爆破補償空間

爆破補償空間是大發展—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，以及使用高效率的採掘設備。中國從60年代開始使用分段崩落採礦法，到80年代這種採礦法已成為金屬礦山，尤其是鐵礦的主要採礦法。分段崩落採礦法的發展趨勢是簡化底部結構，增大結構參數，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採。分段中，使崩落礦石和岩石充滿採空區，並在崩落岩石覆蓋下放礦的崩落採礦法這種採礦法包括：按要求進行採準，切割後，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採進路端部放出，並用電把或有軌裝運設備運 搬。礦石分類按分段有無底柱，將分段崩落採礦法分為有底柱分段崩落採礦法和無底柱分段崩落採礦法。在前蘇聯，根據從崩下礦石體放礦的部位，將這兩種分段崩落採礦法分別叫做底部放礦分段崩落採礦法和端部放礦分段崩落採礦法。西歐和北美國家，將這兩種方法都叫做分段崩落採礦法。評價分段崩落採礦法與分層崩落採礦法相比的優點是：開採強度大；勞動生產率高；回採作業條件好；開採成本低其缺點是礦石損失與貧化大。與階段崩落採礦法相比，其優點是回採工藝簡單，殘留於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。其缺點是採準工作量大，分段崩落採礦法宜用於礦石中等穩固以上，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。發展和趨勢分段崩落採礦法是由分層崩落採礦法演變出來的。19世紀90年代美國蘇必利爾湖地區的鐵礦首先使用低分段帶假頂的分段崩落採礦法。

我國西北某銅礦位於我國大西北與哈薩克斯坦交界的一個縣境內，是於20世紀80年代以來探明的銅鋅礦牀，經國土資源部批准勘探。它屬於一個大中型多金屬礦牀，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級銅鋅金屬量數十萬噸。它也是國內近期探明的一個富銅礦牀，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牀，其分選技術要求較高，所以又屬於難選型礦牀；若是採用濕法冶金，銅鋅分離不成問題，且回收率可相應提高。該礦牀屬於火山噴發-沉積成因的黃鐵礦型銅、鋅多金屬礦牀。礦區初步劃定9個礦化蝕變帶，I號蝕變帶是礦區最主要的蝕變帶，其中I號銅礦牀即賦存於其中。I號銅礦牀由2個礦體組成，並以一號礦體為主，其銅金屬量佔礦牀總儲量的97.43%，是礦牀的主要工業礦體；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，最大大於80m；礦石工業類型有銅硫礦石、銅鋅硫礦石、鋅礦石和硫鐵礦礦石4種，除最後一種外，其餘3種礦石很難分採；礦區水文地質條件簡單；礦石堅固性係數f=10～15，圍巖f=4～10，礦石密度3.95t/m³，圍巖密度2.65t/m³，鬆散性係數在1.5～1.65之間。礦山位置的絕對高度850～950m。該礦牀屬於火山噴發-沉積成因的黃鐵礦型銅、鋅多金屬礦牀。I號銅礦牀由2個礦體組成，並以一號礦體為主，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“魚鈎”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採之外，它是採場的直接上盤，也包括上盤圍巖為凝灰岩，下盤圍巖是玄武岩。礦體的圍巖特點是上部(800m以上)與下部(650m以下)較穩固，而中間由於構造節理髮育，穩固性較差。 ^[1] 

礦山投產時，根據礦體開採技術條件、礦山生產能力而選用了設計資料推薦的兩種採礦方法：即上採區採用中深孔空場嗣後充填採礦法；下采區厚大礦體開展了深孔階段空場嗣後充填採礦法試驗與工業應用。按照單個採場設計規格，長度為礦體水平厚度，採幅寬度12m，採場高度為階段高度50m。根據充填採礦法要求，採場隔一採一，即礦塊分礦房礦柱，第一步驟回採礦房，嗣後空區膠結充填，第二步驟回採礦柱，嗣後空區非膠結充填。採場垂直礦體走向佈置。根據設計要求，當礦體厚度小於50m時，採場長為礦體寬度，當礦體厚度大於50m時，則同時佈置2個採場開採。

（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採，劃分礦房與礦柱，先用淺眼留礦法回採礦房，然後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佈設淺眼落礦採場：其長度為階段礦房法的寬度；採場寬度應大於3～5m；高度與階段礦房法崩落高度一致；採場底部出礦結構與階段礦房法相同；另需在採場兩端各掘一條採準、通風天井和相應採場聯絡道。淺眼留礦法分層回採，分層高2～3m；採下礦石後需從底部放出1/3礦石，以保證採場有1.7m以上作業空間；採完出淨後留下的空區即是礦房大爆破補償空間。這裏需注意：一是採切工程設計要合理；二是採場聯絡道相互錯開；三是採場礦壁要直立，超欠挖不大於0.5m；四是採場規格要整齊，所以回採落礦應重視質量，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採礦壁時發明的一種新型空場採礦法，即球型藥包倒漏斗後退式爆破回採法。根據利文斯頓漏斗爆破理論，把長度與直徑之比小於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採結束，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，然後用普通炸藥再行大爆破。其中要領：第一，VCR法布孔有別於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，底部出淨礦石後再進行下一次爆破作業；第四，每次爆破應有設計，且嚴格按規程操作，不能產生拒爆現象，若發生處理非常困難，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，是陝西省略陽縣楊家壩鐵礦與馬鞍山礦山研究院於20世紀90年代初研究成功的一種方法。為回採急傾斜厚大鐵礦採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，作業時間長，與生產要求不配套，於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，後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則，但完全可以保證切割效果。適用於中等硬度礦巖，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，然後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，以天井為自由面鑽鑿垂直上向平行中深孔爆破，分段爆破後形成一個礦房全高的中深孔爆破補償空間。

這裏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鑽鑿一個直徑100mm以上垂直孔，偏斜少於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個佈置於大孔旁邊的炮眼要合理，避免導向孔擠死堵塞；三是若發生堵塞事故，先用水衝，後小炮震動，都無效則需用鑽機解決。

（6）鑽機天井擴槽法

自1962年美國羅賓斯公司生產天井鑽機以來，許多國家都引進或仿製。近年來，由於刀具和設備不斷改進，國外使用礦山日益增多。西方國家此類鑽機已增至數百台，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。鑽進方式有兩種：一種是上擴法，鑽機安裝於上水平，用牙輪鑽頭向下鑽鑿導向孔，與下部中段貫通後，換上擴孔鑽頭自下而上擴至上部水平；另一種為下擴法，其作業程序與上述相反。孔深一般為30～50m。該法要求上下要有貫通通道，優點是井壁穩定與光滑，通風阻力小；作業安全，勞動強度小；掘進速度快，工效高。缺點為設備投資和生產成本較高，為此，一般礦山多用於掘進通風井，在階段礦房法中作為天井擴槽爆破未見使用。

上述6種爆破補償空間開鑿法，各自的優缺點、使用條件和評價見表1。

我國西北某銅礦是地下開採，自礦山投產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，並且使用大量木材，但是，依然可以滿足生產需要。由於礦山沒有一套天井吊罐設備，再加上天井吊罐施工人員包括捲揚工、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下該礦山也很困難；但是，從長遠來看包括開採成本、施工進度等應該在這方面考慮採用為好。

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，除中深孔採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於大型地下開採的礦山，深孔爆破採礦法是大力提倡採用的；所以，採用一種先進的爆破槽開鑿工藝應該不成什麼問題。 ^[2] 

爆破是礦山開採的重要工藝環節，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選擇不合理有關。本研究通過一系列的室內物理試驗揭示岩石碎脹係數、補償空間與深孔爆破的關係，為現場爆破設計提供依據。

散體受到擠壓後下落的情況與碎脹係數的減小並非成線性關係，在碎脹係數達到極限值(1.446)前，散體可順利下落，而當碎脹係數小於該值後，散體下落量很少。碎脹係數為1.446對應的補償係數為44.6%，而鬆散狀態下的補償係數為54.7%。可見：即使破碎岩石無法完全鬆散，在一定的範圍內仍可順利落礦，最小補償係數的確定為爆破補償空間的計算提供了依據。

通過查閲相關資料可知：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岩石的夾制力，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生的爆轟氣體協助完成爆破成井。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。若岩石破碎後的體積V=V₁K=V₁+V₂，取K=1.5，則V₂=0.5V₁，即採用直筒形切割井時，切割巷所能提供的補償空間為0.5V₁；由於V₃=V₅=0.5V₁，V₃部分的岩石破碎後增加的體積為0.5V₂=0.5V₄，同理V₅部分的岩石破碎後增加的體積為0.5V₂=0.5V₆，於是V₃、V₅部分相加，切割巷便可額外提供1個V₂，即採用楔形切割井時，切割巷為破碎岩石提供的補償空間可增加1倍。因此採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岩石的補償空間，同時楔形切割井體積的增加也為後續切割槽爆破提供了更多的補償空間。

（1）擠壓及鬆散2種狀態下岩石的碎脹係數均與塊度成反比，在擠壓狀態下礦巖的碎脹係數隨壓力的增加而減小，初期變化量較大，隨壓力的增加碎脹係數的變化量逐漸減小並緩慢趨於穩定。

（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係數為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，減小破碎岩石的夾制力，此外，楔形切割井可充分利用爆轟氣體協助完成爆破成井。 ^[3]