爆破補償空間爆破補償空間開鑿方法探討

爆破補償空間礦山開采背景

我國西北某銅礦位于我國大西北與哈薩克斯坦交界的一個縣境內，是于20世紀80年代以來探明的銅鋅礦床，經(jīng)國土資源部批準勘探。它屬于一個大中型多金屬礦床，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級銅鋅金屬量數(shù)十萬噸。它也是國內近期探明的一個富銅礦床，除交通條件不便之外，其它供水、供電條件方便；但它更是一個銅鋅混合型礦床，其分選技術要求較高，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個礦化蝕變帶，I號蝕變帶是礦區(qū)最主要的蝕變帶，其中I號銅礦床即賦存于其中。I號銅礦床由2個礦體組成，并以一號礦體為主，其銅金屬量占礦床總儲量的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)水文地質條件簡單；礦石堅固性系數(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號銅礦床由2個礦體組成，并以一號礦體為主，二號礦體為輔，在一號礦體下盤400m。一號礦體形態(tài)嚴格受地層及向斜構造控制，與地層同步褶皺，為一東翼倒轉，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，沒有銷路的黃鐵礦暫不開采之外，它是采場的直接上盤，也包括上盤圍巖為凝灰?guī)r，下盤圍巖是玄武巖。礦體的圍巖特點是上部(800m以上)與下部(650m以下)較穩(wěn)固，而中間由于構造節(jié)理發(fā)育，穩(wěn)固性較差。

爆破補償空間采礦方法

礦山投產(chǎn)時，根據(jù)礦體開采技術條件、礦山生產(chǎn)能力而選用了設計資料推薦的兩種采礦方法：即上采區(qū)采用中深孔空場嗣后充填采礦法；下采區(qū)厚大礦體開展了深孔階段空場嗣后充填采礦法試驗與工業(yè)應用。按照單個采場設計規(guī)格，長度為礦體水平厚度，采幅寬度12m，采場高度為階段高度50m。根據(jù)充填采礦法要求，采場隔一采一，即礦塊分礦房礦柱，第一步驟回采礦房，嗣后空區(qū)膠結充填，第二步驟回采礦柱，嗣后空區(qū)非膠結充填。采場垂直礦體走向布置。根據(jù)設計要求，當?shù)V體厚度小于50m時，采場長為礦體寬度，當?shù)V體厚度大于50m時，則同時布置2個采場開采。

爆破補償空間爆破補償空間開鑿方法

（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。而階段礦房法應用此技術時，則或在礦房中部或在礦房一側布設淺眼落礦采場：其長度為階段礦房法的寬度；采場寬度應大于3～5m；高度與階段礦房法崩落高度一致；采場底部出礦結構與階段礦房法相同；另需在采場兩端各掘一條采準、通風天井和相應采場聯(lián)絡道。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)即是礦房大爆破補償空間。這里需注意：一是采切工程設計要合理；二是采場聯(lián)絡道相互錯開；三是采場礦壁要直立，超欠挖不大于0.5m；四是采場規(guī)格要整齊，所以回采落礦應重視質量，加強測量管理工作。

（2）VCR法

VCR法是20世紀70年代加拿大某礦山回采礦壁時發(fā)明的一種新型空場采礦法，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，把長度與直徑之比小于6.0的短柱狀藥包可視為當量球形藥包。所以，在階段礦房法中可用此法從底部結構開始往上逐層爆破至礦房回采結束，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切割槽，即爆破補償空間，然后用普通炸藥再行大爆破。其中要領：第一，VCR法布孔有別于礦房爆破的一般深孔；第二，每次落礦高度有嚴格要求，爆前應檢查每個炮孔實際高度，再決定該孔裝藥量；第三，底部出凈礦石后再進行下一次爆破作業(yè)；第四，每次爆破應有設計，且嚴格按規(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，若用普通法掘進天井施工強度大，難度也大，作業(yè)時間長，與生產(chǎn)要求不配套，于是應用中深孔分段微差爆破法以中心孔為自由面利用17個炮孔爆破形成2m×2m切割天井，再以此天井為中心左右各3排，后2排與天井一起同時分段爆破而形成長12m，寬3.5～4.0m切割槽。此法滿足了該礦生產(chǎn)技術要求，而我們應用時要幾個分段同時使用才達目的。這樣一來，增加了掘進工程量和生產(chǎn)難度。

楊家壩鐵礦實踐證明，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，也會大大降低鑿巖和爆破效果。

（4）普通天井擴槽法

這是階段礦房法中最常用且比較簡單的一種方法。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，然后用深孔擴槽爆破而形成爆破補償空間；若是分段中深孔，即在分段鑿巖巷道內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礦房全高的中深孔爆破補償空間。

這里主要問題是普通掘進天井法速度慢，耗材多，成本高，安全性稍差，一般掘通一條40～50m高的天井需時一個月以上；如果不是貫通天井，通風效果差，低氣壓天氣容易炮煙中毒。所以，普通掘進天井法加強局部通風非常重要。

（5）吊罐天井擴槽法

此法的開鑿方式、掘進順序和擴槽方法與普通天井擴槽法一模一樣，主要區(qū)別是用吊罐掘進天進速度快，通風好，且安全性也好些。但本法必須滿足下面幾個條件：一是天井上方應有貫通的巷道如深孔鑿巖硐室；二是礦房底部結構具有出礦能力；三是自上而下或自下而上需鉆鑿一個直徑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)具備這幾個條件，即可以使用吊罐法掘進天井。

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

（6）鉆機天井擴槽法

自1962年美國羅賓斯公司生產(chǎn)天井鉆機以來，許多國家都引進或仿制。近年來，由于刀具和設備不斷改進，國外使用礦山日益增多。西方國家此類鉆機已增至數(shù)百臺，累計進尺約幾十萬米。我國已有20多個礦山在應用，總進尺超萬米。鑿孔直徑一般為0.5～2.0m。鉆進方式有兩種：一種是上擴法，鉆機安裝于上水平，用牙輪鉆頭向下鉆鑿導向孔，與下部中段貫通后，換上擴孔鉆頭自下而上擴至上部水平；另一種為下擴法，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)點是井壁穩(wěn)定與光滑，通風阻力??；作業(yè)安全，勞動強度?。痪蜻M速度快，工效高。缺點為設備投資和生產(chǎn)成本較高，為此，一般礦山多用于掘進通風井，在階段礦房法中作為天井擴槽爆破未見使用。

爆破補償空間優(yōu)缺點與評價

上述6種爆破補償空間開鑿法，各自的優(yōu)缺點、使用條件和評價見表1。

爆破補償空間推薦方法

我國西北某銅礦是地下開采，自礦山投產(chǎn)以來以普通天井擴槽法形成爆破補償空間。此法雖然進度慢，耗時長，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)]有一套天井吊罐設備，再加上天井吊罐施工人員包括卷揚工、吊罐鑿巖工、電動裝巖工以及帶班長等人員缺乏，所以提倡推廣天井吊罐掘進工藝在狀態(tài)下該礦山也很困難；但是，從長遠來看包括開采成本、施工進度等應該在這方面考慮采用為好。

吊罐法掘進天井，工作安全，不需木材，速度快，效率高，成本低，通風條件好，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，除中深孔采場須使用普通天井擴槽法外，深孔礦房最好逐漸使用吊罐天井擴槽法，速度快，成本低，不難做到。作為我國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，采用一種先進的爆破槽開鑿工藝應該不成什么問題。

爆破補償空間是大發(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備。中國從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)展趨勢是簡化底部結構，增大結構參數(shù)，以及使用高效率的深孔鑿巖設備、出礦設備和掘進設備。

爆破補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：按要求進行采準，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構或回采進路端部放出，并用電把或有軌裝運設備運 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。西歐和北美國家，將這兩種方法都叫做分段崩落采礦法。評價分段崩落采礦法與分層崩落采礦法相比的優(yōu)點是：開采強度大；勞動生產(chǎn)率高；回采作業(yè)條件好；開采成本低其缺點是礦石損失與貧化大。與階段崩落采礦法相比，其優(yōu)點是回采工藝簡單，殘留于礦體下盤上的落下礦石少，需要的爆破補償空間尺寸小，出礦巷 道容易維護。其缺點是采準工作量大，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、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)展和趨勢分段崩落采礦法是由分層崩落采礦法演變出來的。19世紀90年代美國蘇必利爾湖地區(qū)的鐵礦首先使用低分段帶假頂?shù)姆侄伪缆洳傻V法。

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償空間，為爆破礦巖提供碎脹空間，形成礦巖爆破移動自由面。一些礦山為提高爆破效率和生產(chǎn)的安全度嘗試應用深孔空孔掏槽爆破和深孔爆破一次成井方法掘進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償空間參數(shù)選擇不合理有關。本研究通過一系列的室內物理試驗揭示巖石碎脹系數(shù)、補償空間與深孔爆破的關系，為現(xiàn)場爆破設計提供依據(jù)。

爆破補償空間碎脹系數(shù)與深孔爆破補償空間的關系

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系，在碎脹系數(shù)達到極限值(1.446)前，散體可順利下落，而當碎脹系數(shù)小于該值后，散體下落量很少。碎脹系數(shù)為1.446對應的補償系數(shù)為44.6%，而松散狀態(tài)下的補償系數(shù)為54.7%?？梢姡杭词蛊扑閹r石無法完全松散，在一定的范圍內仍可順利落礦，最小補償系數(shù)的確定為爆破補償空間的計算提供了依據(jù)。

爆破補償空間不同形式補償空間與深孔爆破成井的關系

通過查閱相關資料可知：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償空間有限，單純增加切割井的直徑無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，V₁在切割巷中對應的補償空間為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，切割巷所能提供的補償空間為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V₂，即采用楔形切割井時，切割巷為破碎巖石提供的補償空間可增加1倍。因此采用楔形切割井掘進立井時，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償空間，同時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償空間。

爆破補償空間研究結論

（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深孔爆破的影響，得出實驗室條件下礦巖順利下落的合理補償系數(shù)為44.6%。

（3）通過分析深孔爆破中切割井的影響因素，認為楔形切割井可有效增加補償空間，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

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、利用爆炸性物質的爆炸能量對周圍介質產(chǎn)生劇烈作用，以達到預定目標的操作。

廣義的爆破泛指一切利用爆炸性物質的爆炸能量來達到預定目標的操作，如采礦爆破、建（構）筑物拆除爆破、廢棄彈藥銷毀爆破、軍事目標爆破、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介質做功來達到預定工程目標的操作，如采礦爆破、建（構）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、堰塞壩搶險爆破等。

而工程界中常說的靜態(tài)爆破只是通過化學膨脹劑反應來對周圍介質產(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，部分能量轉化為彈性波，在地殼中傳播引起的震動。爆破地震對爆區(qū)周圍建筑物與構筑物的破壞影響，稱爆破地震效應。

目前多以質點振動速度作為爆破地震對建筑物、構筑物破壞效應的判據(jù),通常用經(jīng)驗公式V=K(Q/R)計算。式中V為質點振動速度(cm/s)；K為與場地條件、爆破方式有關的系數(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目標點的距離(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確定。

爆破地震對建筑物、構筑物的破壞判據(jù)，多以非結構性損壞作臨界標準。對普通地面建筑物，一般規(guī)定爆破振動速度不大于5cm/s。采用微差爆破、預裂爆破、緩沖爆破和改變起爆順序等，是降低爆破地震的有效措施。