摘要：
建国矿业工程有限公司矿区中深孔台阶爆破存在着大块率和根底产出率偏高等问题。为此,公司爆破小组针对生产中出现的该问题进行了原因分析,对爆破理论进行深入的理解，以此对布孔参数做更进一步的优化；采用适当延迟时间逐孔起爆、改变原有装药模式并在整个采石作业流程中采取「严格施工、科学管理」等措施,并由最终的数据统计综合研究中证明本研究所采取的措施有效。
关键词：中深孔爆破；中继药；大块率；根底产出率
1．前言
现阶段爆破理论受限于现场各种变数诸如岩石及地质参数、炸药/雷管特性、布孔设计参数等，故矿山从业人员大多使用经验公式判断，很多经验仅仅适用于某一种个别矿山条件，难以分析归类找出内在原因，而对其它矿山爆破作业缺乏指导意义。故针对某个矿山爆破参数的确定，需要根据其岩层特性，地质条件等多方因素并不断实验总结才能得到比较合理的数值，特别是在矿场建立之初，盲目抄袭他人参数而不因地制宜加以改进，会导致综合成本增加，影响矿山正常生产作业效率。
本次优化爆破实验是在公司某矿山进行，该矿山设计年产1100万吨石灰石的水泥矿山，供应4条干法水泥生产线。由于采矿进度及岩层的变化，原有布孔方式已经不适用当前条件，造成根底增多，大块率上升，破碎锤的使用率增加，在采台整平上面所耗用的成本剧增，在此情况下公司爆破小组对目前爆破模式进行了优化并取得了良好的预期效果。
2.存在问题
目前公司大块标准规定为任意相互垂直的两向最大尺寸不超过800mm，这是由破碎机进料口允许的最大矿块尺寸(1000mm)做出的限定标准。本公司A与B矿区在开采过程中不可避免遇到大块和根底等问题；大块和根底的存在不仅严重影响铲装机械效率，加速设备磨损，同时需二次破碎，影响工作面的其它作业，威胁人员和设备的安全；爆破开挖完上层后，在钻爆下层时，碰到了台面不平整的问题，有的地方因上层爆破残留根底而形成高突出的硬埂，钻机搁置不平，也影响钻孔准确度，装运效率以及增加机械的磨损,在雨季由于炮孔含水可能影响爆破效果，以及人员操作过程不够规范仔细，导致根底(toe problem)频繁产出，同时背裂严重影响增加了布孔的难度，采台的正常推进。
3.爆破理论根基
3.1岩石破碎机理
通过对传统爆破理论中岩石破坏机理的仔细研究与多年来从事爆破工作的理解，对破岩机理大致分为三个阶段。
第一阶段：压应力波以大约3000—6000 m/s的速度在岩体中传播，导致岩体发生压缩性破坏并形成压碎圈；
第二阶段：压应力波所造成的爆破波(detonation wave)传向各个方向与速度等于声波速度的岩石材料。当压应力波传向自由岩壁，便返回拉伸应力波，导致受拉应力的岩石产生破碎，如果能源的冲击波是足够大的，并且孔距﹑排距﹑孔深﹑抵抗线﹑超钻深度﹑孔径等参数与岩石的地质状况满足一定的关系，便会达到理想的爆破效果；
第三阶段高压气体的引爆穿透裂缝便会扩大第二阶段的体积，当能量有剩余时便产生抛掷作用，产生理想的爆堆(muck pile)；
3.2背裂原因
针对背裂的原因，在王甲见之《工程岩石爆破理论假说》，其举例预裂爆破来说明背裂是由于反射回来的拉脉冲过大，将预裂面拉坏，而不是因为抵抗线的原因，因为文章里面岩层较厚的预裂面平整完好，而较薄的却有一定程度的损坏。如果是气体的作用，那么按照力的作用是相互的，高压气体在推出更厚岩石时，对预裂面作用力更大，预裂面应该更容易破碎才对。文章由此得出在气体作用之前，预裂面已经形成。本公司曾在实际爆破作业中，对爆破背裂严重地方，无法正常布孔，而必须加大抵抗线的做法，造成结果是爆堆抛掷效果不佳，但是背裂却极严重。
预裂爆破由于药量小，采取不耦合的方式装药，它并不要求将前面岩石推开，只要求能形成一条贯通的裂缝就可以，故即使完全爆轰高压气体的相互作用也很小，不足以对预裂面形成较大破坏。而岩层厚度较小的地方高压气体的对预裂面的作用力就更小的多，它之所以形成破坏是因为抵抗线小，反射拉脉冲大，故预裂面是由于拉脉冲作用形成的。
本公司的爆破是抛掷爆破，药量大，要求爆堆有一定推移距离以利于铲装，故发射冲击波要是未能将岩石得以比较充分的破碎，巨大的作用力将会使得背裂非常严重的，若过度破碎，不但也会造成背裂，还会产生大量的飞石。所以在露天采矿中，要求台阶面平整、台阶美观是比较困难的。
通过分析，我们可以针对背裂得出这样的结论：背裂产生原因有二：一，抵抗线小，反射拉脉冲太大，将采台预留面拉裂；二，抵抗线过大，气体反作用力将预留面破坏。
4.主要措施
根据上述存在的问题该公司爆破小组积极采取应对措施，规范并优化爆破作业流程，降低大块率和根底产出率；归纳起来有3点措施：1.合理设计、2.科学管理、3.严格施工。
4.1 合理设计
4.1.1选择合理的爆破参数
针对A与B不同的矿山实际情况，在分析岩性和岩层地质结构的基础上，设计出了如下表1所示的优化爆破参数。
表1 爆破优化参数
4.1.2选择合理的毫秒延期时间
公司采用山东威海ORICA生产的系列毫秒延期雷管，提高了起爆精度，达到逐孔起爆的目的。ORICA非电起爆网路采用“孔内同段,地表分段”的方法,孔内非电雷管均为400 ms,地表非电雷管段别选取视地质情况和设计要求而定,当爆破设计以抛掷为主要目的时,控制排孔与孔之间的延期时间取大值,以破碎为主要目的时取小值；依据ORICA炸药公司提供的研究结果:「对于孔距间的炮孔延迟时间，必须按照每米2-5ms的延时来设计，对于排距间的炮孔延迟时间，必须按照每米8-15ms的延时来设计」，目前本公司采用ORICA之17ms、25ms、42ms三种延期时间的地表非电雷管。根据长期的实验得到的表面延期时间经验值如下图1所示。
图1 表面延期时间经验值
4.1.3选择合适的装药结构
矿场选用条状乳化炸药作为起爆药包，铵油炸药为主要炸药类型，根据大量的实验将原有装药模式进行了改进，有效降低了大块率和根底产出。尤其是底部添加乳化作为起爆药，减少了根底的产生；药柱中间增加乳化能很大提高药柱整体的爆炸威力，特别是有助于使中上部炸药爆轰，破碎岩石。具体优化装药结构模式对照如图2。
原设计模式优化模式
图2 优化装药结构图(钻孔角度为75o)
4.2 科学管理
公司从08年开始推行标准化作业流程（Standard operating procedure，SOP），通过与公司优秀的管理干部与现场操作员工长期的沟通与总结，制定出来适合公司目前各个矿场的采运标准化作业流程，包括「爆破设计、爆破作业管制、爆炸物品领用运搬、装药爆破、钻孔、铲装、二次破碎、卡车、洒水车洒水、油车加油」等10余项囊括石灰石露天矿山生产的主要采运作业流程SOP。
在创建数字化矿山这个层面公司作出了不懈的努力，通过建立采矿生产管理与分析系统、WorkFlow ERP系统对各生产环节严格管控，通过矩阵式管理使得制定的标准化作业流程得到落实，保证了爆破优化设计在矿场严格的实施。对优化取得的成果，目前从直观的大石率与根底现象，到铲装效率与采运综合成本分析进行严格的管控。
公司对大石率的管控通过现场进行二次破碎的破碎锤操作手对不符合规定的大块进行技术统计，爆破实验的场次通过现有的大石率分析软体（SPLIT ENGINEERING）对爆堆进行数字化分析与校正，图3为该软体分析在A矿山某实验优化场次得出的大石率分析结果。
图3 单场爆破大石率分析结果图
图3 单场大石率软件分析图
由此图可以看出，优化后的爆破大石率有明显的降低，15英寸以下占到98.49%，大块率在1-2%，达到预期效果。根底产出率的统计采用体积法计算，其计算模式为下式。
图4
Vi — 根底体积，由二次爆破统计资料提供；
n — 出现的根底次数。
4.3严格施工
根据爆破设计的要求，以及公司长期以来在矿山施工过程中追求精益求精的精神，爆破小组与现场管理人员对整个作业流程严格按照采石作业SOP执行，确保在安全生产的前提下，优化的效果在生产过程中得到充分体现，具体表现在下面七个方面：
1.精确测量采台高度：运用全站仪对采台高度精确测量，掌握各采台的高度以及同一采台不同点位的高差，帮助设计最合理的钻孔深度；
2.精确布孔：根据设计的布孔模式，精确布孔，在不规整的采台适当添加炮孔保证爆破质量，两侧炮孔对钻孔方向和角度做微调减低
3.量测炮孔：每钻完一孔测量实际孔深，不足的补足深度、超深的回填，并做好炮孔防水工作；在装药作业之前再次量测各炮孔深度、是否有积水、积水深度；
4.洗孔：在雨季炮孔常有地表渗透所产生的积水，为防止根底的出现，对有积水的炮孔严格采用钻机压缩空气吹孔将积水排出，对积水过剩洗孔不能彻底解决积水的炮孔则在底部增加防水性能良好的乳化炸药；
5.装药模式：针对设计装药模式改变的部分，严格使用量测竹竿进行中部添加中继乳化炸药这种混合装药模式，并且通过竹竿的量测精确中继药包的放置高度与装药长度；
6.填塞：严格控制填塞长度，并且较以前模式缩减了填塞长度，增加了炮孔利用率，在操作过程中严把质量关，避免夹扁、挤压和张拉导爆管，使用孔边钻屑或细石料填塞；
7.起爆网络：由于采用ORICA系列雷管，提高了起爆精度，真正达到逐孔起爆的目的，在选择起爆点上，根据各爆破场次的阶段面地形合理设定起爆点，采用“V”型起爆网络。
5．铲装效率与采运成本分析
5.1 铲装效益分析
对于“单斗—卡车—带式输送机”这种露天矿山半连续式生产工艺，爆破效果的另一个重要的衡量指标就是主要铲装设备的铲装效率。单对破碎锤的考虑并不能充分的说明爆破效果是否给成本带来效益，因为爆破根底，爆堆形状，石块级配这些因素都不能在破碎锤产能中体现出来，必须结合铲装效益才能看到优化带来的实际成效，下面是通过统计得出优化后两个月的铲装效益对比：
表2 2009年度主力重机铲装效率分析表
可以看到pc1250的效率几乎没变，这主要是因为初期铲装主要以988F为主，平台大都是以pc800做，所以效率的提高体现在800型挖机和988F轮式铲装机上，铲装效率平均可提高10%~13%，而表中很明显看到设备操作效益的上升。
5.2 综合成本分析
所有优化的好坏，衡量标准只有一个，统归于最后成本下降的多少，所以毫不例外，综合成本是我们最后统计与评判的依据。优化主要影响因素就是炸药用量，钻机油耗，工时提高带来的人工成本的付出，但同时效率提高带来了产量，重机油耗的下降，机械零件使用周期的延长。通过统计，优化后不计维修成本改善的采运综合成本每吨下降了0.022元。
6.结语
经由爆破后根底的观察，建议必须重视采台阶段高的测量，并确认钻孔深度及超钻深度是否恰当，以减少二次钻炸与破碎，并使采台能够更趋平整；同时必须要求员工提高装药程序中的细腻度与工作观念的正确性，以发挥爆破的预期效果，避免增加后续的二次钻炸与破碎作业量，提高铲装效率并降低采石综合成本。
本次优化由理论指导实践，本文在理论上对爆破理论有一定的认识和深入，并全面比较露天深孔台阶爆破效果优化提供了多方向的参考，对如何改善爆破效果和运用有关的数据分析验证，建立一套完整可行的系统化方法。
参考文献：
[1].高国骥；抚顺西露天矿开采技术，煤炭工业出版社，1993；
[2].王德胜、龚敏；露天矿山台阶中深孔爆破开采技术，冶金工业出版社，2007.10；
[3].王甲见；《工程岩石爆破理论假说》,中国科技论文在线，2007.4；
[4].中国矿业联合会；露天矿开采新技术与设备选型、维修保养技术手册, 煤炭工业出版社,2007.8；
[5].苏耿世；隧道爆破震动回归分析及其预测，台湾成功大学硕士论文，1995。
台湾和平矿场竖井与绿化
作者：罗鹏、陈小俊、李政达、苏耿世、张仁杰
来源：建国矿业工程有限公司
