爆破補(bǔ)償空間

爆破補(bǔ)償空間礦山開采背景

我國(guó)西北某銅礦位于我國(guó)大西北與哈薩克斯坦交界的一個(gè)縣境內(nèi)，是于20世紀(jì)80年代以來探明的銅鋅礦床，經(jīng)國(guó)土資源部批準(zhǔn)勘探。它屬于一個(gè)大中型多金屬礦床，銅平均品位2.43%，鋅平均品位1.08%，伴生有黃金與白銀等金屬，其金屬量B C D級(jí)銅鋅金屬量數(shù)十萬噸。它也是國(guó)內(nèi)近期探明的一個(gè)富銅礦床，除交通條件不便之外，其它供水、供電條件方便；但它更是一個(gè)銅鋅混合型礦床，其分選技術(shù)要求較高，所以又屬于難選型礦床；若是采用濕法冶金，銅鋅分離不成問題，且回收率可相應(yīng)提高。該礦床屬于火山噴發(fā)-沉積成因的黃鐵礦型銅、鋅多金屬礦床。礦區(qū)初步劃定9個(gè)礦化蝕變帶，I號(hào)蝕變帶是礦區(qū)最主要的蝕變帶，其中I號(hào)銅礦床即賦存于其中。I號(hào)銅礦床由2個(gè)礦體組成，并以一號(hào)礦體為主，其銅金屬量占礦床總儲(chǔ)量的97.43%，是礦床的主要工業(yè)礦體；礦體總體南北向展布，走向長(zhǎng)853m，埋深18～930m，傾角45°～75°，水平厚度20～45m，平均厚度35m，最大大于80m；礦石工業(yè)類型有銅硫礦石、銅鋅硫礦石、鋅礦石和硫鐵礦礦石4種，除最后一種外，其余3種礦石很難分采；礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單；礦石堅(jiān)固性系數(shù)f=10～15，圍巖f=4～10，礦石密度3.95t/m³，圍巖密度2.65t/m³，松散性系數(shù)在1.5～1.65之間。礦山位置的絕對(duì)高度850～950m。該礦床屬于火山噴發(fā)-沉積成因的黃鐵礦型銅、鋅多金屬礦床。I號(hào)銅礦床由2個(gè)礦體組成，并以一號(hào)礦體為主，二號(hào)礦體為輔，在一號(hào)礦體下盤400m。一號(hào)礦體形態(tài)嚴(yán)格受地層及向斜構(gòu)造控制，與地層同步褶皺，為一東翼倒轉(zhuǎn)，向北傾伏的緊密向斜，其橫斷面呈“魚鉤”狀，水平斷面為“鐮刀”狀，礦量集中在400～600m之間，礦體從上盤到下盤依次為黃鐵礦(S)→單銅礦(CuS)→銅鋅礦(ZnCu)。因地處偏僻，道路較遠(yuǎn)，沒有銷路的黃鐵礦暫不開采之外，它是采場(chǎng)的直接上盤，也包括上盤圍巖為凝灰?guī)r，下盤圍巖是玄武巖。礦體的圍巖特點(diǎn)是上部(800m以上)與下部(650m以下)較穩(wěn)固，而中間由于構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，穩(wěn)固性較差。

爆破補(bǔ)償空間采礦方法

礦山投產(chǎn)時(shí)，根據(jù)礦體開采技術(shù)條件、礦山生產(chǎn)能力而選用了設(shè)計(jì)資料推薦的兩種采礦方法：即上采區(qū)采用中深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法；下采區(qū)厚大礦體開展了深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法試驗(yàn)與工業(yè)應(yīng)用。按照單個(gè)采場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)格，長(zhǎng)度為礦體水平厚度，采幅寬度12m，采場(chǎng)高度為階段高度50m。根據(jù)充填采礦法要求，采場(chǎng)隔一采一，即礦塊分礦房礦柱，第一步驟回采礦房，嗣后空區(qū)膠結(jié)充填，第二步驟回采礦柱，嗣后空區(qū)非膠結(jié)充填。采場(chǎng)垂直礦體走向布置。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)?shù)V體厚度小于50m時(shí)，采場(chǎng)長(zhǎng)為礦體寬度，當(dāng)?shù)V體厚度大于50m時(shí)，則同時(shí)布置2個(gè)采場(chǎng)開采。

爆破補(bǔ)償空間爆破補(bǔ)償空間開鑿方法

（1）淺眼留礦法

這是很多中小型金屬礦山常用的一種開鑿方法，結(jié)合中厚以下急傾斜礦體回采，劃分礦房與礦柱，先用淺眼留礦法回采礦房，然后用中深孔一次性爆破回收各種礦柱。而階段礦房法應(yīng)用此技術(shù)時(shí)，則或在礦房中部或在礦房一側(cè)布設(shè)淺眼落礦采場(chǎng)：其長(zhǎng)度為階段礦房法的寬度；采場(chǎng)寬度應(yīng)大于3～5m；高度與階段礦房法崩落高度一致；采場(chǎng)底部出礦結(jié)構(gòu)與階段礦房法相同；另需在采場(chǎng)兩端各掘一條采準(zhǔn)、通風(fēng)天井和相應(yīng)采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道。淺眼留礦法分層回采，分層高2～3m；采下礦石后需從底部放出1/3礦石，以保證采場(chǎng)有1.7m以上作業(yè)空間；采完出凈后留下的空區(qū)即是礦房大爆破補(bǔ)償空間。這里需注意：一是采切工程設(shè)計(jì)要合理；二是采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道相互錯(cuò)開；三是采場(chǎng)礦壁要直立，超欠挖不大于0.5m；四是采場(chǎng)規(guī)格要整齊，所以回采落礦應(yīng)重視質(zhì)量，加強(qiáng)測(cè)量管理工作。

（2）VCR法

VCR法是20世紀(jì)70年代加拿大某礦山回采礦壁時(shí)發(fā)明的一種新型空?qǐng)霾傻V法，即球型藥包倒漏斗后退式爆破回采法。根據(jù)利文斯頓漏斗爆破理論，把長(zhǎng)度與直徑之比小于6.0的短柱狀藥包可視為當(dāng)量球形藥包。所以，在階段礦房法中可用此法從底部結(jié)構(gòu)開始往上逐層爆破至礦房回采結(jié)束，此乃VCR法。使用此法需要高威力乳化炸藥，這就增大作業(yè)成本與管理難度。為降低成本也可用少量乳化炸藥自下而上逐層爆破形成一個(gè)切割槽，即爆破補(bǔ)償空間，然后用普通炸藥再行大爆破。其中要領(lǐng)：第一，VCR法布孔有別于礦房爆破的一般深孔；第二，每次落礦高度有嚴(yán)格要求，爆前應(yīng)檢查每個(gè)炮孔實(shí)際高度，再?zèng)Q定該孔裝藥量；第三，底部出凈礦石后再進(jìn)行下一次爆破作業(yè)；第四，每次爆破應(yīng)有設(shè)計(jì)，且嚴(yán)格按規(guī)程操作，不能產(chǎn)生拒爆現(xiàn)象，若發(fā)生處理非常困難，處理不好前功盡棄。

（3）分段中深孔擴(kuò)槽法

此法也叫一次成井法，是陜西省略陽縣楊家壩鐵礦與馬鞍山礦山研究院于20世紀(jì)90年代初研究成功的一種方法。為回采急傾斜厚大鐵礦采用無底柱分段崩落法，段高12m，間距12m，若用普通法掘進(jìn)天井施工強(qiáng)度大，難度也大，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，與生產(chǎn)要求不配套，于是應(yīng)用中深孔分段微差爆破法以中心孔為自由面利用17個(gè)炮孔爆破形成2m×2m切割天井，再以此天井為中心左右各3排，后2排與天井一起同時(shí)分段爆破而形成長(zhǎng)12m，寬3.5～4.0m切割槽。此法滿足了該礦生產(chǎn)技術(shù)要求，而我們應(yīng)用時(shí)要幾個(gè)分段同時(shí)使用才達(dá)目的。這樣一來，增加了掘進(jìn)工程量和生產(chǎn)難度。

楊家壩鐵礦實(shí)踐證明，此法形成切割槽形狀雖不十分規(guī)則，但完全可以保證切割效果。適用于中等硬度礦巖，f=8～10左右效果最好；過硬效果很不理想；過軟炮孔容易變形，無法保證裝藥和爆破效果；礦巖裂隙太大或太多，也會(huì)大大降低鑿巖和爆破效果。

（4）普通天井?dāng)U槽法

這是階段礦房法中最常用且比較簡(jiǎn)單的一種方法。它在礦房中央或一端自下而上用普通天井掘進(jìn)至礦房頂端，若是深孔礦房需與頂部鑿巖硐室貫通，然后用深孔擴(kuò)槽爆破而形成爆破補(bǔ)償空間；若是分段中深孔，即在分段鑿巖巷道內(nèi)垂直礦房再拉開鑿巖巷道至礦房邊界，以天井為自由面鉆鑿垂直上向平行中深孔爆破，分段爆破后形成一個(gè)礦房全高的中深孔爆破補(bǔ)償空間。

這里主要問題是普通掘進(jìn)天井法速度慢，耗材多，成本高，安全性稍差，一般掘通一條40～50m高的天井需時(shí)一個(gè)月以上；如果不是貫通天井，通風(fēng)效果差，低氣壓天氣容易炮煙中毒。所以，普通掘進(jìn)天井法加強(qiáng)局部通風(fēng)非常重要。

（5）吊罐天井?dāng)U槽法

此法的開鑿方式、掘進(jìn)順序和擴(kuò)槽方法與普通天井?dāng)U槽法一模一樣，主要區(qū)別是用吊罐掘進(jìn)天進(jìn)速度快，通風(fēng)好，且安全性也好些。但本法必須滿足下面幾個(gè)條件：一是天井上方應(yīng)有貫通的巷道如深孔鑿巖硐室；二是礦房底部結(jié)構(gòu)具有出礦能力；三是自上而下或自下而上需鉆鑿一個(gè)直徑100mm以上垂直孔，偏斜少于3°～5°，可上下連通鋼絲繩。如礦山或礦房使用深孔大爆破已經(jīng)具備這幾個(gè)條件，即可以使用吊罐法掘進(jìn)天井。

其關(guān)鍵技術(shù)：一是導(dǎo)向孔非常垂直，否則鋼絲繩磨損嚴(yán)重，偏斜過大該孔作廢；二是天井鑿巖時(shí)掏槽爆破的4個(gè)布置于大孔旁邊的炮眼要合理，避免導(dǎo)向孔擠死堵塞；三是若發(fā)生堵塞事故，先用水沖，后小炮震動(dòng)，都無效則需用鉆機(jī)解決。

（6）鉆機(jī)天井?dāng)U槽法

自1962年美國(guó)羅賓斯公司生產(chǎn)天井鉆機(jī)以來，許多國(guó)家都引進(jìn)或仿制。近年來，由于刀具和設(shè)備不斷改進(jìn)，國(guó)外使用礦山日益增多。西方國(guó)家此類鉆機(jī)已增至數(shù)百臺(tái)，累計(jì)進(jìn)尺約幾十萬米。我國(guó)已有20多個(gè)礦山在應(yīng)用，總進(jìn)尺超萬米。鑿孔直徑一般為0.5～2.0m。鉆進(jìn)方式有兩種：一種是上擴(kuò)法，鉆機(jī)安裝于上水平，用牙輪鉆頭向下鉆鑿導(dǎo)向孔，與下部中段貫通后，換上擴(kuò)孔鉆頭自下而上擴(kuò)至上部水平；另一種為下擴(kuò)法，其作業(yè)程序與上述相反?？咨钜话銥?0～50m。該法要求上下要有貫通通道，優(yōu)點(diǎn)是井壁穩(wěn)定與光滑，通風(fēng)阻力小；作業(yè)安全，勞動(dòng)強(qiáng)度?。痪蜻M(jìn)速度快，工效高。缺點(diǎn)為設(shè)備投資和生產(chǎn)成本較高，為此，一般礦山多用于掘進(jìn)通風(fēng)井，在階段礦房法中作為天井?dāng)U槽爆破未見使用。

爆破補(bǔ)償空間優(yōu)缺點(diǎn)與評(píng)價(jià)

上述6種爆破補(bǔ)償空間開鑿法，各自的優(yōu)缺點(diǎn)、使用條件和評(píng)價(jià)見表1。

爆破補(bǔ)償空間推薦方法

我國(guó)西北某銅礦是地下開采，自礦山投產(chǎn)以來以普通天井?dāng)U槽法形成爆破補(bǔ)償空間。此法雖然進(jìn)度慢，耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，并且使用大量木材，但是，依然可以滿足生產(chǎn)需要。由于礦山?jīng)]有一套天井吊罐設(shè)備，再加上天井吊罐施工人員包括卷?yè)P(yáng)工、吊罐鑿巖工、電動(dòng)裝巖工以及帶班長(zhǎng)等人員缺乏，所以提倡推廣天井吊罐掘進(jìn)工藝在狀態(tài)下該礦山也很困難；但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看包括開采成本、施工進(jìn)度等應(yīng)該在這方面考慮采用為好。

吊罐法掘進(jìn)天井，工作安全，不需木材，速度快，效率高，成本低，通風(fēng)條件好，一般礦山未接觸過吊罐而深感神秘與困難，這是可以理解的。所以，除中深孔采場(chǎng)須使用普通天井?dāng)U槽法外，深孔礦房最好逐漸使用吊罐天井?dāng)U槽法，速度快，成本低，不難做到。作為我國(guó)西北某銅礦屬于大型地下開采的礦山，深孔爆破采礦法是大力提倡采用的；所以，采用一種先進(jìn)的爆破槽開鑿工藝應(yīng)該不成什么問題。

爆破是礦山開采的重要工藝環(huán)節(jié)，眾所周知，礦巖爆破須具備一定的補(bǔ)償空間，為爆破礦巖提供碎脹空間，形成礦巖爆破移動(dòng)自由面。一些礦山為提高爆破效率和生產(chǎn)的安全度嘗試應(yīng)用深孔空孔掏槽爆破和深孔爆破一次成井方法掘進(jìn)天井溜井和形成切割井，但成井率較低，其主要原因都與爆破補(bǔ)償空間參數(shù)選擇不合理有關(guān)。本研究通過一系列的室內(nèi)物理試驗(yàn)揭示巖石碎脹系數(shù)、補(bǔ)償空間與深孔爆破的關(guān)系，為現(xiàn)場(chǎng)爆破設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

爆破補(bǔ)償空間碎脹系數(shù)與深孔爆破補(bǔ)償空間的關(guān)系

散體受到擠壓后下落的情況與碎脹系數(shù)的減小并非成線性關(guān)系，在碎脹系數(shù)達(dá)到極限值(1.446)前，散體可順利下落，而當(dāng)碎脹系數(shù)小于該值后，散體下落量很少。碎脹系數(shù)為1.446對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)為44.6%，而松散狀態(tài)下的補(bǔ)償系數(shù)為54.7%?？梢姡杭词蛊扑閹r石無法完全松散，在一定的范圍內(nèi)仍可順利落礦，最小補(bǔ)償系數(shù)的確定為爆破補(bǔ)償空間的計(jì)算提供了依據(jù)。

爆破補(bǔ)償空間不同形式補(bǔ)償空間與深孔爆破成井的關(guān)系

通過查閱相關(guān)資料可知：幾乎所有立井的剖面均為一矩形，立井上下尺寸一致，切割井的截面或圓或方。立井爆破可提供的補(bǔ)償空間有限，單純?cè)黾忧懈罹闹睆綗o法有效利用切割巷提供的空間。若將立井剖面修改為上小下大的等腰梯形(楔形)，不但可有效減小破碎巖石的夾制力，最大限度地利用切割巷提供的空間，而且可有效利用爆炸產(chǎn)生的爆轟氣體協(xié)助完成爆破成井。不同形狀的切割井如圖1所示。

由圖1可知：兩切割井高均為L(zhǎng)，V₁在切割巷中對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償空間為V₂。若巖石破碎后的體積V=V₁K=V₁ V₂，取K=1.5，則V₂=0.5V₁，即采用直筒形切割井時(shí)，切割巷所能提供的補(bǔ)償空間為0.5V₁；由于V₃=V₅=0.5V₁，V₃部分的巖石破碎后增加的體積為0.5V₂=0.5V₄，同理V₅部分的巖石破碎后增加的體積為0.5V₂=0.5V₆，于是V₃、V₅部分相加，切割巷便可額外提供1個(gè)V₂，即采用楔形切割井時(shí)，切割巷為破碎巖石提供的補(bǔ)償空間可增加1倍。因此采用楔形切割井掘進(jìn)立井時(shí)，不但可減小切割井下部散體的夾制力，而且可有效增加破碎巖石的補(bǔ)償空間，同時(shí)楔形切割井體積的增加也為后續(xù)切割槽爆破提供了更多的補(bǔ)償空間。

爆破補(bǔ)償空間研究結(jié)論

（1）擠壓及松散2種狀態(tài)下巖石的碎脹系數(shù)均與塊度成反比，在擠壓狀態(tài)下礦巖的碎脹系數(shù)隨壓力的增加而減小，初期變化量較大，隨壓力的增加碎脹系數(shù)的變化量逐漸減小并緩慢趨于穩(wěn)定。

（2）通過分析礦巖碎脹特性對(duì)深孔爆破的影響，得出實(shí)驗(yàn)室條件下礦巖順利下落的合理補(bǔ)償系數(shù)為44.6%。

（3）通過分析深孔爆破中切割井的影響因素，認(rèn)為楔形切割井可有效增加補(bǔ)償空間，減小破碎巖石的夾制力，此外，楔形切割井可充分利用爆轟氣體協(xié)助完成爆破成井。 2100433B

爆破補(bǔ)償空間是大發(fā)展—用中深孔爆破落礦代替淺孔爆破落礦，增 加分段高度，取消假頂，以及使用高效率的采掘設(shè)備。中國(guó)從60年代開始使用分段崩落采礦法，到80年代這種采礦法已成為金屬礦山，尤其是鐵礦的主要采礦法。分段崩落采礦法的發(fā)展趨勢(shì)是簡(jiǎn)化底部結(jié)構(gòu)，增大結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及使用高效率的深孔鑿巖設(shè)備、出礦設(shè)備和掘進(jìn)設(shè)備。

爆破補(bǔ)償空間按分段自上而下開采。分段中，使崩落礦石和巖石充滿采空區(qū)，并在崩落巖石覆蓋下放礦的崩落采礦法這種采礦法包括：按要求進(jìn)行采準(zhǔn)，切割后，用中深孔或深孔和擠壓爆破或自由空間爆破落礦，強(qiáng)制或自然崩落圍巖，崩落礦石在崩落圍巖覆蓋下從分段的底部結(jié)構(gòu)或回采進(jìn)路端部放出，并用電把或有軌裝運(yùn)設(shè)備運(yùn) 搬。礦石分類按分段有無底柱，將分段崩落采礦法分為有底柱分段崩落采礦法和無底柱分段崩落采礦法。在前蘇聯(lián)，根據(jù)從崩下礦石體放礦的部位，將這兩種分段崩落采礦法分別叫做底部放礦分段崩落采礦法和端部放礦分段崩落采礦法。西歐和北美國(guó)家，將這兩種方法都叫做分段崩落采礦法。評(píng)價(jià)分段崩落采礦法與分層崩落采礦法相比的優(yōu)點(diǎn)是：開采強(qiáng)度大；勞動(dòng)生產(chǎn)率高；回采作業(yè)條件好；開采成本低其缺點(diǎn)是礦石損失與貧化大。與階段崩落采礦法相比，其優(yōu)點(diǎn)是回采工藝簡(jiǎn)單，殘留于礦體下盤上的落下礦石少，需要的爆破補(bǔ)償空間尺寸小，出礦巷 道容易維護(hù)。其缺點(diǎn)是采準(zhǔn)工作量大，分段崩落采礦法宜用于礦石中等穩(wěn)固以上，圍巖最好能自行崩落，崩落礦巖不粘結(jié)、不自燃。地表允許陷落的急傾斜厚礦體或任何傾角的極厚礦體。發(fā)展和趨勢(shì)分段崩落采礦法是由分層崩落采礦法演變出來的。19世紀(jì)90年代美國(guó)蘇必利爾湖地區(qū)的鐵礦首先使用低分段帶假頂?shù)姆侄伪缆洳傻V法。

根據(jù)爆下礦石的碎脹狀況，落礦爆破分為自由空間爆破和擠壓爆破，自由空間爆破是指供爆下礦石破碎膨脹所需空間(補(bǔ)償空間)足夠大，能滿足礦石的自由碎脹 。

爆破（英語：blasting，blast）是指采取一定措施、利用爆炸性物質(zhì)的爆炸能量對(duì)周圍介質(zhì)產(chǎn)生劇烈作用，以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的操作。

廣義的爆破泛指一切利用爆炸性物質(zhì)的爆炸能量來達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的操作，如采礦爆破、建（構(gòu)）筑物拆除爆破、廢棄彈藥銷毀爆破、軍事目標(biāo)爆破、恐怖襲擊爆破等。

狹義的爆破主要指利用炸藥的爆炸能量對(duì)介質(zhì)做功來達(dá)到預(yù)定工程目標(biāo)的操作，如采礦爆破、建（構(gòu)）筑物拆除爆破、巖土開挖爆破、清淤炸礁爆破、爆炸加工（含金屬破碎切割）、聚能爆破、地震勘探爆破、滅火爆破、堰塞壩搶險(xiǎn)爆破等。

而工程界中常說的靜態(tài)爆破只是通過化學(xué)膨脹劑反應(yīng)來對(duì)周圍介質(zhì)產(chǎn)生較為緩慢的壓力作用，而非一種爆破方法。 2100433B

炸藥在巖體中爆炸時(shí)，部分能量轉(zhuǎn)化為彈性波，在地殼中傳播引起的震動(dòng)。爆破地震對(duì)爆區(qū)周圍建筑物與構(gòu)筑物的破壞影響，稱爆破地震效應(yīng)。

目前多以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為爆破地震對(duì)建筑物、構(gòu)筑物破壞效應(yīng)的判據(jù),通常用經(jīng)驗(yàn)公式V=K(Q/R)計(jì)算。式中V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度(cm/s)；K為與場(chǎng)地條件、爆破方式有關(guān)的系數(shù);Q為分段爆破的最大一段裝藥量或齊發(fā)爆破的總裝藥量(kg);R為裝藥中心至被保護(hù)目標(biāo)點(diǎn)的距離(m)；n為系數(shù)，n為1/3至1/2；α為地震波衰減指數(shù)。K、α 的變化范圍很大，可按類似條件選取或以一定比例的試驗(yàn)確定。

爆破地震對(duì)建筑物、構(gòu)筑物的破壞判據(jù)，多以非結(jié)構(gòu)性損壞作臨界標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)普通地面建筑物，一般規(guī)定爆破振動(dòng)速度不大于5cm/s。采用微差爆破、預(yù)裂爆破、緩沖爆破和改變起爆順序等，是降低爆破地震的有效措施。