乌努格吐山铜钼矿冻土层爆破研究

作者简介：李启军（1964-），男，山东蓬莱人，高级采矿工程师，曾任扎赉诺尔矿务局灵泉露天煤矿副矿长兼总调度长、呼伦贝尔市东明矿业有限公司任矿长，现任中国黄金集团内蒙古矿业有限公司采矿厂厂长。乌努格吐山露天铜钼矿冻土层爆破研究李启军1，王泽军1，王维2，公新忠1(1.中国黄金集团内蒙古矿业有限公司，内蒙古满洲里021400；2.中国黄金集团湖北三鑫金铜股份有限公司，湖北黄石435000）摘要：乌努格吐山铜钼矿冬季气温常在-30～-40℃左右，持续时间长达五个月。冬季爆破时，上部冻土层易产生大块影响铲装效率，造成安全隐患。在矿石区块度过大，易造成选矿厂粗碎站堵仓，增加旋回破碎机的故障率，严重时甚至会造成停产。本文根据乌努格吐山冻土层特点，进行了爆破漏斗实验和冬季冻土层爆破参数方案设计，并对所取得的经济效益进行了简要分析。关键词：冻土层爆破；爆破漏斗；比值深度；辅助孔ExperimentalstudyonfrozensoilblastinginWunugetuMountainLiQi-jun1，WangZe-jun1，WangWei2，GongXin-zhong1(ChinaGoldGroupInnerMongoliaminingindustrylimitedcompany,InnerMongoliaManzhouli021400;ChinaGoldGroupHubeiSanxinGoldCopperCo.hubeihuangshi435000)Abstract:Thetemperaturesisoften-30-40℃inthewinter.ThewinterislastingfivemonthsinWunugetuMountain.Thelargerocksthatgeneratedofupperpermafrostlayerimpactloadingefficiencyandcauseaccident.Inorearea,thelargerocksareeasytoplugtheGyratorycrusher.Seriously,itistocauseshutdown.Experimentsofblastingfunnelandfrozensoilblastingparameterswerestuiedonthecharacteristicsofsoilfrozenlayerandeconomicbenefitswereanalyzed.Keywords:permafrostblasting;blastingcrater;scaleddepthofcharge;auxiliaryhole乌努格吐山铜钼矿为低品位大型多金属矿床，2009年一期达产，现处于二期投产阶段，二期达产后将形成日处理矿量7.5万t以上，年处理矿量2475万t，年采剥总量3×107m³以上的规模，属于特大型露天金属矿。乌努格吐山铜钼矿位于高纬度高寒地区，冬季平均气温-20℃，最低气温达到-45℃。冬季持续时间长，从10月下旬一直持续到来年4月份。根据近几年的冬季施工总结得知，矿区内冻土层厚薄不均，一般在0.5～3m左右。在开采过程中，冻结层易形成大块，严重影响铲装效率；块度过大时易造成铲装、运输排弃的安全隐患。在矿石区域块度过大，易造成选矿厂粗碎站堵仓、堵塞动锥内腔，增加旋回破碎机的故障率，严重时甚至会造成停产。由于乌努格吐山铜钼矿的气候特点、地质条件和生产规模，没有同类矿山工程实践可以借鉴，只能根据乌努格吐山铜钼矿的气候特点、地质条件和冻土层的形成特点，对冬季冻土层爆破方案进行针对性研究，为高寒露天矿山冻土层爆破施工提供技术指导。1冻土层特点与爆破漏斗理论1.1乌努格吐山铜钼矿冻土层特点乌努格吐山铜钼矿冻土层是由固体矿物颗粒、粘塑性冰包裹体、未冻水和强结合水以及气体包裹体组成的复杂四相体。乌努格吐山铜钼矿冻土层呈现厚薄不均，越往下厚度增加的特点。冻土层的强度与温度作者简介：王泽军（1986-），男，助理工程师，本科，2010年毕业于武汉理工大学矿物资源工程专业，现任中国黄金集团内蒙古矿业有限公司采矿厂爆破负责人。有关，随着温度的降低强度增大，最后趋于稳定；还与含水量有关系，随着含水量的增加强度增大，增大到一定数值后，随着含水量的增大强度减小，并趋于纯冰的强度。乌努格吐山铜钼矿处于高纬度高寒地带，最低气温达到-45℃，这决定了乌努格吐山铜钼矿冻土层温度低；年降水量平均为257.8mm，年蒸发量平均为1417.2mm，这就决定了乌努格吐山铜钼矿冻土层的含水量低。这样乌努格吐山铜钼矿冻土层具有其他地区冻土层所不具备的特点，这就需要组根据乌努格吐山铜钼矿冻土层特点制定相应的爆破方案。1.2爆破漏斗理论利文斯顿爆破漏斗理论是一套以能量平衡为基础的岩石破碎爆破漏斗理论。在同种固体介质中埋置一定的炸药，由于埋置深度的改变，将会产生不同的爆破漏斗。当药包埋置深度减小到刚好由内部作用转为表面介质开始发生明显破坏，脆性介质将片落，塑性介质将隆起，此时埋深为临界深度。如果药包重量不变，埋置深度再进一步减小，则因抵抗线减小，表面介质的片落或隆起现象更加显著，爆破漏斗体积增大。当药包埋置深度减小到某一界限值时，爆破漏斗体积达到最大值，此时埋深为最佳深度，再减小埋深，漏斗体积也将减小，直至减小到零。由于固体介质性质不同，在一定炸药量条件下，其临界埋置深度也各不相同。由此，临界埋置深度Lc与炸药量Q的关系用式（1）表示：1/3bLcEQ（1）式中Lc—药包临界埋置深度，m；bE—形变能系数；Q—装药量，kg。在爆破工程中，为了充分发挥炸药的能量，对某一特定的介质和在一定的装药条件下，重要的是找到最佳埋置深度，进而确定最佳埋置深度比。2冻土层爆破漏斗试验本次冻土层爆破漏斗试验目的在于确定最佳埋置深度比，给冻土层爆破试验设计辅助孔时装药量与埋置深度提供技术依据。2.1试验区冻土密度和含水量冻土密度和含水量是研究冻土爆破机理的主要物理力学指标，在试验区钻1.5m深钻孔，测定冻土的密度和含水量，试验结果见表1。表1试验区冻土密度和含水量的测定结果测试区域冻土密度（g/cm3）含水量（%）810平台2.57-2.624-5作者简介：王维（1985-），男，硕士，2010年毕业于武汉理工大学采矿工程，现任中国黄金集团湖北三鑫金铜股份有限公司采矿厂采矿车间主任助理。2.2试验设计钻孔采用CM351潜孔钻机，孔径为140mm，炸药选用乳化炸药。试验区共布置9个钻孔，一字排开,钻孔间距10m，参数见表2：表2爆破漏斗试验钻孔参数孔号孔深（m）装药高度（m）药包埋深（m）装药量（kg）12.801.002.3023.0022.951.202.3527.6032.801.402.1032.2043.031.302.3829.9053.201.502.4534.5063.251.802.3541.4073.701.502.9534.5083.701.802.8041.4093.702.002.7046.002.3爆破漏斗试验数据分析漏斗的直径、深度和体积的大小与药包的重量和埋深有关系，要对同一地点进行不同药量和不同埋深的漏斗试验进行比较。通常用比值深度即药包埋深与药量立方根的比值表示漏斗深度；用比值直径即漏斗直径与药量立方根的比值表示漏斗直径；用比值体积即漏斗体积与药量立方根的比值表示漏斗体积。以药包比值深度为横坐标，实际漏斗比值深度、比值直径、比值体积为纵坐标，绘制二者关系曲线图如图1～图3所示，从图1～图3可以看出，实际漏斗比值深度、比值直径、比值体积开始随着药包比值深度的增加而增加，达到最大值开始减小，曲线最高点对应的药包比值深度即为药包的最佳比值深度，其药包最佳比值深度在0.791/3/mkg～0.811/3/mkg，变化率为2%，试验结果取定最佳药包比值深度为0.801/3/mkg。由最佳药包比值深度可以确定常用辅助孔的装药参数，见表3。y=-14.066x2+22.856x-8.4971R2=0.99970.400.450.500.550.600.650.700.750.800.850.600.650.700.750.800.850.900.95药包比值深度实际漏斗比值深度图1实际漏斗比值深度与药包比值深度关系曲线图作者简介：公新忠（1982-），男，南华大学采矿工程硕士，采矿技术员，从事露天矿山爆破设计研究。图2实际漏斗比值直径与药包比值深度关系曲线图y=-50.085x2+78.898x-29.819R2=0.99780.000.200.400.600.801.001.201.400.600.650.700.750.800.850.900.95药包比值深度实际漏斗比值体积图3实际漏斗比值体积与药包比值深度关系曲线图表3常用辅助孔（孔径为140mm）装药参数孔深（m）装药量（kg）埋深（m）210.51.482.517.51.623261.73.535.51.724461.73冻土层爆破技术方案3.1爆破设计方案根据近几年的冬季施工总结得知，采矿场内冻土层厚薄不均，一般在0.5～3m左右。冻土层厚度在0.5m以下时对爆破几乎没有影响，在这里就不进行爆破方案设计。当冻土层在0.5～3m时主要采用主爆孔参数调整、设计辅助孔、加密辅助孔、设计辅助孔与主爆孔堵塞段加药包相结合四种方案。乌努格吐山铜钼矿采矿场使用的钻孔设备是Φ140mmCM351潜孔钻机和Φ250mm牙轮钻机。根据施工经验得知，Φ140mm爆区采用主爆孔参数调整方案，提高药柱高度即可破碎上部冻土层大块；Φ250mm爆区采用设计辅助孔、加密辅助孔、设计辅助孔与主爆孔堵塞段加药包相结合三种方案。3.1.1方案一：冻土层厚度在0.5～1m时主爆孔参数调整设计冻土层厚度在0.5～1m时，不改变孔排距，减少堵塞长度，提高药柱高度。冻土区主爆孔孔网参数设计见表4，炮孔装药结构如图4、图5所示，当爆区含水时不使用空气间隔器。表4方案一台阶参数设计项目Φ140mm正常参数调整参数Φ250mm正常参数调整参数台阶高度/m15151515钻孔倾角/(°)90909090炮孔直径/mm140140250250钻孔深度/m16.516.51717孔距×排距/m26×4.56×4.58×78×7装药长度/m10.5118.59间隔长度/m2222堵塞长度/m43.56.56单孔装药量/kg210220550580单孔爆破量/m3405405840840延米爆破量/(m3·m-1)24.524.549.449.4平均雷管单耗/(发·m-3)0.00740.00740.00360.0036平均炸药单耗/(kg·m-3)0.520.540.650.69单耗增加率/%00.0400.06堵塞3.5m4m2.0m7m起爆弹炸药空气间隔炸药起爆弹导爆管雷管奇数排堵塞3.5m5m2.0m6m起爆弹炸药空气间隔炸药起爆弹偶数排导爆管雷管图4Φ140mm装药结构图堵塞6m3.5m2.0m5.5m起爆弹炸药空气间隔炸药起爆弹导爆管雷管奇数排堵塞6m4m2.0m5m起爆弹炸药空气间隔炸药起爆弹导爆管雷管偶数排图5Φ250mm装药结构图3.1.2方案二：冻土层厚度超过1m时增加辅助孔设计辅助孔钻设备：CM351潜孔钻机。辅助孔孔深：H=(2.0m-4.0m)，孔深主要跟冻土厚度有关。钻孔直径：d=140mm。根据爆破漏斗试验结果，辅助孔装药参数常用数据见表3。随着温度的降低，冻土层厚度逐渐增大，通过调整孔网参数及提高装药高度的方法已达不到理想的爆破效果。根据爆区冻土层含水量以及冻层厚度，采用设计辅助孔方案。该方案联线与装药结构如图6、图7所示，当爆区含水时不使用空气间隔器。辅助孔起爆点主爆孔25ms65ms100ms图6方案二网络联线平面布置图堵塞6m3.5m2.0m5.5m起爆弹炸药空气间隔炸药起爆弹导爆管雷管奇数排堵塞6m4m2.0m5m起爆弹炸药空气间隔炸药起爆弹导爆管雷管偶数排1.5m1.5m图7方案二主爆孔及辅助孔装药结构图3.1.3方案三：冻土层厚度超过