汪洋，范才兵，李角群，卢皎旭，傅信凯，程相琛

(1.中钢集团山东富全矿业有限公司，山东 济宁市 272500；2.中钢矿业开发有限公司，北京 100080；3.西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安 710015)

0 引言

中深孔爆破是无底柱分段崩落法回采中最重要的一个环节，爆破效果是否理想直接影响生产作业效率和企业经济效益，而一个合格的爆破设计则是矿石爆破质量的技术保证。与此同时，影响中深孔爆破的因素有很多，诸如炮孔直径、炸药单耗、排孔装药量、最小抵抗线和装药长度等。针对地下矿中深孔爆破设计，前人做了大量的研究。其一是基于特定矿岩条件下的特定爆破参数优化，主要表现为在其他条件不变的前提下改变一种或多种影响因素，如马俊杰等[1]基于爆破漏斗理论对采场爆破参数进行优化，最终得出采场的合理爆破参数、孔间距和排距；陈学松等[2]通过改变孔网参数控制爆破块度，在选择合理的孔网参数条件下进行间隔装药爆破试验，从而达到控制爆破块度及成本的目的。其二是针对爆破及其布孔优化设计，主要是基于AutoCAD 平台的二次开发利用，完成地下矿中深孔爆破的自动化设计，如郭进平等[3]采用三维实体模型切割方法，完成了上下分层相关巷道的断面切割，从而确定爆破边界范围，利用最短路径原理自动完成在孔底距约束范围内的中深孔布孔优化设计。刘益超等[4]基于双排起爆的条件下，利用最短路径算法将中深孔炮孔的长度约束在合理区间，使得中深孔爆破设计炮孔总长度最小、成本最低，同时借助AutoCAD 的二次开发平台，实现中深孔爆破设计的自动化，大大提高爆破效果。综上，尽管前人对中深孔爆破设计的优化有很多，但从中深孔爆破参数本身出发，探究爆破参数自身关系以及如何影响中深孔爆破设计的研究并不多见。因此，厘清爆破参数之间的相关关系，从而探究他们之间如何相互影响，又是如何影响中深孔爆破效果，对于地下矿中深孔爆破设计显得非常必要。

1 中深孔爆破设计中的爆破参数

1.1 炮孔直径

炮孔直径d与矿山采用的凿岩设备、炸药威力及矿岩性质等有关。在矿山初步设计中一般会根据矿山规模、矿岩性质及采矿方法等给出钻孔设备的型号与数量[5-7]。炮孔直径d直接影响单位长度炮孔装药量，同时也与每米炮孔崩落量成正比，与最小抵抗线有着密切的关系。

1.2 炸药单耗与排孔装药总量

（1）炸药单耗q。在施工过程中，炸药单耗q可以根据爆破漏斗试验确定[5]，但是当实际爆破环境无法进行漏斗试验时，如在开采缓倾斜极薄破碎矿体过程中，就无法在采场工作面实施漏斗试验，因此，也可以根据实际工程爆破经验，参考类似矿山实际指标确定炸药单耗q，还可根据岩石坚固性系数f确定炸药单耗（见表1）。

表1 类似矿山炸药单耗

（2）排孔装药总量Q。根据炸药单耗以及爆破矿岩量，可以计算出排孔装药总量Q。

式中，q为炸药单耗，kg/m3；W为最小抵抗线，m；S为扇形孔所负担爆破面积，m2。

1.3 最小抵抗线和孔间距与密集系数

（1）最小抵抗线W。

最小抵抗线W是指炮孔排面与平行自由面之间的垂直距离，也就是爆破排距。由炸药的破碎强度、炮眼直径、岩石特性以及补偿空间等因素所共同决定。最小抵抗线的选取一般有以下几种方法。

公式计算法。该方法在确定爆破参数上具有快速、方便、准确的特点，因此，在矿山爆破设计中应用最为广泛。

式中，d为孔径，m；ρ为装药密度，g/cm³；η为装药系数，0.7～0.8；m为深孔密集系数，平行孔取0.8～1.2，扇形孔取平均数。

比值法。根据以往工程施工经验，最小抵抗线W与炮孔直径d的比值系数一般与岩石坚固性系数有关，其对应关系见表2。

表2 最小抵抗线和炮孔直径比值关系

类比法。通过其他类似矿山施工数据来确定相关爆破参数，最小抵抗线W与炮孔直径d的对应关系见表3。

表3 最小抵抗线与炮孔直径关系

（2）孔间距a。孔间距由孔口距和孔底距两种形式表示。对于地下矿山扇形中深孔来说，孔口距是调节孔口装药密集度的指标，在炮孔布置设计中没有实际意义，不是设计控制指标，主要使用孔底距的大小表示孔间距[5-7]。孔底距调节排内网孔密度，由最大孔底距与最小孔底距共同约束，相邻炮孔的孔底距不宜过大或过小，应确保其在某个合理的区间范围[3-4]。

（3）炮孔密集系数m。炮孔密集系数是由孔口密集系数和孔底密集系数表示，其值等于孔间距a除以最小抵抗线W，需要注意的是，当布孔方式为扇形时，炮孔的孔底密集系数取值可适当增大到1.5～2.0。公式如（3）所示：

1.4 装药长度和填塞长度与炮孔长度

（1）装药长度Lz。扇形孔装药长度取值一般计算公式如式（4）所示：

式中，q1为线装药密度，kg/m。

（2）填塞长度Ls。扇形炮孔的填塞长度Ls一般小于最小抵抗线W，取值在最小抵抗线的2/5～4/5 范围内，也可以取装药长度的15%～20%，为了防止孔口密集系数不满足设计要求，相邻的炮孔会使用不相同的填塞长度。

（3）炮孔长度Lp。炮孔长度要大于或等于装药长度与填塞长度的总和，且在一般设计过程中，炮孔长度要满足二者的长度要求。另外，考虑设计、施工等因素影响，有必要按比例系数适当放大炮孔长度，比例系数一般取1.05～1.06。

1.5 起始炮孔角度与终止炮孔角度

起始炮孔角度α与终止炮孔角度β主要取决于是否有利于放矿作业。角度越大，爆破面积变小，崩矿量减少；反之角度如果太小就会导致矿石无法自溜运动，从而影响放矿效果。采用无底柱分段崩落法的地下矿山，中深孔扇形爆破两侧的边孔角一般取55°。

2 中深孔爆破设计的爆破参数分析

通过上述分析可知，爆破参数中有些参数是相对固定不变的，而有些参数是呈线性变化的，还有些参数是呈阶梯式变化的，且彼此之间存在着必然的联系。下面就地下矿中深孔爆破参数之间的相关性进行综合分析，以便为中深孔爆破设计提供有力支撑。

2.1 相对不变参数

分析可知，炮孔直径d、炸药单耗q、起始炮孔角度α与终止炮孔角度β，这几个因素是相对固定的。原因是炮孔直径d与钻孔设备有关，炸药单耗q与矿岩性质有关，起始炮孔角度α与终止炮孔角度β与采场参数及放矿有关，这些影响因素是相对不变的。四者之间没有直接关系。

2.2 线性变化参数与阶梯式变化参数

（1）呈线性变化参数。最小抵抗线W、孔间距a、炮孔密集系数m、排孔装药总量Q，这4 个因素都是在一个区间内呈线性变化的。首先，从最小抵抗线类比法取值可以看出，当炮孔直径一定时，最小抵抗线在某个区间呈线性变化。在实际工程爆破中，最小抵抗线就是炮孔排距，在一定区间内变化，绝不会有较大的突变。其次，从式（3）可以看出，a与W也呈线性关系，因此，孔底距也应是线性变化。最后，从式（1）可以看出，炸药单耗q和扇形孔所负担爆破面积S是相对不变的，排孔装药总量Q仅随最小抵抗线W呈线性变化。综上所述，这四个参数彼此之间存在着直接关系。

（2）呈阶梯式变化参数。炮孔总长度呈台阶式变化，其原因是布置设计炮孔时，随着最大孔底距的缩小，炮孔数量会突增一个，随着最大孔底距的放大，炮孔数量会突减一个。装药长度Lz、填塞长度Ls与炮孔长度Lp存在相关性，也会出现阶梯式变化。

3 工程实例

金山店铁矿目前采用无底柱分段崩落法开采，年产300 万t，其位于湖北省大冶市，距市中心约16 km，距黄石市区30 km，面积约2.54 km2。矿体主要由块状及侵染状、粉状、角砾状4 种矿石组成。

针对金山店铁矿的矿岩特性、设备及工程现状等进行了相关研究，前期提出了大间距结构参数的无底柱分段崩落回采方案，并经过多年实践。回采方案的主要参数取值有分段高度×进路间距为14（15）m×16 m 两种方案；双排炮孔起爆，采用小抵抗线、大孔底距，前后排炮孔交错布置，且后排炮孔边孔角度大于前排炮孔；最佳抵抗线取值为1.7 m，与结构参数相适应的最佳崩矿步距为3.4 m（不得小于3 m）；不同矿石类别的炸药单耗及矿石比重见表4。

表4 不同矿石类别炸药单耗取值

金山店铁矿已生产多年，进行了大量理论与现场实验研究，也取得了相对合理的大间距结构及相关爆破参数，但由于矿体4 种矿石组成特性的差异性，中深孔爆破布孔设计的精度和效率偏低，爆破效果时常不能达到预期要求。因此，对目前中深孔爆破进行优化非常必要。

中深孔爆破目标是有效崩落爆破范围内的矿岩。由于崩落矿岩的爆破面积与炸药单耗固定，装药总量也成为固定值。中深孔爆破设计首先是计算出装药总量，以及合理炮孔长度的上限与下限。然后调整孔底距，优化炮孔布孔设计，获得炮孔长度。最后比较炮孔长度是否在合理范围内，是则退出，否则重新调整孔底距，优化炮孔布孔设计，获得炮孔长度。优化后的金山店中深孔爆破设计如图1 所示。

图1 金山店无底柱分段崩落法中深孔爆破设计

4 结论

（1）通过对最小抵抗线W、孔间距a、炮孔密集系数m、排孔装药总量Q等进行研究，表明炸药单耗q和扇形孔所负担爆破面积S是相对不变的，排孔装药总量Q仅随最小抵抗线W呈线性变化，结果表明这4 个因素都是在一个区间内呈线性变化。

（2）研究发现在炮孔布置设计时，随着最大孔底距的缩小，炮孔数量会突增一个，随着最大孔底距的放大，炮孔数量会突减一个。装药长度Lz、填塞长度Ls与炮孔长度Lp存在相关性，结果表明炮孔总长度Lp是呈台阶式变化的。

（3）探究地下矿中深孔爆破参数之间的内在关系，有助于进一步提高爆破设计效率和爆破质量。