1穿孔爆破.doc

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1、1 穿孔爆破金属露天矿采场内的矿岩，一般很难直接用采掘设备将它们从整体中分离出来，必须经过预先破碎。破碎矿岩的手段，主要是借助于穿孔爆破工作。部分经过破碎的矿岩，因破碎块度不符合要求，还需要进行二次破碎工作，以保证后序工艺的顺利进行。此外，穿孔爆破方法、参数选择、爆堆形状和尺寸等，亦对采装、运输（尤其铁路运输）工作等产生很大影响。因此，钻孔爆破工作通常是影响露天矿生产的一个重要工艺环节。在露天矿生产过程中，穿孔爆破费用约占生产总费用的2030，对矿石的开采成本影响较大。因此，不断改善穿孔爆破技术，加强穿孔爆破组织管理，提高穿孔爆破效率，为后序工艺创造良好的工作条件，对强化露天开采，降低矿石成本

2、，提高露天开采的经济效益等，都具有重要的意义。1.1 穿孔工作1.1.1 岩石的可钻性露天矿穿孔工作，就是在露天采场矿岩体中钻凿炮孔。穿孔作业是繁重的，昂贵的生产过程，特别是在难钻和极难钻的坚硬岩石中更是如此。穿孔效率取决于钻机的钻进速度，而钻速则受岩石可钻性的影响。所谓岩石的可钻性，是指在钻具的作用下，岩石破碎的难易程变。它主要取决于钻具的类型，同时还取决于岩石自身的物理力学特性等。确定岩石的可钻牲，是为了合理选择和使用钻头，确定钻孔参数，为预测钻头寿命提供科学依据；同时还可作为选择穿孔设备、制定穿孔作业计划以及拟定穿孔定额指标的参考。国内外有关部门，大都对岩石的可钻性进行了试验研究，并建立

3、了岩石可钻性的分级指标。影响岩石可钻性的岩石物理为学性质，有岩石的硬度、强度，韧性、塑性和磨蚀性等。测定岩石的可钻性，苏联广泛采用史氏（JI.A.史列伊涅尔）岩石硬度测定分级法；美国德雷塞钻具公司采用莫利斯方法（即在静压试验中，当钻齿压力达到临界压力之前，钻齿对岩块的实际压入深度与临界压力之比，作为岩石可钻性指标）；我国矿山用普氏岩石坚固性系数进行岩石分组。冶金部1980年6月鉴定通过的按凿碎功比耗确定岩石可钻性分级指标，适用于冲击式钻机。苏联学者B.B.里热夫斯基用岩石的钻进难度相对指标Z做为岩石可钻性的物理力学基础，其值可用来确定在外力作用下岩石的相对阻力。在确定值时，考虑了以下几点：1）

4、 穿孔时，压力和剪切力具有决定的意义。冲击式钻进时，岩石以压力破坏为主；回转式钻进时，岩石以剪切力破坏为主。2） 确定钻速时，岩体的裂隙度可忽略不计，只是在确定岩石坚固性时才考虑。3） 在穿孔过程中，只有及时排出孔内岩碴才能继续破坏岩石，所以在评价可钻性时，还必须考虑岩石的容重。由此，岩石的可钻性指标Z值可用以下经验公式确定Z=0.7+0.007（Y+）/105 （1-1）式中：Y、分别为压应力和剪应力（大于相应的岩石抗压强度和抗剪强度），Pa；岩石容重，kg/dm3。根据值，按岩石可钻性分为5个等级，25个类别，即级易钻的（=15），类别：1，2，3，4，5；级中等难钻的（=5.110），类

5、别：6，7，8，9，l0；级难钻的（=10.115），类别：11，12，13，14，15；级很难钻的（=15.120），类别：16，17，18，19，20；级极难钻的（= 20.125），类别：2l，22，23，24，25。指标25时，属于级外，对于具体的矿山地质条件，可参考指标Z来确定钻机的功率，参数和钻进速度的计算。1.1.2 穿孔方法及其分类露天矿目前使用的穿孔方法，按钻进或能量利用方式，可分为机械穿孔和热力穿孔两大类。除火力钻机为热力穿孔外，其它钻机均属于机械穿孔。在机械穿孔中，有牙轮钻机、潜孔钻机、钢绳冲击式钻机以及凿岩台车之分。目前国内外穿孔设备的发展趋势是，大型露天矿多以重型牙轮

6、钻机（钻孔直径D250380mm）为主要穿孔设备；中小型露天矿则多以轻型牙轮钻机和潜孔钻机（D200mm）为主。火力钻机仅适用于极坚硬的铁燧岩类及石英岩类为主的露天矿，且穿孔成本较高。表1-1为苏联英古列茨露天矿在f=1820的磁铁石英岩中牙轮钻机与火力钻机的比较。从表中可以看出，牙轮钻机已能够完全取代火力钻机，故目前国内外应用火力穿孔的露天矿不多。表1-1 牙轮钻机与火力钻机的比较穿孔设备穿孔速度（m/台班）穿孔成本（卢布/m3）钻头寿命（m/个）-250牙轮钻机O-160/20火力钻机23.720.10.3540.53934.9冲击式钻机是50年代露天矿主要穿孔设备，以后逐渐被潜孔钻机和牙

7、轮钻机所取代。目前，这种钻机在我国露天矿（除煤矿外）其数量还不到钻机总量的15%，且早巳停止生产。此外，化学穿孔、超声波穿孔以及高压水力穿孔等新型钻机尚在研制之中。未来新型高效率钻机的出现，将对加速露天矿建设，打破长期穿孔爆破滞后于其它生产工艺的被动局面具有十分重要的意义。1.1.3 牙轮钻机牙轮钻机是一种高效率的穿孔设备，它可以用于钻凿各种硬度的矿岩。目前，国外大型露天矿大多以牙轮钻机作为主要穿孔设备。自70年代以来，我国不少大型露天矿，采用进口或国产牙轮钻机进行穿孔作业，取得了显著的效果。国内外的应用实践表明，牙轮钻机具有以下明显的优越性：穿孔效率：比潜孔钻机高23倍，比冲击式钻机高35倍

8、；钻机作业率：比潜孔钻机高1545%，比冲击式钻机高50110%；工人劳动生产率：比潜孔钻机高23倍，比冲击式钻机高34倍；穿孔成本：比潜孔钻机低1525%，比冲击式钻机低1030%。牙轮钻机的主要缺点是：机身重，设备昂贵。在牙轮钻机的穿孔成本中，钻头费用约占4050%。因此，加强对钻头的研究，提高钻头质量，延长钻头的使用寿命，是进一步提高牙轮钻机穿孔效率，降低穿孔成本的重要途径。牙轮钻机是通过回转机构带动钻头回转，借助加压机构给钻头施加轴向压力（一般约为300600kN），由这种动压和静压产生的应力使岩石破碎（剪碎或压碎），同时通过压缩空气冷却钻头并将孔底岩石碎屑吹出孔外以形成钻孔的机械。因

9、此，牙轮钻机的作业特征是钻头轴压力、回转速度以及排除岩碴和冷却钻头的压气消耗量之间的有机配合。牙轮钻机的钻进速度可用以下经验公式近似计算：按里氏岩石可钻性分级其钻速为 （1-2）按普氏岩石坚固性系数分级其钻速为 （1-3）式中：v牙轮钻机的机械钻进速度，cm/min；P轴压力，kN；N钻头转速，r/min；岩石可钻性指标；岩石坚固性系数；D1钻头直径，cm。式（1-2）和（1-3）中的计算值，仅能作为计算时的参考值，因为在上述两大的计算中，均未考虑岩石的韧性和磨蚀性，同时也由于岩层不均质、有节理以及钻进参数变化等影响而产生误差。牙轮钻机台班生产能力为 （1-4）式中：A钻机台班生产能力，m/台

10、班；T班工作时间，h；v钻机机械钻速，cm/min；工作时间利用系数。从总体看，影响于牙轮钻机生产能力的因素是钻速v和工作时间利用系数，但从式（1-2）和（1-3）可知，钻速又和设备性能及岩石性质有关。（1）轴压力P轴压力P与钻速v大致成正比，但却不是严格的线性关系，具体取决于钻头单位面积上的作用力P/F（F钻头与岩石的接触面积）和岩石的抗压强度Y之间的关系。从图1-1中轴压力P与钻速v的关系曲线可以看出： 当轴压力P很小，P/F大大低于Y时，岩石仅以表面磨蚀的方式破碎。此时，轴压力P与钻速v呈线性关系（图中ab段）。 随着轴压力P的增加，虽然P/F还小于Y，但因钻头轮齿多次频繁冲击岩石，使岩

11、石产生疲劳破坏，出现局部的体积破碎。此时，钻速随轴压力P的m次方而变化，硬岩时1.25m2，软岩时m200mm）的重型潜孔钻机来说，由于钻具重量较大，一般都采用减压钻进，即钻机的提升推压机构应起减小轴压力的作用。相反，小孔径的中、轻型潜孔钻机，由于钻具重量轻，常用提升推压机构作增压钻进。潜孔钻机的回转，既是为了改变钻头每次凿痕的位置，也是用以使钻头回转切削岩石。转速过低，会降低穿孔速度；转速过高，则过分磨损钻头，结果穿孔速度反而下降。转速的大小与钻头直径，冲击频率及岩石性质有关。目前，在硬岩钻进中，有趋于采用低转速的倾向，使转速保持在1525r/min之间。当然，随着高风压、高频率、大冲击功的

12、冲击器出现，钻具的回转速度也会相应提高。潜孔钻机的回转扭矩，主要用以切削钻头凿痕间留下的岩坎，并能保证克服卡钻事故，因而潜孔钻机所需扭矩要比回转式钻机小得多。扭矩大小，取决于钻头直径、回转速度及岩石性质等。表1-10所列为不同钻头直径下的轴压力、转速和扭矩值。表1-10 潜孔钻机的轴压力、转速和扭矩（2）工作时间利用系数的影响因素工作时间利用系数也是影响潜孔钻机穿孔速度的一个重要因素。它包括以下两个内容： 不可避免的影响时间，如钻机接杆、移机定位和定期修理等； 可以避免的影响时间，如等备件，等风、水，电，卡钻处理，投孔及其他。表1-11 是南芬铁矿10台KQ-200型潜孔钻机的工时统汁数据。从

13、表（1-11）中可以看出，其开动台时数仅占总台时数的62.5%，而钻机的纯穿孔时间仅占总时间的55.2%。在非作业时间内，不可避免的影响时间，即必要的影响时间仅占40%左右，而60%左右的影响时间是主观因素造成的且又是可以避免的。表1-11 南芬铁矿潜孔钻机工时利用情况统计上述分析说明，加强矿山各部门之间的密切配合，提高组织管理水平，是提高钻机时间利用率的重要途径，同时，提高司机的操作技术水平，提高钻具、钻头质量，降低钻机、钻头的反修率，对提高钻机作业率，增加钻机穿孔效率，也是十分重要的。目前苏联矿山机械设计研究院研制了一种-160型冲击器，重52kg，可与直径160mm牙轮钻头配合使用。该机

14、采用移动式空压机供风，风压为0.5MPa，冲击器功率为3.8kW，单位耗风量为0.04lm3/s。在普氏坚固性系数f=1016的岩石中穿孔，钻具转速为120r/min，轴压视岩性而变，介于2.87.9之间。与同直径的牙轮钻机比较：冲击器-牙轮穿孔 牙乾钻机穿孔穿孔速度 31.9mm/min 8mm/min牙轮钻头平均寿命 180m/个 120m/个冲击器平均寿命 540m 冲击器-牙轮穿孔的优点是：可改变钻头轴压、钻具转速、冲击频率，并可调节风量。1.1.5 穿孔设备数量计算及选择矿山需要穿孔设备的数量，取决于矿山的剥采总量、钻机效率及其工作制度，可按下式计算：钻机工作台数N （1-8）钻机在

15、册台数 （1-9）式中：N、分别为钻机的工作台数和在册台数，台；K1成孔率，一般为0.90.95；K2产量不均衡系数，一般为1.101.15；Q矿山每年需要钻孔爆破的矿岩总量；t/a；A钻机实际台班生产能力，m/台班；B每米钻孔爆破量，t/m；n每天工作班数；m钻机年工作天数；K3钻机作业率，牙轮钻机为0.650.75；潜孔钻机为0.450.65。当矿山的矿岩性质差别较大或采矿和剥离的工作制度不同时，应分别计算采矿和剥离所需的钻机台数，然后取其总和。根据国内外发展趋势看，通常按露天矿的规模大小选择适宜的穿孔设备，一般认为：特大型、大型露天矿，宜采用钻孔直径D310mm的牙轮钻机；中型露天矿，可

16、采用钻孔直径D=150250mnl的牙轮钻机或潜孔钻机；小型露天矿，则应采用钻孔直径D150mm的潜孔钻机或牙轮钻机、露天凿岩台车。1.2 爆破工作1.2.1 岩石的可爆性所谓岩石的可爆性，即岩石介质对爆破作用的抵抗程度。爆破和穿孔两种破碎岩石的机理有着很大区别。炸药在爆炸瞬间释放出巨大的能量，在岩体中造成了很大的应变，并以波的形式传播，同时伴随有高速膨胀的气流将岩石推出。爆破一方面使岩石产生新的裂隙，另一方面使岩体中原有的节理、裂隙等结构面张开，使岩体分裂成岩块而形成爆破堆积体。因此，岩石的破碎程度主要取决于岩石对爆破的抵抗程度，这种抵抗程度又与岩石的强度、岩体的完整性两者有关。根据岩石强度

17、和岩体的完整性，常用炸药单位消耗量q来表示这种抵抗程度。我国矿山一般是参照苏联普氏和苏氏岩石分级的炸药单位消耗量作为岩石可爆性分级的依据。自70年代以来，国内外对岩石可爆性分级的研究有了很大进展，尤以苏联学者在这方面的研究较为突出，其中较系统、较有实际应用参考价值的研究方法有以下两种。（1）B.B.里热夫斯基按强度分级里氏是根据岩石的自然性质为基础，并通过标准爆破实验来计算炸药的标准单位消耗量qB值。实验时，采用有六个自由面的1m3正方体岩块，在其中心放入6号防水硝铵炸药（其爆力、猛度、殉爆度、密度等性能，相当于我国4号抗水炸药），然后进行爆破。炸药的标准单位消耗量可按实验公式确定 （1-10

18、）式中：qB炸药的标准单位消耗量，g/m3；分别为岩石的抗压、抗拉和抗剪强度，Pa；岩石容重，kg/dm3。里氏按炸药的标准单位消耗量，把岩石可爆性划分为5级，25个类别，即级易爆岩石 10g/m3 l5类级中等难爆岩石 qB=10.120g/m3 610类级难爆岩石 qB=20.130g/m3 1115类级很难爆岩石 qB=30.140g/m3 1620类级极难爆岩石 qB=40.150g/m3 2l25类级外岩石 qB50g/m3实际爆破中，由于被爆岩体自由面数量、岩体的完整性、炸药质量以及药包形状等不同，炸药的实际单位消耗量与标准单位消耗量差别很大。在进行爆破设计时，炸药单位消耗量应根据

19、爆破实验来确定或根据爆破工艺条件和组织条件，按炸药的标准单位消耗量计算，其计算式为 （1-11）式中：qJ设计计算的炸药单位消耗量，g/m3；qB炸药的标准单位消耗量，g/m3；KH炸药的换算系数；KPS要求的破碎度系数，KPS=0.5/dp;dp爆破后岩石的平均块度尺寸，m3；KL岩体的裂隙度影响系数，一般为1.2；KX药包在岩体中的形状影响系数，深扎爆破时，KX值取决于钻孔的直径，不同的钻孔直径时，其值分别为：D=100mm时易爆岩石 Kx0.951.0中等难爆岩石 Kx0.850.9难爆岩石 Kx0.70.8D=200mm时 Kx1.0D=300mm时易爆岩石 Kx1.051.1中等难爆

20、岩石 Kx1.21.25难爆岩石 Kx1.351.4当采用分段装药时，Kx值需乘以调整系数0.95。Kr岩石的爆破体积影响系数，其值为：当台阶高度h15m时 当台阶高度h15m时 Kwz药包位置和自由面的影响系数，这是影响炸药单位消耗量大小的主要因素，试验表明：六个自由面时，Kwzl；五个自由面时，Kwz2；四个自由面时，Kwz4；三个自由面时，Kwz6；两个自由面和单排孔齐发爆破及多排孔微差爆破时，Kwz8；一个自由面即平地爆破时，Kwz10。（2）B.H.库图佐夫综合可爆性分级库图佐夫的岩石可爆性分级，是在苏联金属露天矿经多年研究制定的。它综合了炸药单耗、岩石坚固性和岩体裂隙等多方面因素，

21、并以炸药单耗为主。炸药单耗的标准条件是：台阶高度1015m，钻孔直径243mm，铵梯炸药（粒状硝酸铵79%，梯恩梯21%）。经过大量数据的统计结果，得出了炸药单耗的离差（均方差）和炸药单耗的2/3次方成正比的关系，即 （1-12）式中：炸药单耗统计值的离差，kg/m3；q炸药单位消耗量，kg/m3；在制定分级范围时，采用t分布来计算。分布范围的界限由下式给出 （1-13）式中：qSX某一级炸药单位消耗量的上下限，kg/m3；q这一级炸药单位消耗量的平均值，kg/m3。库氏在综合考虑了各种岩体的自然特征和岩石性质的基础上，并结合用上式统计计算结果，把岩石可爆性划分为10个等级，如表1-12所列。

22、研究岩石的可爆性，不只是为了对岩石进行分级，而主要在于根据不同岩石对爆破作用的阻抗能力，预计合理的炸药单位消耗量和所能达到的岩石破碎效果，并以此作为爆破工艺设计的依据。表1-12 库图佐夫岩石可爆性分级1.2.2 爆破方法及露天矿对爆破工作的要求（1）爆破方法在露天开采中，使用的爆破方法有 浅眼爆破法这种爆破方法，主要用于部分小型露天矿的生产爆破，露天矿的二次破碎及处理根底的爆破，大爆破中的硐室开挖及其它辅助爆破等。 深孔爆破法它主要用于露天矿正常剥采过程中的台阶爆破（或称生产爆破）以及临近边坡的控制爆破。 大爆破（或称硐室爆破）法这种爆破方法，大多用于露天矿基建或扩建时期，以及用其它方法难以

23、处理的孤立山头。至于其他爆破方法，如药壶爆破法、外覆爆破（或称裸露爆破）法等，在金属露天矿一般应用较少。在露天矿生产过程中，大量使用的是生产台阶的深孔爆破。在最常用的台阶深孔爆破中，根据起爆顺序和起爆时间的不同，又分为齐发爆破、秒差迟发爆破和微差爆破等，其中以微差爆破使用最广。此外，在露天矿生产中，台阶深孔爆破后，一般会产生一些块度超过规定尺寸的矿岩块。对这些不合要求的矿岩块，一般还要采用浅眼爆破、外覆爆破或碎石机进行二次破碎。（2）露天开采对爆破工作的要求 对爆破矿岩数量的要求在露天开采中，一般是以采装工作为中心组织生产的。为了保证挖掘设备能连续作业，要求工作面每次爆破的矿岩量，至少能保证挖

24、掘设备510昼夜的采装要求。近年来，随着大型高效率穿孔设备和多排孔微差爆破的应用，每次爆破矿岩量已远远超过这一要求。 对爆破质量的要求1）大块率。露天矿的采装、运输和粗碎设备，对爆破后的矿岩块度都有一定的要求，称做允许块度。超过允许块度的矿岩块称为大块，大块总量与爆破总量的比率称为大块率。大块率越高，说明爆破质量越差。露天矿对爆破后矿岩块度的一般要求是：岩石按挖掘设备要求确定允许块度，即 （1-14）矿石按矿仓漏斗口或破碎设备要求确定允许块度，即d0.8A （1-15）式中：d允许的矿岩块度最大尺寸，m；E挖掘机勺斗容积，m3；A溜矿井（矿仓）放矿漏斗或破碎机入口最小尺寸，m。2）爆堆形状和尺

25、寸。爆破后形成的松散矿岩堆，称为爆堆。爆堆的形状和尺寸，对采装、运输工作都有很大影响。爆堆过高，会影响挖掘机的安全作业；爆堆过低，挖掘机不易满斗，影响挖掘机效率；爆堆过宽，不仅增加了挖掘机的大量倒堆清理工作，而且运输线路也会受到影响；爆堆过窄，说明矿岩碎胀不佳，爆破效果不好，挖掘机很堆甚至无法进行作业。因此，爆堆的高度、宽度和松散度，都要适合采装的要求。爆破后，台阶工作面的形状要规整，不允许出现根底、伞岩等凹凸不平的现象，如图1-7所示。图1-7 根底、伞岩示意图1-爆堆；2-根底；3-伞岩3）爆破后冲。爆破后，在新形成的台阶上部，往往由于爆破的反作用（称后冲作用）而产生新的裂隙，同时由于部分

26、矿岩上翻而在台阶上部出现了破碎矿岩的堆积体，如图l-8所示。实践证明，由于爆破后冲作用的结果，不但增加了台阶上部的清理工作，而且台阶上部新形成的裂隙，会影响下一循环的穿孔作业，甚至造成卡钻、塌帮以致形成废孔。同时，裂隙也是产生大块的重要原因。因此，降低后冲和缩小破裂范围，对提高穿孔效率、降低大块率等，均有重要作用。图1-8 爆破后冲示意图1-爆堆；2-上翻堆积体；3裂隙 对爆破安全的要求爆破是炸药在瞬间发生的巨大能量释放现象。其能量是以高温、高压气体的形式释放出来，从而产生比岩石的极限强度大得多的应力波。其表现为：1）由于爆炸而产生的震动，形成了爆炸震动波；2）由于爆炸能量冲出地表压缩周围空气

27、，形成了空气冲击波；3）由于爆炸应力作用，使岩石产生液化、变形、破碎、移动而将部分碎石抛出，对周围造成危害。因此，在爆破工作中，应当采取有效措施（如采用微差、微差挤压及近边坡的减震爆破等），尽可能地减少这些危害，以达到安全生产的目的。必要时，还要进行爆破安全距离的计算。 对爆破经济上的要求爆破工作的经济合理性，应从两个方面来考虑。一方面应根据爆破矿岩的不同性质，确定相应的孔网参数，采用不同的炸药和装药结构，并根据矿山的要求，采用不同的爆破方法和起爆方式，以提高爆破效果、降低爆破成本；另一方面，还要从爆破对以后的采装、运输和粗碎工作的影响等总的经济效果，进行综合分析和评价，以期达到降低露天矿总的

28、生产成本为目的。总之，露天矿对爆破工作的要求是：既要满足爆破数量和质量上的要求，又要符合矿山生产的安全性和经侪上的合理性。1.2.3 露天矿的生产爆破露天矿的生产爆破，即露天矿生产台阶的深孔爆破。近年来，随着采装和运输设备的大型化、高效率和露天矿生产能力的急剧增大，要求台阶深孔爆破的每次爆破量也越来越多。为此，国内外露天开采中，广泛使用多排孔微差爆破、微差挤压爆破及高台阶爆破等大规模的爆破方法。目前，许多矿山每次爆破510排、200300个炮孔，一次爆破矿岩量多达3050104t。表1-13列举的国内外大型露天矿的爆破规模，明显地反映了这一趋势。表1-13 国内外露天矿台阶深孔爆破规模（1）多排孔微差爆破多排孔微差爆破，是指排数在4排以上，孔深6m的微差爆破。这种爆破方法一次爆破量大，它具有降震，控制爆破方向，充分利用爆炸能量和改善爆破质量等优点。因此，目前国内外绝大多数露天矿的台阶生产爆破中，已普遍采用多孔微差爆破。近年来，由于我国起爆器材的不断发展，毫秒雷管段数的不断增加，质量的不断提高，特别是以塑料导爆管为主体，辅之以非电导爆分路器（又称导爆四通）的非电起爆系统，为多排孔微差爆破技术的发展和应用提供了更加有利的条件，并使等间隔多排微差爆破技术得以实现。许多矿山推广和应用了非电起爆系统，在经济和安全方面已取得显著效果。 多排孔微差爆破参数目前，关于多排孔微差爆破参数的确定，