多排孔大区块爆破压渣厚度对电铲铲装效率的影响研究

谢 烽，刘玉龙，常 剑，黄 磊，李小龙

(1.北方爆破科技有限公司，北京 100097；
2.中广核铀业发展有限公司，北京 100029)

湖山铀矿位于西南非洲纳米比亚境内的沙漠地区，其铀储量位列世界第三，年开采剥离量约为1.4亿t。目前湖山铀矿生产区块爆破的炮孔排数一般在20～30排，如何在不降低现有单次爆破规模的情况下，合理应用压渣爆破技术，发挥压渣爆破在控制爆破位移，提高爆破质量及提升铲装效率等方面的优势，是湖山铀矿降本增效、实现精益运营的重要方向。

压渣爆破在国内大型矿山已有成熟运用，在德兴铜矿、霍林河南露天矿[1]、后布连露天煤矿[2]、白云鄂博铁矿等大型露天矿已得到应用并取得很好的效果[3],压渣爆破的炮孔排数在3～7排[4-11]。曹茂欣发现压渣爆破可增加破碎岩块的相互碰撞和挤压补充破碎[12]，提高爆炸能量的利用率，减少爆破移位，而且堆碴体厚度一般在10 m左右，在难爆区、出矿区或压渣较厚区域布孔排数一般控制在4排以内。赵博发现压渣爆破在爆破后可有效保持原始的矿岩边界[13]，便于爆后的分采分装，从而有效降低矿石的损失和贫化，另外，还可以提高预爆量，均衡生产。张生善等系统介绍了压渣爆破的作用过程[14]，以及合理压渣厚度的确定，同时说明了压渣爆破经济效果显著。

通过上述矿山的应用实践可以发现，目前国内压渣爆破的排数相对较少，对于超过10排及以上的压渣爆破，尚未看到相关文献报道。为此，拟从湖山铀矿实际情况出发，开展复杂矿体大型压渣爆破关键技术研究，首先的关键在于压渣厚度的确定。

为了满足矿山巨大的生产需求，湖山铀矿采用了CAT7495电铲，电铲斗容为60 m3，理论装载效率为4000 t/h，理论最佳铲运最佳高度16.3 m，其实物照如图1所示。对于矿山生产而言，挖运效率始终是最为重要的指标。因此，以电铲铲装效率作为衡量最佳压渣厚度的标准符合生产需要。

图 1 CAT7495电铲Fig. 1 CAT7495 rope shovel

为研究湖山铀矿爆破最佳压渣厚度，在现场选取了炮孔直径为251 mm，台阶高度为7.5 m的生产区块进行试验，压渣厚度分别为8 m、10 m、12 m、15 m。所选试验区块炮孔排数为24～28排，孔网参数如表1所示，试验区块爆前、爆后现场如图2所示。

表 1 孔网参数

图 2 爆前爆后照片Fig. 2 Pre-blast and post blast pictures

以两个排距为间隔，即13 m，对电铲的挖运效率进行统计，其统计结果如表2所示，并将结果绘制于图3中。

从表2可以看出，当压渣厚度为10 m时，电铲铲装效率最高。这是因为当压渣厚度为8 m时，爆破能量有一部分从自由面散失。当压渣厚度为10 m时，能量利用率最佳，既能向自由面有一定位移，又能为后排创造合适的自由面；
当压渣厚度大于10 m后，由于压渣过大，前排爆后无法为后排创造合适的自由面，爆破效果不佳，从而导致电铲铲装效率下降。从图3可以看出，爆破区域前九排，即开挖纵深至65 m处，电铲的铲装效率基本维持在高位。当开挖至第十排后(91 m处)，电铲铲装效率有明显的下降，且之后保持在一个基本相同的铲装效率上。通过数次相同类型的试验最终确认，对于炮孔直径为251 mm的生产区块爆破，最佳的压渣厚度为10 m，此时电铲铲装效率最高。

表 2 电铲铲装效率统计

图 3 不同压渣厚度条件下各位置电铲铲装效率的变化Fig. 3 Variations of shovel loading efficiency in various positions under different buffer thickness

从上一节内容可知，压渣爆破在10排之后，电铲铲装效率有明显下降。本节将会从块度分析及爆堆隆起两个方面对造成这一结果的原因进行分析。

3.1 块度分析

利用软件Desktop64进行爆后块度分析，每一个挖运排班结束后，选取新暴露的开挖面拍摄5张照片，分析如图4所示。

将块度分析结果统计于表3，并将结果绘制于图4中。

图 4 块度分析实例Fig.4 Fragmentation analysis example

从表3中可以看出不同压渣厚度下的爆破块度分布规律，当压渣厚度为10 m时，爆破块度0～1.2 m比例最高，平均值达到了100%，大块率最低。其次，在爆破块度为0～1.0 m到0～0.6 m的范围内，不同压渣厚度下块度分布差异很小。主要区别出现在0～400 mm与0～250 mm范围内，压渣厚度为10 m时该区间的爆破块度占比最高，此时电铲铲装效率也最高。将爆破块度0～400 mm和0～250 mm区间的数据绘制如图5所示。

表 3 块度分析结果

从图5中可以看出，当压渣厚度为10 m时，不同开挖纵深处，其块度分布均为最佳。这说明此时炸药爆炸能量利用率最高，400 mm到250 mm块度分布占比最大，使得电铲铲装效率最高。当开挖纵深达到91 m后，无论是块度小于400 mm还是小于250 mm，不同块度占比会有明显的下降，这说明压渣爆破的适用范围为10排炮孔时较为合理，如果进行多排孔大区块压渣爆破，10排之后的爆破参数需要调整。

图 5 不同开挖纵深下不同粒径区间爆后块度分布Fig. 5 Fragmentation distribution under different particle size range with different excavation depth

3.2 爆堆隆起分析

爆堆的隆起高度能表明爆后料堆的松散程度，松散度过大或者过小，均不利于电铲的铲装效率，因此必然有最佳的隆起高度使得电铲铲装效率最高。利用无人机对爆后爆堆形态进行拍摄，将拍摄后的照片放入Pix4D软件中处理，效果如图6所示，分析结果如图7所示。

图 6 无人机实拍图片及数据处理效果Fig. 6 Pictures from the drone and data processing results

图 7 爆堆高度处理结果示意Fig. 7 Blasting muck pile data processing results

隆起高度的处理结果统计于表4中，并将其绘制于图8中。

从表4中可以看出，当压渣厚度为8 m时，区块总体隆起最低，这是由于压渣厚度偏少从而导致爆破时区块向自由面方向位移偏大，而垂直方向位移偏少，从而导致隆起偏低。当压渣厚度为15 m时，区块总体隆起最高，这是因为前排压渣厚度过大，导致爆破时区块向自由面方向位移减少，而垂直方向上位移偏大，从而导致隆起偏大。

表 4 隆起测试结果

从图8中可以看出，当压渣厚度为10 m时，爆堆隆起高度适中。对于CAT7495电铲其最佳铲运高度为16.3 m，所以当压渣厚度为10 m与15 m时，相应的爆堆高度分别为12.60 m、12.72 m，此时最接近电铲最佳铲运高度，因此使得电铲铲运效率最大化。

图 8 不同压渣厚度下的隆起Fig. 8 Muck pile under different buffer thickness

3.3 经济分析

矿岩混爆条件下，矿石和岩石容易发生互混，造成矿石损失和贫化。根据测算，湖山铀矿贫化率每降低1个百分点，可为项目创造约5000万美元的经济效益。在全寿期内损失率每降低1%，可增加约932.8 t金属铀，即增加产品价值约1.5亿美元。压渣爆破的应用，使设备移动减少，场地清理工作量减少，从而导致爆破结束到生产开始的间隔时间缩短。同时，爆破后区块位移减少导致矿石的贫化率降低。有效生产时间增加以及矿石贫化减少，使得经济效益增加，采用清渣爆破与压渣爆破的各项指标对比其数据如表5所示。

表 5 清渣爆破与压渣爆破各项指标对比

(1)对于炮孔直径为251 mm的生产区块压渣爆破，最佳的压渣厚度为10 m，此时，不同开挖纵深处，600 mm到400 mm块度分布占比最大，其块度分布均为最佳，爆堆隆起高度达到12.6 m，最接近电铲铲装的最佳高度，电铲铲装效率最高。

(2)区块排数对压渣爆破效果有很大影响，对于炮孔直径为251 mm的生产区块爆破，最佳的炮孔排数为10排。超过10排后，爆破效果不佳，电铲铲运效率降低，此时应该对10排后的爆破参数进行调整以适应生产。

(3)采用压渣爆破，提高了生产效率，降低了矿石贫化率，在湖山铀矿全寿期内累计可以创造1.5亿美元的经济效益，这对于同类型大型矿山爆破工程具有非常重要的意义。

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