摘要：从岩层原因、爆破施工工艺及现场管理水平三个方面，分析了影响露天矿山大块率产生的因素，认为爆破设计为主要制约因素。通过分析岩层大块率的主要存在位置，提出了一些综合性治理措施，并给出了大块率的预测数学模型及评价指标，为降低露天矿大块率及提高爆破质量提供了新思路。
关键词：大块率；爆破设计；数学模型；评价指标
Causes of Block Rate in Open-pit Mine
and Analysis of Comprehensive Control Measures
ZHOU Min
(Hongda Blasting Co.,Ltd., Guang dong ,Guang Zhou 510623,China)
Abstract: From three aspects of rock stratum reason, blasting construction technology and site management level, this paper analyses the factors affecting the occurrence of large block rate in open pit mines, and considers that blasting design is the main restrictive factor. By analyzing the main existing position of rock mass ratio, some comprehensive control measures are put forward, and the prediction mathematical model and evaluation index of rock mass ratio are given, which provides a new idea for reducing rock mass ratio and improving blasting quality in open pit mines.
Key words: block ratio; blasting design; mathematical model; evaluation index
序言
随着露天矿开采范围与开采强度的不断增加，露天爆破的工程量也持续扩大，如何有效地提高爆破质量，是目前急需解决的一大难题。其中，大块率问题是评价爆破质量中的一个重要指标。爆破产生的大块岩石，一般认为尺寸大于100cm×100cm×100cm，各个矿区的规定也可能并不相同，适宜装车及筛选即可。一些矿区爆破产生的大块率已经严重影响到正常生产工作，导致生产环节衔接出现问题，使得二次处理成本显著增加，也存在较大的安全隐患。如何在控制爆破成本的条件下，减少大块率较高的情况，从而有效地提高开采效率，已引起许多专家学者的高度重视。张建华[1]对层状岩体软弱结构面与爆破效果的关系进行了理论分析，得出大块率与岩层走向存在一定的联系；郑炳旭[2]对赤铁矿爆破的破碎过程进行了模拟分析，认为大块率随着炸药单耗的增大而显著降低，当炸药单耗达到0.6kg/m3时，基本无大块；且增加炮孔直径与优化孔网参数都有助于改善大块率偏高的难题。王涛[3]以大石头露天矿的爆破情况为背景，对孔网参数、合理超深、装药方式、起爆网络、微差延时、施工管理等进行了优化设计，现场实践证明，岩石破碎情况较好。郑炳旭[4]采用K-R-D数学模型有效地预报了台阶爆破的炸药单耗与大块率的关系，为提高爆破质量提供了新思路。
综上所述，可以发现大块率较高的原因是多方面的，需要进行综合的调控。
1 大块产生的原因
大块的产生是多种因素综合作用的结果，主要包括岩层因素、爆破施工工艺、现场管理等。其中，最主要的因素为爆破施工工艺。
1.1 岩层因素
一般情况下，矿区赋存的岩体表现为各向异性，岩石的不均质情况尤为突出。岩石性质的差异性，导致岩石的可钻性与可爆性也不相同，对后续施工工序产生一定的影响。岩层因素对大块率的影响主要体现在：
（1）岩石的赋存状态
层状岩石与松散岩石受爆破影响，其破坏机理并不相同。其中，层状岩石的层理呈现一定规律的排序，岩石之间的粘聚力较大，受爆破作用后，岩石相互间的夹制效应明显，不易被均匀地破坏。而松散状岩石的整体强度及粘结性不大，被破坏的可能性较大。
（2）外界自然因素的影响
许多岩体外露范围大，受自然因素的影响较为严重，如风化作用，侵蚀作用等。岩石受风化影响后，岩石的强度明显降低，岩石的可钻性增加，容易被破碎；受水流长时间侵蚀后，岩石的内部结构将产生一些不可逆的变化，其强度有所降低，有利于爆破工作的进行，大块率不会过高。
1.2 爆破施工工艺
爆破施工环节主要包括：现场勘查、钻孔、爆破设计等。
（1）现场勘查
为了有效地降低大块率的产生，现场勘查阶段必不可少也十分关键。对爆破作业地点的有效核查，有助于制定后续的爆破设计，确定相应的钻孔施工地点、角度及深度等，也有利于爆破孔网参数设计。观察被爆区域岩层的赋存情况，是初步确定炸药单耗的重要基础。
（2）钻孔
爆破效果的好坏，受钻孔精度的影响较大。钻孔的位置若选择在不稳固岩层，成孔效果差，维护困难，影响到后续装药及填塞等。钻孔的直径较小时，装药量也较小，使得底部岩石的夹制作用明显，大块率将明显升高。角度设计不合理时，可能与岩层形成钳制作用，使得岩石的可爆性降低。钻孔深度达不到设计要求时，预期的爆破效果难以达到，还有可能产生根底，大块率将明显增加。当后期验孔环节没有执行到位时，钻孔精度难以保证，可能对爆破效果产生不利影响。
（3）爆破设计
爆破设计的范畴很大，其中对大块率产生影响的方面，主要包括：孔网参数、装药、填塞、起爆网络等方面。
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爆破设计中，孔网参数的合理确定，有助于爆破应力波在传递过程中形成有效叠加，从而很大程度上消除岩石间的夹制作用，使得岩石呈现均匀性破坏。当孔网参数过大时，只能在局部区域产生爆破影响，孔间岩层只呈现小程度松动，大块岩层后期难以处理。孔网参数较小时，爆破成本加大，爆破震动及飞石现象可能加大，安全隐患增加。
装药环节中，最主要的是确定炸药单耗，此外还有炸药品种的选择，装药长度等。为了控制生产成本，单纯地减少炸药单耗，是不可取的。炸药单耗过小时，岩石破碎程度低，大块现象明显，使得后期液压破碎二次处理或者抬炮处理的成本显著增加。极大地浪费了人力及物力，也增加了安全隐患，使得二次成本及隐形成本大幅度增加。
填塞环节中，主要是填塞位置的确定，填塞材料的选取，合理的填塞长度等。采用间隔装药时，当两次填塞参数的设计不合理时，导致爆破的爆轰波传递受阻，岩石破坏区域减小，不能有效地消除岩石间的夹制作用。采用连续装药结构时，若填塞长度不合理，使得底部炸药的爆破作用难以有效发挥，容易形成冲炮或者后冲现象，导致爆破能量的利用率不高，使得局部区域岩层仍以大块的形式存在。
装药及填塞作业完成后，合理的起爆网络结构也十分重要。其中，起爆线的连接方式及延迟时间的选取等，对爆破产生的应力波传播都有影响。不合理的起爆网络设计，降低了爆破能量的利用率，使得一定范围内的岩石以大块形式存在，也存在一定的安全隐患。
1.3 现场管理水平
现场勘查及爆破设计，都需要有效的管理工作。无序混乱的管理，容易引发安全事故。不规范的管理，导致爆破效果难以达到设计要求，无形中增加了二次成本。如在钻孔施工方面，要及时向施工队进行技术交底，确定施工位置及相关参数，并进行后续的严格验孔。发现不符合要求者，应进行重新打钻，确保钻孔质量合格。
2 大块产生的位置及综合治理措施
受岩层因素、爆破施工设计及现场管理水平的影响，大块产生的位置有：上部大块或者堵塞段大块、中部大块、前排大块、两侧大块、根脚大块。针对大块产生的位置，相应的综合治理措施为：
（1）上部大块或者堵塞段大块。钻孔上部出现大块，主要是因为爆轰波在堵塞段受阻，降低了炸药的威力。可能是堵塞段出了问题，过长的填塞，不利于爆破能量的集中利用。故需要调整填塞参数或者填塞材料，不含水的钻孔最好采用岩粉或者黏土进行填塞；含水的炮孔，应及时排出孔内积水或者采用小直径的碎石子填塞，不可混入较大尺寸的岩块，容易造成炮孔堵塞，使得爆破质量下降，导致了大块岩石的产生。此时，可减少填塞段长度，通常采用20倍炮孔孔径。
（2）中部大块。中部大块岩石的产生，主要是中部孔网参数布置不合理造成的；当孔网过大或者钻孔偏差大，爆破应力波的传播在相邻孔间受阻，爆破能量不足以破碎孔间的岩石，只在岩层间产生低程度的松动，导致大块率激增。合理的孔网参数是提高爆破质量的前提，在进行爆破设计时，可以进行提前试爆，及时调整参数。同时，要严格控制钻孔精度。
（3）前排大块。可能是最小抵抗线的选取不合理，或者是前排装药量不足。合理确定前排抵抗线的大小，可在前排增加一些空孔，形成附加自由面，减少岩石的夹制作用，是改善前排大块率较高的有利措施。
（4）两侧大块。炮区两侧大块的产生主要与边缘孔的孔网布置有关。孔网参数的设计并不是一层不变，在边缘处应比中部孔网参数缩小，具体的降低范围与岩层赋存情况有关，同时增加炮孔长度也是可行的。
（5）根脚大块。根脚是产生大块率的重灾区，主要受炸药单耗不足及超深长度不足的影响。根脚处岩石夹制作用明显，导致岩石的爆破效果不佳。目前对根脚的治理，主要是有效地增加超深，一般为钻孔深度的8%~12%。
大块率偏高的有效治理措施，是需要多方面同时进行的。岩层因素是难以改变的，但可采用多打一些空孔，形成附加自由面，尽量降低岩石间的夹制作用。爆破设计是治理过程中的最重要环节，必须要从现场勘查、钻孔、装药、孔网设计、填塞、起爆网路选取方面综合选取。适度增加炸药单耗、孔网参数不应过大、在边缘处适当减小孔网参数、保证填塞质量及采用高精度或者数码雷管起爆网络等，可确保爆破应力波的有效传递，从而克服岩层间的夹制作用，实现爆破能量利用率的最大化。有效的现场规范管理是保证施工按设计要求进行的可靠保证，发现不合理的施工时，要及时督促修改。最终，在三个环节进行动态调整，实现岩石的分级治理，保证设计参数在合理范围。
3 评价指标及预测模型
大块率的评价指标是反映爆破质量的一个重要参考，主要是爆堆岩石的块度大小、需要液压破碎机二次破碎及抬炮处理的个数。在控制成本在合理区间的前提下，尽可能降低大块率的产生，对后期挖运及矿石筛选都十分有利。
此外，目前存在一些岩石块度的预测模型，如K-R-D数学模型[4]、Kuznetsov平均矿岩块度预测数学模型和Rosin-Rammler矿岩块度分布数学模型。这些数学模型可以在给定大块率的条件下，计算出所需的炸药单耗，从而计算出所需的药量，实现动态调节。为大块率的确定给出了一定的理论依据，再结合矿区的长期施工经验，可以较大程度地遏制大块率偏高的现象。
4 建议
（1）钻孔位置及相关参数的确定对爆破效果的影响极其重要，现场要及时检查钻孔施工情况，必须要保证钻孔精度，将钻孔误差控制在合理范围。
（2）炸药单耗的选取要根据岩石的赋存情况、结合矿区实际的施工经验及各种块度预测模型，综合给出合理的炸药单耗值。
（3）在炮区边缘处要适度增加孔网密度；适宜的超深是避免根脚的有利措施，必须按设计施工。三角形布孔及V型起爆网络有利于爆破能量的有效利用，从而减少岩石的夹制作用。
5 结论
（1）分析了大块产生的原因，主要包括岩石因素、爆破施工设计及现场管理水平。其中，最重要的是爆破设计的因素，炸药单耗、孔网参数、填塞质量及起爆网络设计的选取是重中之重。
（2）分析了大块产生的主要位置，并给出了相应的治理措施。实现多方面综合治理进而达到动态调控，是降低大块率的有效措施。
（3）提出了大块率的3个评价指标，即爆堆岩石的块度大小、需要液压破碎机二次破碎及抬炮处理的个数。同时，认为通过一些块度数学分析模型的应用，可有效降低大块率。
参考文献：
[1]张建华，张鹏，王涛.层状岩体爆破抛掷方向对大块率的影响[J].工程爆破，2014，20(3)：10-12，36.
[2]郑炳旭，冯春，宋锦泉，等.炸药单耗对赤铁矿爆破块度的影响规律数值模拟研究[J].爆破，2015，32(3)：62-69.
[3]王涛，杨登跃，廖新朝.减少中深孔爆破大块及根底的措施[J].现代矿业，2014，30(4)：167-169.
[4]郑炳旭.条形药包硐室爆破K-R-D模型与爆堆级配及大块率预测方法的探讨[A].中国工程爆破协会、中国力学学会.中国爆破新技术Ⅱ[C].中国工程爆破协会、中国力学学会：2008：5
论文作者:周 敏
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第05期
论文发表时间:2019/6/21
标签：岩石论文; 钻孔论文; 岩层论文; 炸药论文; 参数论文; 根脚论文; 现场论文; 《工程管理前沿》2019年第05期论文;