拉斯邦巴斯铜矿爆破优化设计与现场试验研究

陈学松，林卫星，曹 亮，肖木恩

(1.五矿有色金属股份有限公司，北京 100044；2.长沙矿山研究院有限责任公司，长沙 410083；3.国家金属采矿工程技术研究中心，长沙 410083)

爆破是露天开采中的基础工作，穿爆成本约占露天开采总成本的20%，爆破成本直接影响着露天开采的成本，同时爆破效果也直接影响着后续作业的安全、效率与成本[1-3]。合理的爆破参数与工艺对于控制爆破成本、改善爆破效果以及提高露天开采经济效益有着重要意义，国内外学者及矿山工程技术人员就此开展了大量的工作。邹宗山等[4]通过对爆破孔网参数进行优化调整明显减少了根底和大块率，取得良好的爆破效果；孟海东等[5]通过选取合适的起爆方式、布孔方式、不断优化孔网参数、改善装药结构，对水平台阶的爆破进行优化设计，提高了爆破质量，从而提高了生产效率。倪景峰等[6]通过调整孔网参数、装药结构、连线方式等技术手段，改善了采空区塌陷爆破效果等。

中国五矿集团旗下的拉斯邦巴斯铜矿是世界最大的露天铜矿之一，目前矿区的采矿量达到5 000万t/a，由于地质条件复杂多变，矿山目前的爆破孔网参数及工艺不甚合理，矿山生产爆破效果并不理想。针对拉斯邦巴斯铜矿爆破作业中存在的问题，作者对其爆破参数及工艺开展了相关优化研究，并在现场开展了工业试验，取得了良好效果。

1 工程背景

目前矿山采用乳化炸药爆破，爆破后块度小，与矿山使用的穿孔、搬运等设备不匹配，造成爆破成本过高。基于露天台阶边坡设计，台阶设计高度为15 m，西面台阶坡面角：设计70°～80°，主要为70°，实际55°～65°。北面台阶坡面角：设计70°～80°，主要为70°，实际46°～62°，大多数为50°～60°。北东面台阶坡面角：设计65°，实际45°～65°，大多数为50°～60°。东面台阶坡面角：设计70°，实际43°～62°，大多数为50°～60°。南东面台阶坡面角：设计70°，实际53°～64°。实际台阶边坡角度小于设计值。

1.1 地质条件

邦巴斯矿为典型的矽卡岩铜矿床，矿床位于侵入岩体和钙质沉积岩体之间，矿岩的单轴抗压强度值在60～150 MPa，覆盖范围非常广，软岩、中硬岩和硬岩均有，矿岩的节理裂隙十分发育。

1.2 原台阶爆破参数

1)孔网参数

孔网参数见表1。

表1 原台阶爆破孔网参数表

2)装药结构

生产爆破为连续装药，其中矿石爆破装药长度11.5 m，堵塞4 m，废石爆破装药长度7～9 m，堵塞长度7～9 m。预裂爆破线装药密度1 300 g/m，孔口约3 m不装药，不堵塞。缓冲爆破在孔底装药约2.8～4.5 m，孔口堵塞3.5 m，其余为空气柱。炸药为重铵油炸药和铝酸乳化炸药，台车装药。

3)爆破微差时间

采用微差延时逐孔逐排爆破技术，孔间微差25～35 ms，无严格的排间微差时间，实际排间微差时间在 180～200 ms，或更大。预裂爆破较主爆区提前150～200 ms 以上。

1.3 存在的问题

1)采用乳化炸药爆破，爆破后矿石块度2.54 cm以下占30%～35%，爆后矿石块度过细，与已有大型凿岩、铲装、运输、破碎装备不匹配，导致爆破成本升高。

2)矿山目前炸药单耗矿石为0.48～0.75 kg/t，废石0.20～0.33 kg/t，相比国内矿山的0.20～0.30 kg/t值而言，仍然偏高。

3)近边坡的预裂爆破以及缓冲爆破达不到预期效果，实际坡面角小于设计要求，台阶坡面形成效果差。

2 爆破参数与工艺优化设计

2.1 炸药选型

矿山岩体整体可爆性为中等至易爆，由于爆破效果受炸药爆速的影响，在软岩至极软岩体中，爆速低的炸药更有利。因此对于无水孔可以考虑使用铵油炸药，据了解，2019年10月的硝酸铵到矿价格$440/t，乳化剂价格$520/t。因此减少乳化剂用量，爆破成本降低。然而铵油炸药比重小，装药重心高，需对设计稍作调整，但爆破工艺无需改变，不会增加爆破工作量，同时在试验中也取得了较好的效果，与乳化炸药并无太大区别。

2.2 孔网参数

孔网参数是爆破工作中影响爆破效果与爆破成本的重要因素[7]，尤仁锋[8]指出在正常的穿孔条件下，并不是爆破岩块越小越好；胡振山[9]实践结果表明在扩大孔网参数后爆破效率有较大提高，爆破质量有明显改进，炸药单耗相应降低。根据开采现场废石爆破块度较小的情况，采取扩大孔网参数来降低废石爆破成本。

将孔距与排距均在现有基础上扩大5%，进行现场试验，对试验爆破后的块度进行分析：P80(小于此块度的岩块占比为80%时对应的块度)为215、127 mm以下块度占68.7%；且铲装容易，无根底，满斗系数高，表明扩大参数是可行的，再进一步将参数增大。将排距孔距扩大10%后发现：爆破效果好，爆堆容易铲装，无根底，大块岩石变化不大，且粉岩大幅降低，块度与原爆破参数相比更加均匀。其块度分布情况为：P80为216 mm，小于25.4 mm的岩块只有9.96%，P50(小于此块度的岩块占比为50%时对应的块度)为101 mm。虽孔网参数还可以进一步增加，但由于爆破作业的复杂性，最后决定孔网参数在原有的基础上增加10%，之后在施工中根据具体情况进行相应的调整。通过扩大孔网参数，使得单位炮孔消耗量降低了15.19%～18.73%(表2、图1～2)。

表2 孔网参数优化前后对比表Table 2 Comparison table of hole mesh parameters before and after optimization

图1 孔网参数扩大5%后爆破效果Fig.1 Blasting effect after 5% enlargement of hole net parameters

图2 孔网参数扩大10%后爆破效果Fig.2 Blasting effect after 10% enlargement of hole net parameters

2.3 装药结构

空气间隔装药通过轴向空气介质不耦合装药缓冲炸药爆炸对孔壁的作用，降低初始压力及爆破应力峰值，达到降低爆破振动的目的[10]。同时因空气层的存在，致使爆破作用过程中激发产生二次和后续系列加载波的作用，从而使先前压力波造成的裂隙岩体进一步破坏[11]。空气间隔装药可有效地减小爆破振动和改善爆破效果[12]，提高炸药能量的有效利用率[13]。提高破碎率，降低大块率。减少爆破炸药单耗，提高铲运机出矿效率[14]。

目前矿山生产爆破采用的是连续装药，而大直径炮孔装药量分布不均匀，炮孔下部装药密，孔口装药量少，使得孔口位置装药量破碎效果欠佳(现用装药结构如图3中的a所示)，而如上述，间隔装药使炸药在炮孔空间上分布更均匀，爆破效果更好，爆破振动破坏更小。

a—连续装药；b—上部空气柱装药；c—中央空气柱间隔装药；d—下部空气柱间隔装药；e—岩碴间隔装药图3 装药结构示意图Fig.3 Schematic diagram of charge structure

图3b～e四个方案均为间隔装药爆破方案，采用间隔装药方案可减少装药量，节约成本，降低孔口堵塞量，降低爆破振动影响。依据工程实践经验及国内外相关案例，拟采取方案b，使每孔装药量减少2.0～2.5 m，炮孔装药量可降低18%左右，装药图如图4所示，其中缓冲孔孔径为250 mm，生产炮孔孔径为311 mm。

a—缓冲孔间隔装药；b—生产炮孔间隔装药图4 装药结构图Fig.4 Charge structure

2.4 微差时间与超深

合理选择微差时间与超深，不但有利于提高爆破效果，而且避免了根底的产生。针对矿山现状，对于硬岩、夹制小、自由面条件好的微差时间取小值，反之取大值，由于矿区岩体质量整体较差、容易破碎等原因，在设计中微差时间取较大值。对于现有的爆破方案，孔间微差时间在30 ms左右比较合理，排间微差时间控制在100 ms以内，尽量不超过120～150 ms；为保护边坡，生产孔与缓冲孔之间应加大延时，微差时间增加到原来的1.5～2.0倍；预裂孔超前于相邻缓冲孔150 ms以上起爆。另外根据岩石的坚硬程度，适当增加超深，将超深确定为1.0～1.6 m。

2.5 边坡控制爆破

预裂爆破与缓冲爆破均是能很好控制边界轮廓的控制爆破技术[15-16]，针对目前矿山台阶坡面角达不到设计要求以及台阶面形成效果不佳的问题，设计了两套爆破技术方案来达到降低爆破成本、改善坡面形成效果的目的。分别是：方案一，缓冲爆破形成边坡方案；方案二，预裂爆破+缓冲爆破形成边坡方案。

由于目前的矿山设计区域为临时边坡，服务年限仅有2～3 a，因此根据已有工程实践经验以及国内外类似矿山实例，对于稳固性较好的边坡区域采用方案一，即缓冲爆破形成方案，并根据不同的岩性采用不同的孔网参数。

对于边坡安全性相对较差的有些区域，采用爆破振动破坏小的缓冲爆破+预裂爆破[17]形成边坡。预裂孔设计为：软岩采用90°，孔距1.8 m，中硬至硬岩采用80°，孔距1.6 m，硬岩至坚硬岩采用台阶坡面倾角的预裂孔，孔距1.4 m。本设计可提高预裂孔施工效率和成孔率，降低预裂孔施工成本。

经现场试验表明，优化后的控制爆破效果较好，试验得到的台阶坡面角中心值比原爆破更接近设计值，标准差也比原爆破大幅减小，说明试验形成的台阶坡面角更接近设计，台阶坡面角的离散性更小，台阶面更平整，且缓冲爆破降低了爆破成本。与此同时还应注意，具体的控制爆破参数还应以阶段的具体岩体性质、地质条件来进行试验确定。爆破效果如图5、图6所示，爆破后形成的坡面角统计分析结果见表3。边坡控制爆破参数见表4。

图5 缓冲爆破—原预裂爆破+缓冲爆破效果对比图Fig.5 Comparison of buffer with original pre-split and buffer

图6 优化后预裂爆破+缓冲爆破效果图Fig.6 Effects of pre-split and buffer blasting after optimization

表3 不同爆破方法形成台阶的坡面角正态分布分析结果

表4 边坡控制爆破参数

3 结论与建议

1)研究和实践结果表明，在无水孔尤其是软岩地段，铵油炸药与乳化炸药爆破效果相当，但其成本更低，有利于降低爆破成本，因此可采用铵油炸药替代乳化炸药。

2)经炮孔孔网参数及装药结构优化，单位炮孔消耗量降低了15.19%～18.73%，单位炸药消耗量降低了35.82%～43.87%，单位雷管消耗量降低了16.27%～20.23%。同时，采用优化后的缓冲爆破和预裂缓冲爆破技术，露天台阶坡面角更接近设计值，台阶面更平整，对边坡稳定性起到了积极作用。

3)经测算，采用优化后的爆破工艺及参数，2020年拉斯邦巴斯铜矿可节省废石爆破直接成本753.52万美元，节省边坡形成爆破直接成本282.58万美元，合计节省成本1 036.1万美元。

4)将PVC聚能管用于预裂爆破和光面爆破是一项新技术，可以提高预裂效果，降低炸药消耗，减小爆破振动对坡面的影响，因此建议下一步在矿山试验和推广PVC聚能管聚能爆破，同时废石剥离尽量采用清碴爆破。