白登磷礦臺階爆破參數的合理選擇及爆破塊度分布規律研究學生張立國

指導教師欒龍發副教授

學院國土資源工程學院

專業采礦工程研究方向爆破工程及安全技術NationalEngineeringLaboratoryforVacuumMetallurgy目錄

白登磷礦臺階爆破現狀分析2白登磷礦臺階爆破的現場試驗研究4白登磷礦臺階爆破方案初步設計3緒論1白登磷礦爆破塊度分布規律與爆破參數的優化研究5結論與展望6緒論1.1論文的研究背景

本文通過對白登磷礦礦山爆區的地形地質等條件、礦山巖石的物理力學性質、爆破器材性能以及該礦的爆破參數等進行綜合定性定量分析，結合爆堆塊度分布規律的理論來進行研究，并根據臺階爆破設計方案在白登磷礦開展工業性試驗，找出影響爆破塊度與根底因素。通過研究確定白登磷礦采場中爆破參數優化方案，提高爆破破巖效率，控制工作面大塊率，降低根底率及爆破成本，提高白登磷礦的經濟效益，確保生產安全。緒論1.巖體爆破塊度研究方法綜述2.巖體爆破塊度模型的研究3.節理巖體爆破的研究進展4.巖體爆破塊度的分形理論1.2國內外

的研究

現狀5.爆破塊度的測定方法緒論1.3研究內容與研究方法

（1）研究內容通過對白登磷礦采場中深孔爆破的研究工作，以及礦山采場中巖石的物理學性能，對爆破參數進行優化，確定合理的鉆爆參數，開發出適合白登磷礦的爆破技術，從而降低礦山的鉆爆成本、提高起爆網路的可靠性和安全性、降低大塊率及減少根底。（2）研究方法論文主要采用理論分析、現場工業性試驗等研究方法，進行主要內容的研究。緒論圖1-2論文研究方法路線圖對白登磷礦現場進行調查分析進行理論分析，確定白登磷礦現場的試驗方案現場實驗對白登磷礦現場實測數據進行分析確定白登磷礦最佳的爆破方案1.4論文研究的技術路線第二章、白登磷礦臺階爆破現狀分析白登磷礦簡介白登磷礦爆破現狀直接生產試驗的可行性分析存在的問題2.1白登磷礦簡介

白登磷礦概況礦區地質礦床地質特征礦床水文與工程地質儲量2.2白登磷礦爆破現狀

礦山爆破所使用爆破器材為巖石膨化硝銨炸藥,磁電雷管起爆器起爆。起爆網路布置采用串并聯方式連接，參見圖2-2。當一次起爆炮孔數目超過一臺起爆能力時，可采用多臺起爆器串聯使用，選一臺起爆器為主機，其他為從機，起爆器及雷管連接如圖2-3所示。

2.2白登磷礦爆破現狀現有的臺階設計高度10m。該礦現使用阿特拉斯CBH-10型號全液壓鉆機和宣化鼎信礦冶公司DXA165型號潛孔鉆機兩臺，鉆孔直徑為140mm，鉆孔深度分別為11.5m和13.5m。采用垂直鉆孔，底部連續裝藥，上下雙藥包起爆。其上下起爆藥包分別布置在藥柱的1/3和2/3處（如圖2-4）。所收集的各次爆破的平均爆破參數見表2-4.

表2-4爆破參數表巖種段高(m)孔深(m)抵抗(m)孔距(m)排距(m)超深(m)藥柱高(m)填高(m)每孔藥量(kg)單耗(kg/m3)炸藥種類砂頁巖10113.5～444.516.5～6.05.0～4.5740.41硝銨白云巖10113.5～44.54.516.0～5.55.0～4.51170.58硝銨2.2白登磷礦爆破現狀

通過現場調查發現，實際鉆孔時孔排距布置不規整、單孔裝藥量過少以及填塞過大是造成臺階上部破碎不充分，是產生大塊的主要原因之一；炮孔超深不夠，使得每次爆破效果不理想，開挖達不到設計的10m臺階高度，出現根底、臺階不平整等問題，如圖2-5～2-8。圖2-5爆破開挖情況2.2白登磷礦爆破現狀圖2-6后排爆破地表巖石破碎情況2.2白登磷礦爆破現狀圖2-7爆破后無法裝載的大塊巖石2.2白登磷礦爆破現狀

由于上述原因的存在，使得每次爆破的效果很不理想，臺階高度開挖也達不到所設計高度；爆破時后排的炮孔曾出現留有根底以及向上沖孔所引發的飛石事故等施工質量問題。圖2-9爆后產生根底情況2.3直接生產試驗的可行性分析

挪威的學者曾經在“露天臺階爆破的優化”這一報告中闡述：“露天臺階爆破現場生產試驗存在的一些問題，如：由于正常生產的干擾，進行以及評估這些試驗非常困難，且費用高、時耗長等”。但是，為了省去中間環節，可以直接為生產服務來開展現場的實際研究。更為重要的是在相似理論研究尚無重大突破的條件下，我們決定結合實際的情況，利用該礦現有的生產條件以及所作課題規定的時限要求，盡量避免影響白登磷礦正常生產的前提下，通過對白登磷礦所做的具體分析來開展現場的試驗研究。2.4存在的問題

該礦存在的問題主要是填塞過大和孔距偏小、延米爆破量小、炸藥單耗偏高，相應的增加了鉆爆成本。并且爆破的效果也很不理想，開挖達不到所設計的臺階高度，并且經常留有根底現象，大塊率問題較為突出。這些問題給白登磷礦下一標高的鉆孔生產以及臺階的平整造成了很大的困難，影響連續鉆爆施工，并給該礦山的生產安全帶來了較大的隱患。第三章、白登磷礦臺階爆破方案初步設計臺階爆破設計依據爆破方案選擇起爆網路技術準備及爆破技術措施

（1）爆破參數（2）布孔方式3.1臺階爆破設計依據3.2爆破方案選擇采用垂直深孔爆破。起爆方式改為導爆管-導爆索聯合起爆網絡。炮孔按矩形方式布置，炸藥采用安寧化工廠生產的直徑為φ120mm，長度350mm，5kg/袋的

1號巖石乳化炸藥。3.2爆破方案選擇

3.2.2爆破參數確定(1)最小抵抗線W為了計算方便，按炮孔孔徑倍數確定底盤抵抗線，我國露天臺階爆破的底盤抵抗線一般為孔徑的20～50倍。W＝(20～50)×d

（3-5）式中：d——鉆孔直徑，mm。根據白登磷礦實際生產經驗和同類工程的施工經驗，再結合該施工區巖石性質，確定底盤抵抗線如下：W＝40×0.14m＝5.6m；(2)炮孔孔距和排距

根據白登磷礦現場所收集的資料參數，炮孔孔距和排距按爆區巖石性質分為以下兩種：

白云巖

孔深11.5m時，炮孔間距6(孔距)×5(排距)m；

孔深13.5m時，炮孔間距6.5(孔距)×5(排距)m；

頁巖

孔深11.5m時，炮孔間距7(孔距)×6(排距)m；

孔深13.5m時，炮孔間距7.5(孔距)×6.5(排距)m；

3.2爆破方案選擇(3)炮孔深度L和超深h

L＝H＋h

式中：H——臺階高度，分10m和12m，施工時根據現場實際情況選取；h——炮孔超深，一般h＝(0.15～0.35)×W，根據場區內分布巖石力學性質，再結合施工經驗選取h＝1.5m；

故L＝10.0＋1.5＝11.5m或L＝12.0＋1.5＝13.5m。

因礦山現有臺階高度為10m和12m，在保證超深不低于1.5m的基礎上來選擇炮孔的深度。3.2爆破方案選擇3.2爆破方案選擇

(4)填塞高度

填塞高度是一個重要的爆破參數，合理的填塞高度應保證爆生氣體不過早從孔口噴泄，同時又使臺階上部巖石能得到充分破碎。根據經驗，按炮孔直徑d大小，填塞高度可取：

l=（20～30）d，m

為了獲得更集中的爆堆，適當加大填塞高度，系數選取30；

l＝30×0.14＝4.2m(5)炸藥單耗

根據白登磷礦現有的爆破參數，炸藥單耗按爆區巖石性質分為以下三種：白云巖單耗0.3kg/m3，頁巖單耗0.22kg/m3。裝藥過程中可根據現場條件做臨時小范圍調整。3.2爆破方案選擇(6)單孔裝藥量

前排炮孔：

后排炮孔：

式中：K——巖石阻力系數，K=1.2～1.5

白云巖

孔深11.5m時，前排：

后排：

孔深13.5m時，前排：

后排：

頁巖

孔深11.5m時，前排：

后排：

孔深13.5m時，前排：

后排：

3.2爆破方案選擇(7)裝藥結構

采用底部連續裝藥。為了減少礦山的生產成本并使網絡敷設簡單方便不易受損，建議由原來的上下雙藥包起爆改為上藥包起爆。起爆藥包布置在藥柱的1/3處，參見圖3-4。

起爆網路為導爆索——導爆管聯合起爆網路，孔內采用導爆管雷管起爆，孔外為導爆索傳爆，起爆導爆索的雷管為磁電雷管，爆破所使用炸藥為乳化炸藥，使用YR-1磁電雷管起爆器起爆。起爆網路布置采用串聯方式連接，該起爆方法操作簡單，使用安全、準確、可靠，能抗雜散電流、靜電和雷電等優點。參見圖3-5～3-8。3.3起爆網路3.3起爆網路3.3起爆網路3.4技術準備及爆破技術措施根據對白登磷礦現場的實際條件以及爆破技術現狀的分析來看，為了提高爆破質量，在不形成上部爆破漏斗和后翻以及保證允許飛石距離和爆堆伸出的條件下，盡可能的減少填塞高度以及增加單孔的藥柱高度，來改善巖石破碎的質量。在現場試驗中主要采取擴大孔網參數、減少鑿巖工作量，[U1]

降低炸藥單耗來提高爆破的效率，具體技術準備及爆破技術措施如下：3.4技術準備及爆破技術措施根據對白登磷礦現場的實際條件以及爆破技術現狀的分析來看，為了提高爆破質量，在不形成上部爆破漏斗和后翻以及保證允許飛石距離和爆堆伸出的條件下，盡可能的減少填塞高度以及增加單孔的藥柱高度，來改善巖石破碎的質量。在現場試驗中主要采取擴大孔網參數、減少鑿巖工作量，

降低炸藥單耗來提高爆破的效率，具體提出相應的技術準備及爆破技術措施

、、第四章、白登磷礦

臺階爆破的現場試驗研究

由白登磷礦現有的爆破數據可以看出，現行爆破參數的炮孔密集系數偏小，未采用大孔距小排距爆破技術。同時填塞過大，超鉆偏深，相應減小了藥柱高度。使得每次爆破效果不理想、開挖達不到設計的臺階高度；后排炮孔在爆破時，曾出現留有根底等問題。這些問題給該礦的臺階平整和下一標高的鉆孔生產造成了很大的困難，并給礦山的安全生產帶來了極大的安全隱患。4.1現有爆破效果分析4.1現有爆破效果分析

以“充分利用炮孔容積”原理作為孔網參數計算的理論出發點。

其原理主要是在合理超深值及恰當的填塞長度確定后，獲得一個相對最大的炮孔容積，實行“滿裝藥”。由于提高了每孔裝藥量，則在已經確定的炸藥單耗前提下，可求出最大的爆破負擔面積。所以當合理超深（h），恰當的填塞長度（Lt）及炸藥單耗（q）確定后，即應求算裝藥長度（Ls）、裝藥量（Q）及每孔負擔面積（S）。4.2爆破孔網參數優化設計4.3.1爆破試驗

自2008年6月份起，針對該礦的白云巖、頁巖共進行了幾十次試驗。選用炸藥為1號巖石乳化炸藥，即使在雨季炮孔有水的情況下都可使用，而且爆炸威力大，有助于克服根底影響。采用導爆索和導爆管聯合起爆網路，孔外傳爆導爆索用磁電雷管起爆。具體爆破試驗參數方案見表4-1。4.3爆破試驗及效果分析4.3爆破試驗及效果分析

4.3爆破試驗及效果分析4.3爆破試驗及效果分析

通過試驗得出：在本試驗條件下，當Ｌt＞4.5m時，充填物沒有沖出現象。經過綜合分析與研究，在白登磷礦的礦巖條件下，填塞高度控制在5m左右較為合適。為了避免根底和超挖現象，還要保證炮孔有足夠的超深，經過幾個月的試驗研究，確定在白登磷礦的條件下，超深1～2m。為了取得更好的爆破效果，可以選用合理的微差起爆間隔時間和起爆順序，并采用合適的炮孔密集系數。故在工業試驗中，有意識地不斷擴大孔網參數，增大炮孔密集系數m值。經過試驗，采用原來的微差起爆間隔時間和起爆順序爆破效果還可以，故在后面試驗中使用的導爆管雷管段別沒做改變。4.3.2效果分析4.3爆破試驗及效果分析實驗證明：當孔網參數為以下參數時爆破破碎效果最佳：a、白云巖孔深11.5m時：6.5(孔距)×5(排距)m；孔深13.5m時：6.5(孔距)×5(排距)m；b、頁巖孔深11.5m時：7(孔距)×5(排距)m；孔深13.5m時：7(孔距)×5(排距)m；（1）巖石破碎4.3爆破試驗及效果分析圖4-5爆堆表面巖石破碎圖4.3爆破試驗及效果分析

圖4-6爆堆中心巖石破碎圖圖4-7大塊巖石圖

如圖4-5～4-7所示，通過參數優化后，巖石爆破破碎效果良好、塊度破碎均勻。在頁巖爆破中幾乎不產生無法裝載的大塊；在白云巖爆破中產生少量的大塊，其大塊率由原來的5%～9%降至2%以下，大塊主要由于炮孔沒填塞好或產生沖孔，導致爆區邊緣炮孔填塞部位巖石沒有被爆生氣體充分破壞所造成。炸藥單耗下降0.08～0.17kg/m3，降低8.6％～26.5％；延米爆破量由20m3/m提高到30m3/m以上。4.3爆破試驗及效果分析（2）爆堆形狀

經過對每次爆破爆堆的拍照、測量，得到大量實測數據，繪制了5排炮孔、2排炮孔延期爆破的爆堆大致剖面圖。見圖4-8～4-9。4.3爆破試驗及效果分析我們從中可以發現：

2排炮孔延期爆破的炸藥單耗和微差時間的選擇較為合適。因此在今后爆破中盡量減少一次起爆排數，以免影響爆破效果。（3）開挖效果4.3爆破試驗及效果分析

從以上四幅開挖后圖片可看出，開挖邊坡消除了超挖、欠挖和傘檐現象；采場底板開挖平整，底板標高與設計標高之差不大于1m，基本消除了根底現象，為下臺階的鑿巖鉆孔工作提供了良好的工作平臺。巖體爆破塊度的影響因素分析白登磷礦爆破塊度的現場測試及分析白登磷礦爆破塊度的分布規律分析白登磷礦爆破參數的優化研究小結第五章、白登磷礦爆破塊度分布規律與

爆破參數的優化研究

影響爆破塊度的因素主要有，巖石的可爆性、巖體的節理裂隙發育程度、爆破器材、炸藥與巖石的相互關系、爆破參數等。5.1巖體爆破塊度的影響因素分析5.2.1試驗爆區巖體節理分布規律

（1）節理的測量方法與定量描述指標

節理的測量方法主要有測線法、取樣窗法和巖芯調查法三種，前兩種方法以其簡便、易行的特點而被廣泛采用。節理測量內容根據不同的工程目的來確定，主要包括：間距、跡長、方位和張開度等。本文應用測線法對試驗爆區巖體的節理進行測量。

（2）爆區節理調查結果及其間距分布規律

為了對白登磷礦試驗區的爆破參數進行分析研究，對多次生產爆破開展了爆前節理調查工作。在進行爆區節理調查時，主要統計了臺階坡面上水平、垂直兩個方向和臺階橫斷面上的節理間距組成，且各方向上的節理不按組別逐一統計，而記錄總體間距組成。各爆區節理間距統計結果見表5-1。5.2白登磷礦爆破塊度的現場測試及分析5.2白登磷礦爆破塊度的現場測試及分析

根據表5-l的統計數據，按回歸計算得到的結果列于表5-2。表中同時列出了統計得到的節理頻數和相對平均節理間距(平均節理間距/最小節理間距)。回歸結果表明，各爆區的節理間距分級數在0.7096-1.1774之間變化，表明節理很發育。5.2白登磷礦爆破塊度的現場測試及分析

表5-1和表5-2對比表明，大多數情況下，分維數大，對應的相對平均間距小，如：方案一中水平與垂直方向的分維數分別為0.9625和1.0425，后者的相對平均節理間距(3.20)比前者(3.35)小。因此，可以用分維數或相對平均節理間距對比分析各試驗爆區的節理分布密度。間距分維數反映了節理間距在其變化范圍內的分布特征。但分維數不反映節理間距的絕對大小，這體現了節理分布與尺度無關的分形特征。5.2白登磷礦爆破塊度的現場測試及分析5.2.2爆堆取樣

白登磷礦爆破塊度研究過程中，共對白登磷礦進行了36次現場爆破試驗，取其中10次現場試驗爆破效果進行分析。

5.2白登磷礦爆破塊度的現場測試及分析

測定爆堆塊度的體視概率計算法

用等體積球直徑近似等于巖塊尺寸，以球體系統的斷面圓尺寸分布及其空間分布為基礎，確定出爆堆表(斷)面上測線與巖塊相交所截出的線段的數量密度與巖塊的空間數量密度之間的關系，由此提出計算爆破塊度組成的體視概率計算法，該方法計算塊度組成的累積比率公式：5.2白登磷礦爆破塊度的現場測試及分析5.2.3爆堆塊度組成的測定方法5.2.4爆堆塊度的組成測定結果及分析

應用體視概率計算法對現場爆破試驗破碎巖石的塊度組成進行計算，其結果列于表5-3中。

各試驗方案的爆破塊度分布規律及篩下累積率的關系見圖5-4。由圖5-4可知方案4、方案5和方案7的爆破效果較好、爆破塊度較小，爆破塊度小于40cm的篩下累積率占70%左右。圖5-4各試驗方案的爆破塊度分布規律及篩下累積率的關系5.2白登磷礦爆破塊度的現場測試及分析5.3.1分布規律模擬模型

爆堆塊度分布函數的經驗公式很多，公認最具代表性的是R-R(Rosin-Rler)分布函數和G-G-S(Gate-Gaudin-Sehumann)分布函數。5.3白登磷礦爆破塊度的分布規律分析

根據各爆區礦巖塊度分布的現場檢查結果（表5-3），將各次爆破的塊度組成分別按R-R分布和G-G-S分布回歸計算，結果見表5-4，5.3.2爆堆塊度分布規律的回歸分析5.3白登磷礦爆破塊度的分布規律分析

由爆堆塊度組成的測定結果和爆破塊度分布的回歸分析，可知各次爆破方案的大塊率均較小，最大值達12.83%，反映出選取的爆破參數總體合理，尤其是方案4、方案5和方案9組爆破的試驗參數選擇得更好。5.3白登磷礦爆破塊度的分布規律分析5.4確定影響爆破塊度主要因素的灰關聯分析方法

影響巖體爆破質量的因素很多，包括：炸藥參數、爆破參數、巖體結構及其力學特征等各種不同類型的因素，它們的共同作用決定了巖體爆破質量。然而，由于理論分析和現場試驗的目的不同，以及受各種客觀條件的限制，不可能將各個影響因素都反映出來。所以，確定影響巖體爆破質量的主要因素，是準確控制和預測爆破質量的前提。

（1）灰關聯度的分析原理（2）系統特征變量和相關因素變量（3）灰關聯度的計算方法10次爆破試驗方案的主要參數見表5-5

由爆堆塊度組成的測定結果和爆破塊度分布的回歸分析，可以得出各試驗方案爆破后的塊度組成與各項指標規律，見表5-6。

以爆破后的

、

指標、塊度分維數、均勻性指數和大塊率為系統特征變量

（i=1、2、…、5），爆區節理頻數(三個方向的平均值)、

、天然塊度分維數、填塞高度、孔距、抵抗線、炸藥單耗和微差時間為相關因素變量

（j=1、2、…、5），計算出十次生產爆破的灰色絕對關聯矩陣，見表5-7。

影響爆破塊度分維數和均勻性指數的主要因素的次序基本相同，即；天然塊度分維數、節理頻數、抵抗線、孔距和炸藥單耗，表明爆破塊度分布是由天然塊度分布和爆破參數決定，這說明計算模型的出發點與實際工程實踐經驗相符。當爆破參數選取合理時，爆破塊度主要受由爆破參數所決定的巖體破裂比率的控制，即是說，此時的塊度分布應該與爆破參數的相關性更強。此外，分別比較爆破塊度分維數和均勻性指數與上述五個因素的關聯度數值可知，它們都幾乎相等，這反映出二者的物理意義相同的事實。5.4.2白登磷礦爆破參數分析

通過對試驗區爆破塊度的現場測試與分析和爆破塊度的分布規律分析，結合影響爆破質量主要因素的灰關聯分析，確定爆破試驗方案的方案4、方案5、方案7和方案9的爆破參數較其它的方案好。但是，方案7大塊率相對其它三個方案較高，所以，優化方案中各項爆破參數的選擇可參考方案4、方案5和方案9的爆破參數。

（1）孔網參數

根據前面爆破試驗總結，白云巖單耗在0.30kg/m3左右、頁巖單耗在0.22kg/m3左右可取得較好的爆破效果。裝藥過程中可根據現場條件做臨時小范圍調整。通過優化確定的孔網參數，見表5-8：5.4.3白登磷礦優化后的爆破參數

為避免孔內導爆管網路過長導致在裝藥填塞過程中導爆管被擠斷、擠破或壓扁，保證起爆的可靠性和敷設網路的簡單方便性，將繼續采用孔口起爆方式。炮孔內采用連續裝藥結構。（2）起爆網路和爆破器材由于導爆索和導爆管聯合起爆網路聯接簡單、起爆可靠，在今后爆破中繼續使用。網路起爆雷管用磁電雷管，炸藥用1號巖石乳化炸藥。

本章在應用測線法對各試驗爆區進行了爆前測試、爆破試驗和巖體爆破塊度的影響因素分析的基礎上，對白登磷礦各試驗爆區的爆破塊度進行了現場取樣、測試及爆破塊度分析。爆堆塊度組成的測定結果和爆破塊度分布的回歸分析表明，各次爆破方案的大塊率均較小，最大值12.83%，反映出選取的爆破參數總體合理，尤其是方案4、方案5和方案9組爆破的試驗參數選擇得更好。應用灰關聯分析方法確定出影響白登磷礦爆破塊度的主要因素。據方案4、方案5和方案9組爆破的試驗參數，確定了白登磷礦最優的爆破參數。

通過試驗優化后的孔網參數、裝藥結構、爆破方法，使炸藥單耗下降了8.6％～26.5％，而且改善了爆破效果，大塊率降到2%以下，鏟裝效率有所提高，較好解決了采場爆后根底的現象；根據設計底板標高適當調整鉆孔深度，實現了臺階底板平整，底板標高與設計標高之差不大于1m。5.5小結1.主要結論2.今后的工作展望第六章、

結論與展望論文主要采用理論分析、現場工業性試驗、工程類比法等研究方法，在對白登磷礦礦巖地質情況和存在的問題進行現場調研的基礎上，通過巖體爆破塊度分布規律的理論研究和巖體爆破效果的影響因素分析，確定了適合白登磷礦的爆破方案，論文的主要研究結論為：

1分析了應力波、分布函數、能量塊度計算模型的特點及適用條件，指出了各計算模型的缺點，即沒有將節理裂隙分布引入到巖體爆破