刚果(金)露天金属矿山深孔台阶爆破技术

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  [摘 要]本文结合刚果(金)露天金属矿爆破工作实例,阐述了露天矿大方量深孔台阶爆破施工工艺及爆破参数设计理论,介绍了当地使用的火工品器材性能及规格。
  [关键词]刚果(金) 露天金属矿 深孔台阶爆破 爆破器材 爆破施工
  中图分类号:F407.42 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)07-0010-02
  1.前言
  露天矿开采中,坚硬的岩石很难直接使用采掘设备直接采装,必须经过破碎,目前最普遍的破碎矿岩的方法就是爆破。随着深孔钻机和大型装运设备的不断完善,爆破技术的不断提高和爆破器材的日益发展,深孔台阶爆破在改善爆破质量、提高设备效率和经济效益方面有很大的优越性,因此这种爆破方法在矿山生产中应用普遍。中国中铁刚果(金)矿业建设公司承建华刚公司SICOMINES铜钴矿剥离工程,负责刚果(金)加丹加省DIKULUWE矿段(简称D坑)的剥离工作。爆破工作中使用南非AEL公司的火工器材,结合南非的爆破技术,成功实施了大方量的深孔台阶爆破,单次爆破方量高至五到二十万(约15至55万t)不等,有效的对岩土进行松动破碎,提高铲装效率,节省经济成本。截止至2014年12月,共进行39次中深孔爆破、4次二次爆破,累计爆破工程量244.1万m2,使用炸药1137t,平均炸药单耗0.466kg/m3。下面对爆破实施过程中穿孔设备的选择、爆破器材及爆破设计等内容进行论述介绍。
  2.穿孔设备的选择
  穿孔工作是露天开采工作的第一道工序,对爆破、铲装等后续工作有很大影响,穿孔就是用设备在岩石中钻凿用于埋设炸药的炮孔,穿孔设备的选择不但决定作业效率也能决定孔深、孔径的参数,所以穿孔设备的选择在露天矿山生产中十分重要,目前国内外露天矿山使用的穿孔设备主要是牙轮钻机和潜孔钻机。
  2.1 牙轮钻
  牙轮钻机具有穿孔效率高、作业成本低、机械化和自动化程度高、适应各种硬度的岩石钻孔作业等优点,是当今世界露天矿广泛使用的最先进钻孔设备。设计大中型矿山钻孔设备首先要考虑牙轮钻机;中硬以上硬度的矿岩采用牙轮钻机钻孔要优先于其它钻孔设备;在满足矿山年钻孔量的同时,牙轮钻机选型还要保证设计生产要求的钻孔直径、孔深、倾角及其它参数。矿建公司选用阿特拉斯·科普柯生产的DML型牙轮钻,钻头直径250mm。通过对钻孔工作的统计总结,DML牙轮钻凿泥岩时效率高达45m/h,平均油耗1.6L/m,平均每5000米消耗一个钻头;作业较硬的粉砂岩部位时效率较低,为35m/h,平均油耗2L/m,平均每3000m消耗一个钻头;平均每米炮孔爆破岩石43?。以下结合实例对牙轮钻机配备进行演示计算。
  牙轮钻机台班生产能力计算:
  式中A为牙轮钻机的生产能力,m/(台.班);v牙轮钻机钻进速度,m/h;T班工作时间,h;η工作时间利用系数,。配备设备计算时要考虑最不利工作条件,所以计算台班设备台班生产能力时计算如下:。
  单台设备年生产能力计算按照下述公式计算:
  式中Q1为牙轮钻机年生产能力;D为牙輪钻机年工作台班数,每年工作300天,每天工作2个台班;q为炮孔每米爆破量,取43/m;η为设备年出勤率,根据实际按照0.8考虑。牙轮钻机年生产能力:。
  牙轮钻机配备数量计算:
  式中N为钻机台数;Q为设计矿山年度爆破量,/a;Q1为每孔爆破数量m/m;e费孔率,%。
  矿建公司每年设计爆破量为400万,则矿建公司需配备上述牙轮钻机台数(费孔率5%):
  ,取整2台。
  2.2 潜孔钻
  矿建公司目前使用的潜孔钻机为阿特拉斯生产的内燃型PowerROC D55型。整机重量22200kg,输出功率261kw,最大行走速度3.2km/h,最大液压力250bar(欧洲的一种气压单位1bar=105pa),工作最大倾斜角为20度,配备的钻头直径为152mm。
  主要将潜孔钻应用于边坡保护性爆破、及二次破碎大块,及较硬粉砂岩处补钻浅眼小孔等辅助爆破作业。
  3 爆破器材
  3.1 乳化炸药及炸药混装车
  目前矿建公司常使用的乳化炸药有卷状和散装两种。卷状乳化炸药主要用于二次爆破,刚果(金)当地有38*560mm、32*270mm、110*540mm三种规格。卷状乳化炸药敏感度较高,将外包装割开插入一发孔内雷管既能起爆。
  散装乳化炸药主要用于中深孔爆破,因其优良的防水性能非常适合非洲雨季里爆破施工。该种炸药由爆破当天从当地指定的地面站将原料混装于炸药混装车中运至爆破地点。乳化炸药混装车为南非AEL公司研制生产,现有R51、R61、R63三种型号,载重分别为9吨、12吨、13吨。该车采用连续乳化和泵送方式来制药与装药。混装车上设有水相、油相、发泡剂和乳化剂等原料贮存于保温罐,它从地面站将各种原料装入相应保温罐中运输至现场。装药时水相、油相输送计量系统将其输入乳化器中进行高速裂解,形成乳胶,然后泵送至混合器与发泡剂、添加剂均匀混合后经软管输入炮孔中,在炮孔内发泡,最终形成乳化炸药。该车泵送压力达5bar,装药速度为200kg/min,计量偏差小于5%,相比传统的人工装药效率提高近40%,而且此种炸药的单价约为卷装炸药的50%。
  3.2 导爆管雷管
  矿建公司现爆破工作选用以非电工业雷管为主体的塑料导爆管雷管。主要分为孔内雷管和地表雷管两种,为南非AEL公司生产。
  孔内雷管通常放置到炮孔中下部用来引爆炸药。一般为500ms的延期时间,有6m、7.5m、10m、12m、15m、20m等不同长度,头部为8号工业雷管。可根据生产需要通常选不同规格的孔内雷管。
  地表雷管用以将每个炮孔的孔内雷管按照一定连线方式连接起来,并与起爆器材连接,组成爆破网络。刚果(金)地区常用的地表雷管为7.5米长,延期时间有0ms、17ms、25ms、42ms、75ms,头部为4号工业雷管。通过组合试验,发现17ms(用于孔间)与75ms(用于排间)的地表雷管进行组合达到逐孔微差起爆网络,爆破效果最佳。   地表雷管与孔内雷管不同的是头部有一个套在雷管外部的塑料连接块,用于连接其他导爆管雷管,不同延期时间的地表雷管用连接快的颜色来区分,0ms的连接器为浅蓝色,17ms为深蓝色,25ms为橘红色,42ms为黄色,75ms为深红色。塑料导爆管部分为绿色,虽孔径和结构一样,但塑料组分不一样。孔内雷管的导爆管为耐高温、耐油型管,而地表雷管的导爆管为耐低温型。
  3.3 起爆弹
  由于非洲刚果(金)地区的散装乳化炸药较钝感,单发孔内雷管无法将其引爆,因此在中深孔爆破中要求孔内雷管多连接一发起爆弹置于孔内协助引爆。孔内雷管起爆先引爆起爆弹,起爆弹爆炸后再引爆孔内填装的乳化炸药。起爆弹内为较为敏感的彭托利特炸药,有400g*53mm、250g*46mm、150g*38mm三种规格。起爆弹与孔内雷管的连接方法见组图1。
  3.4 起爆火雷管
  将一定长度的导火索与火雷管连接在一起就成为起爆火雷管,用于起爆爆破网络,引爆炸药。AEL公司生产的起爆元件,导火索与火雷管出厂前已经连接好并锁死,其中导火索总长2.4米,为4分钟,燃烧速度0.6m/min,端部为8号普通火雷管;尾部为点火位置,带一紫色塑料盖子,点火时将盖子褪下,用点火器材对准露出的火药进行点火。
  4.露天矿台阶构成要素
  中深孔爆破的台阶基本要素如图7所示,台阶高度H、前排钻孔的底盘抵抗线W1、台阶坡面角α、孔边距b、钻孔超深h、排距W2、孔距a、孔深(H+h)、炮孔倾角、堵塞长度等。露天矿爆破的钻孔形式一般分为垂直钻孔和倾斜钻孔两种。从理论上来讲,倾斜孔爆破效果应优先于垂直孔,主要是抵抗线均一;但钻凿技术操作比较复杂,孔的长度相应比垂直孔长,且装药过程中易发生堵孔,所以在大型露天矿山开采中,广泛采用垂直孔。
  4.1 布孔方式
  优良的布孔方式即爆破成功了一半,孔位的布置对爆破效果影响很大。炮孔布置分为矩形和三角形(或称梅花形)两种形式,如图8所示。从能量均匀分布的观点看,以等边三角形布孔最为理想,而矩形布孔多用于开沟爆破。
  4.2 孔径、孔深与超深
  露天矿中深孔爆破的孔径与孔深主要取决于钻机类型、台阶高度等。孔深为台阶高度加超深深度。超深是钻孔超过台阶底板的部分。为增加炮孔底部的炸药量,克服台阶底板的夹制作用,避免爆破后在台阶底部留下根底。当岩石松软,层理发达时可取小值,若台阶底盘处有水平裂隙或软夹层等地质结构甚至不用超深或取负值。
  超深可用下列公式确定:
  4.3 底盘抵抗线
  由于台阶坡面往往是一斜面,对于垂直深孔而言就存在两种抵抗线,即最小抵抗线与底盘抵抗线。为了克服爆破时的最大阻力,避免台阶底部出现“根底”,一般都采用底盘抵抗线作为爆破参数设计的依据。
  4.4 孔距和排距
  孔距一般可按底盘抵抗线和炮孔密集系数确定:
  对于一般条件下的爆破,炮孔密集系数,在小抵抗线宽孔距爆破中(如斜线起爆时),;排距通常情况下取底盘抵抗线的值:。
  4.5 堵塞长度
  堵塞长度L一般可按炮孔直径或底盘抵抗线确定,即或
  堵塞长度和堵塞质量,对改善爆破效果和提高爆破威力有重要作用,根据经验矿山大孔径深孔爆破的堵塞长度一般为5~8m,堵塞材料一般就地取材。
  4.6 炸藥单耗
  影响炸药单耗的主要因素有岩石的可爆性、炸药特性、自由面条件、起爆方式和块度要求。表1列出了不同硬度岩石下以2号岩石铵梯炸药的经验单耗,实践过程中要通过爆破试验加以修正:
  根据当地的爆破工作经验,刚果(金)科卢维奇地区矿山爆破炸药单耗在0.4kg/m3至0.6kg/m3之间,岩石松软、节理较发育取小值,反之取大值。另外根据统计分析,炸药的单耗随着装药结构、气候等不同而产生变化:
  (1) 分段装药及带有孔底间隔器时比普通装药单耗可降低10%至15%。
  (2)雨季比旱季炸药单耗要增加10%左右。
  (3)压渣爆破比清渣爆破单耗增加10%至15%。
  4.7 装药结构
  在露天矿中深爆破中炸药在孔内的填装形式有连续装药结构、分段装药结构(间隔装药结构)、孔底间隔装药结构和混合装药结构。经多次的试验,间隔装药能在减少单耗的前提下,有效的减少大块率,目前多采用中部间隔分段装药及孔底间隔装药结构。
  4.9 起爆网络
  设计起爆网络时,首先应准备现场爆区的炮孔布置平面图,然后按照以下顺序进行:(1)选择起爆点;(2)确定传爆方向;(3)确定控制排;(4)确定雁行列;(5)确定排及列的地表延期时间;(6)选取孔内管和地表管的段别。
  起爆顺序种类繁多千变万化,以笔者工程实践实行三角形布孔采用斜向起爆网络为例,主控排选用17ms段位的地表雷管,雁行列选用75ms的地表雷管,达到微差延时逐孔起爆。
  无论用那种起爆顺序一定要注意起爆点要从自由面广阔的位置选取,然后临近自由面的排先爆,给后排孔创造新的自由面;同时要从低地势向高地势起爆,以便增加后排孔的前推力。
  6.结束语
  爆破作为露天矿开采的龙头工序至关重要,爆破效果的好坏直接影响着后面的采装、运输等工序的效率及成本。矿山生产爆破工艺中深孔台阶爆破于安全、效率等各方面都具有明显的优越性。
  参考文献:
  [1] 《露天采矿技术》.夏建波.邱阳主编,冶金工业出版社出版.
  [2] 《矿山爆破》.张敢生.戚文革主编,冶金工业出版社出版.
  [3] 《矿山爆破与安全技术》.陈亚军主编.气象出版社出版.
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