扇形炮孔

扇形炮孔包括分段回採、在進路內鑿岩、爆破與出礦，其特徵在於將礦體自上而下分為誘導冒落區、正常回採區和底部回收區而依次分別進行作業。

基本介紹

• 中文名：扇形炮孔
• 套用：採礦作業
• 特徵：將礦體自上而下分區
• 包括：分段回採、進路內鑿岩、爆破出礦

概述

扇形炮孔包括分段回採、在進路內鑿岩、爆破與出礦，其特徵在於將礦體自上而下分為誘導冒落區、正常回採區和底部回收區而依次分別進行作業。誘導冒落區爆破回採的目的主要是崩落進路之間的支撐，誘導上部礦石自然冒落；正常回採區爆破回採本區礦量，同時接收上部冒落礦石；底部回收區負擔采場殘留礦量的回收和近底板或下盤礦量的回採。將原來同一的礦段分劃為上下三區通過誘導冒落和爆破崩落相結合落礦、低貧化放礦和在底部設定回收工段的方式進行回採。本發明還改進了扇形炮孔布置、裝藥結構和起爆方式，提出了一種分組式多段微差起爆方案。

爆破參數

孔徑Φ

它主要取決於鑽機類型、台階高度和岩石性質。孔徑有100～500mm。

國內採用的深孔直徑有80mm、100mm、150mm、170mm、200mm、250mm、300mm等。

孔深L據台階高度H而定。

台階高度H和超深h

台階高度多採用10～12m，也有採用H=15～20m和H=12～18m的。

超深h是指鑽孔超過底盤標高的那一段孔深，其作用是用來克服台階底盤岩石的夾製作用，h太大，浪費鑽孔和炸藥，太小，不足克服下部夾制力，易留根底。因此h應有一理想長度，一般取h=(0.15～0.35)W1。W1是底盤抵抗線，單位為m。當岩石軟時，取小值，岩石堅硬取大值。也可按h為孔徑的8～12倍，即h=(8～12)Φ。

底盤抵抗線W1

W1的大小與岩石性質、炸藥特性、坡度角大小、台階高度、鑽孔直徑及塊度要求等因素有關。

(1)根據鑽孔安全條件，W1=Hctga+B；

(2)按台階高度：W1=(0.6～0.9)H；

礦山扇形炮孔布置形式分析

無底柱分段崩落法中扇形炮孔布置形式的優良與否直接影響到爆破效果的好壞，並對爆破後的生產有極大影響。如何規範化布置扇形炮孔，對於改善回採爆破效果，提高礦山生產率，降低生產成本有較大的實際意義。

扇形炮孔爆破條件的分析

根據邊界約束條件，無底柱分段崩落法扇形炮孔爆破的邊界條件（圖1）可分為3類：

即實體岩壁邊界，如圖1中的jk與ij線段；由回採爆破所形成的散體邊界，如圖1bc、ef與fg線段；由回採進路所形成的邊界，如cd、de、gh、hi和ak線段。這3類邊界對爆破的約束阻力各有差異。

圖1 無底柱分段崩落法扇形炮孔爆破的邊界條件

根據工程爆破理論，這3類約束邊界中，實體岩壁邊界對扇形炮孔爆破的約束力最大。該邊界與炮排平面內的兩個邊孔位置重合，因而只要炸藥量適當且有合宜的碎脹空間，就可將礦石沿著邊界崩開，並在邊界局部範圍內形成厚度為炮孔半徑3~7倍的破碎帶。而ij邊界炮孔又有所不同，其所在部位的炮孔與部分炮孔斜交，此處的爆破夾制力最大，達不到設計預期的爆破效果，在孔底常常留有一定量的殘眼。為避免這種現象，在實際工程中，儘量將這部分的炮孔深打，但應避免與鄰排炮孔打透。就回採爆破所形成的散體邊界來說，根據形成邊界條件的不同，可分為兩類：一是由與邊界面斜交爆破形成的邊界（bc），二是由與邊界重合炮孔（邊孔）爆破形成的邊界（ef與fg）。bc段是相鄰兩排炮在實體邊界條件下爆破形成，在此位置孔底的夾製作用較大，以致無法形成較為平整的邊界，這也正是此處往往不能被順利崩透而形成隔牆的原因。而ef與fg邊界是由上分段排炮邊孔爆破所形成。回採進路所形成的邊界是指由上下分段回採進路所構成的邊界約束條件。回採進路在開挖與回採過程中由於采動應力和原岩應力的作用，進路四周岩體徑向將產生壓應力和壓縮變形，切向則產生拉應力和拉伸變形，當壓、拉應力超過岩石的抗壓、拉強度時，就會在進路四周一定範圍內形成圍岩裂隙帶（圍岩鬆動圈）。此外，由於岩體的自重，就鬆動厚度來說，巷道底板小於兩幫。由於回採進路四周存在鬆動圈，使得進路邊界部位處的夾製作用大大減小，從而所需的爆破力度也大大降低。因此，對處於炮排內部分炮孔孔底部位的進路邊界，可以適當增大孔底與進路邊界之間的距離，以使炸藥爆破衝力與邊界約束阻力相協調，降低生產成本。

對處於回採進路邊界ak的炮孔，在離孔口的一定的範圍內，可交錯裝藥，適當減少炮孔的藥量，以避免礦石過度粉碎。緩傾斜中厚礦體條件下無底柱分段崩落法的炮排布置又具有自身的特殊性，因為在緩傾斜中厚礦體條件下，炮排將會布置在3個區段之中，分別是上盤區段、中間區段、下盤區段，如圖2。

圖2 上盤區段、中間區段、下盤區段

在這3個區段中中除了中間區段外，上盤和下盤均屬於礦岩混採區段，崩礦條件複雜，因此有必要對這3個不同區段的炮排布置加以研究，確定出最合理的布置方式。

礦山現行炮孔布置形式存在的問題分析

通過現場調研、分析，結合礦山設計資料，總結出該礦在中深孔布置中存在的主要問題有：

（1）邊孔角設計不合理。

就無底柱分段崩落法來說，炮孔的邊孔角是扇形炮孔一個重要參數。若邊孔角過大，會增大下一分段炮排中部炮孔的深度及鑿岩難度，致使爆破後所形成的“V”形槽角度過小，從而不利於散體的流動；如果邊孔角過小，則會使邊部炮孔進入散體擠壓帶範圍之內，無法保證炮孔爆破有足夠的碎脹空間，從而爆破時容易出現藥壺效應，不能有效地崩落礦岩，容易形成大塊礦石產生區。這也是該礦2540分段以上大塊率較高的原因之一，此外邊孔角過小還可能造成“懸頂”現象。該礦在生產中邊孔角的大小不固定，角度各個方向，邊孔的起始位置也不固定，前後排以及相鄰進路的邊孔角也不一致，這種情況將會導致進路間的桃形礦柱呈不規則的鋸齒狀，爆破後容易出現大塊甚至是“懸頂”和“隔牆”事故。

（2）炮孔的深度不足。

礦山分段高度為10m，而排面中間部位的炮孔深度僅打11m左右，不能很好的達到無底柱分段崩落法中桃形礦柱的高度要求（正常情況下一般為12~14m以上），這樣極易形成懸頂並發生隔牆事故，這也是在礦山的懸頂部位看不到炮孔的原因。炮孔深度不足在國內其他使用無底柱分段崩落法的礦山也較為常見。

（3）扇形炮孔未能嚴格按照擬崩落礦層的形狀布置。

正常回採進路間的桃形礦柱未能在爆破設計圖中顯示，這使得礦山在施工中，經常出現長度不夠或者透孔的現象。由於未按照實際崩落礦層形態設計布置炮孔，超爆、欠爆現象十分普遍。

（4）礦體上下盤處炮孔布置的排數沒有進行規範化，隨意性較大。

在實際情況下，礦區在上盤切岩過多導致貧化過大；下盤切岩過少則會導致上分段的轉移礦量以及下盤殘留礦量回收不足，造成礦石的損失貧化。

（5）炮孔在爆破時，未進行炮孔堵塞。

岩石的破壞是由於炸藥在爆破瞬間所釋放出的大量高溫高壓爆轟氣體照成的，若不堵塞炮孔將使大量的爆轟氣體在爆破瞬間由孔口衝出，這樣極大的削弱了炸藥對岩體的破壞作用，即出現“沖炮”現象。裝藥時孔口未採取交錯裝藥，而使空口處的藥量過於集中，致使爆破後後排炮孔眉線嚴重破壞。在排面內出現堵孔時，未能及時進行補孔，直接導致懸頂，使礦石資源損失。

（6）爆破管理制度不完善。

由於缺乏完善的管理機制，鑿岩深度往往不足，施工精度低，工人的工作責任心不強。上報數據出現“打少報多”的情況。再加上礦區的礦體較破碎，錯孔、堵孔以及塌孔等現象較為普遍。爆破環節中深孔裝藥不到位，擬崩落礦體的頂部往往不能被有效崩落，這些問題的出現都為礦山礦石的回收帶來了不利影響。

炮孔布置形式的最佳化措施

1、扇形排面邊孔角的取值最佳化

該礦礦體屬於緩傾斜中厚礦體，回採進路中扇形排面的邊孔角取值為30~35°，根據以上爆破邊界條件的分析可知，現行的邊孔角角度的取值有待改進。根據緩傾斜中厚礦體的賦存特徵，提出了有利於實際生產的“不同區段、不同邊孔角”的方案：

（1）中間區段（純礦石區帶）

對於礦區來講，由於礦體屬於緩傾斜中厚礦體，每一分段的起始部分位於上分段未崩落區，沒有上部覆岩，爆破實際上是在上部空場的情況下進行，屬於半自然鬆散狀態爆破，其崩落礦岩的安息角一般比自然安息角大，但較擠壓安息角小。經測算，空場條件下該礦區鐵礦石的放礦安息角為40~45°左右。因此從放礦角度考慮，中間地帶（純礦石區）邊孔角取45°。

（2）上盤區段

如果考慮到每分段開始部分回採兼有的崩落圍岩和放頂以釋放地壓的功能的話，45°的邊孔角崩落區至上部實體圍岩的距離僅為3.0~3.5m，不能有效崩透相鄰的回採巷道並使採空區相互貫通，上部圍岩很可能不會及時冒落。因此，每一分段初始部分（即礦體上盤與圍岩交界部分）可採用35°的邊孔角。

（3）下盤區段

對於每一分段的最後一部分（即礦體下盤與圍岩交界部分），由於其處於礦岩交界部位，特別是大部分炮孔位於下盤岩石中，爆破的主要作用是充分回收上部分段的下盤殘留礦石、脊部殘留礦石以及正面殘留礦石和部分礦岩混雜層等，此時的邊孔角可以有進一步的增大，通過增加進路間柱比重的方式減少下盤圍岩崩落量，減少不必要的貧化，同時也不必擔心下分段的鑿岩問題，此時邊孔角可以提高到60~70°左右，推薦按65°設計。

因此，針對該礦山的實際情況，在同一分層的不同區段（上盤交界、中間部位及下盤交界），根據放礦管理、放頂等工作需要，分別採用35°、45°、65°的邊孔角，並儘快形成相關設計和施工規範。建議在中孔設計中應當使同一進路及相鄰進路在同一區段中炮排的邊孔角保持一致。同時建議在同一區段的相鄰進路中布置炮排時儘量使炮排相互交錯，這樣更有利於充分利用炸藥能量。

2、炮排排面布置的最佳化

根據緩傾斜礦體無底柱分段崩落法的回採特點，上盤切割槽附近的崩礦炮排布置應為矩形排面，且為了能保證後續步距的正常爆破，矩形崩礦排面高度應大於或等於分段高度+桃形礦柱高度，否則極易由於前端的夾製作用導致懸頂事故的發生，其餘區段排面則應為桃形排面。

3、崩礦步距的最佳化

對於10m×10m結構參數的標準扇形中深孔，根據無底柱分段崩落法的放礦研究的結果可知，礦山目前採用的1.8m崩礦步距是合理的。因此，建議礦山上盤區段和中間區段施工中按1.8m的崩礦步距進行施工，但是在礦體下盤區段中，由於擬崩落的礦石位於廢石之上，因此出為了保證良好的回收效果，建議礦山適當增大崩礦步距，基本原則為：

（1）在礦體下盤圍岩接觸帶處，當進路上方岩石高度不超過5m時，仍舊採用1.8m的崩礦步距；

（2）當進路上方岩石高度超過5m但小於整個崩落高度的三分之二時，崩礦步距可增大到2m；

（3）當進路上方岩石高度超過整個崩落高度的三分之二時，可將步距增大到2.2m。但是，在崩礦步距增大後，每排炮孔的數目也應該適當增加，保證崩礦的炸藥單耗滿足需求。