 大块率

大块率是衡量爆破效果的最主要指标，也直接影响了后续铲装作业。本研究爆破由于采用斜线起爆方式，会在先爆孔和后爆孔2个方向产生爆轰作用。采用三角孔布孔方式可以极大弥补炮孔排与排之间的应力降低从而使得破碎效果不理想的缺陷。采用毫秒微差起爆方式，可以使得分推效应大大增加，同时也使得补偿空间大大增加。根据现场资料统计，大块率约10%，可满足后期铲装要求。

4.3 爆破后冲作用

由于前排孔最先沿着自由面方向起爆，形成主动位移区，该区域为后排炮孔提供了新的爆破自由面，产生的爆力方向主要朝着自由面方向对爆区内的岩石产生破碎作用，根据现场分析，爆破后冲作用较小。

4.4 爆破成本

现场数据统计表明，超大区爆破有助于减少施工次数，减少因爆破影响周围采场作业的时间，避免爆区铲装接替不及时的现象发生。区内爆破量为173万t，消耗炸药量为412 t，炸药单耗为238 g/t，较传统爆破降低了炸药单耗10%、节约穿孔米道13%、爆破成本1.08元/t，较采场平均开采成本降低了15%。综合计算，本研究爆破施工直接降低了成本约70万元。

5 结 语

以巴润铁矿为例，为进一步提高该矿生产能力，设计并采用了超大区爆破技术方案。实践表明：超大爆区爆破有助于增加一次爆破量，减少全年爆破次数，且通过合理设置爆破参数后，不仅可以将爆破振动影响、大块率爆破后冲作用控制在安全允许范围内，还可以降低每吨原矿的开采成本，对于实现矿山企业降本增效大有裨益。