CN110553559B - 一种利用液态二氧化碳相变控制爆堆属性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用液态二氧化碳相变控制爆堆属性的方法，本发明在矿石区域炮孔中安放炸药，在废石区域炮孔中安放液态二氧化碳爆破器，通过爆炸能量的差异，使矿石区域爆破后得到的岩块平均尺寸较小，废石区域爆破后得到的岩块平均尺寸较大，两侧岩块在尺寸上形成明显差异，以便于工程技术人员进行矿石和废石的肉眼识别。同时，废石区域爆破得到的大型岩块将抑制矿石区域小型岩块的运动，有效的降低爆堆中的矿岩混杂程度。本发明为矿体蕴藏条件复杂、品位控制要求高、周边环境复杂矿山提供了降贫减损新方法，为存在特殊爆堆属性需求的露天矿山提供了控制措施。

Description

一种利用液态二氧化碳相变控制爆堆属性的方法

技术领域

本发明涉及矿体爆破技术领域，尤其涉及一种利用液态二氧化碳相变控制爆堆属性的方法。

背景技术

鉴于爆破高生产效率、低开采成本、弱劳动强度的优点，钻眼爆破是目前国内外露天矿山普遍采用的破岩方法。

在爆炸能量的做功过程中，炮孔周边岩石首先在强度大于岩石动态抗压强度的爆炸冲击波作用下粉碎形成粉碎圈，之后随着能量的衰减，爆炸冲击波衰减为强度较低的应力波，并随着应力波向外的传播过程强度不断降低。当应力波强度大于岩石动态抗拉强度时，在岩石中形成裂隙圈。随后，爆生气体进入裂隙中以气楔作用扩展裂隙，进一步的破碎岩石。在整个爆炸能量作用过程中，破碎岩石将朝着自由面方向运动，最终堆积、重分布于自由面前方，形成矿山常见的爆堆。

爆堆是矿山铲装工序的工作对象，爆堆的属性(爆堆中的矿岩混杂程度、爆堆的形态)对于后续工序影响很大，其影响主要表现于：

1、爆堆中的矿岩混杂程度。对于一个既存在矿石也存在废石的爆区而言，受爆破能量作用，爆堆中的岩石分布与未爆破前的岩石分布势必存在差异，但许多现场情况下(例如矿石与废石无明显的颜色、形态、密度等物理性属性差异)工程师在铲装时无法有效的识别矿石和废石，只能运用爆破之前的矿石和废石分布进行铲装。由此产生的结果：大量矿石将运往堆放废石的排土场，大量废石将运往冶炼车间进行加工，在浪费金钱成本、劳力成本、时间成本的同时却无法得到任何有益回报。

对于矿体蕴藏条件复杂(一次爆破的岩体中必须同时含有矿石和废石)、矿石经济价值高(金、银、铀等稀缺、贵重金属)的情况，由爆破过程中矿岩位移导致的高爆堆矿岩混杂程度将造成极大的矿石贫化和损失，对于矿山经济效益具有极大的影响。

2、爆堆高度及爆堆纵深。在矿山爆破中，若爆区前方存在运输铁路、公路、需保护的建筑等保护对象时，需要对爆堆的宽度、纵深进行控制，避免爆堆中的岩石冲击保护对象。

在爆堆属性的控制上，在论文和专利上已经存在一些研究成果用于解决爆堆前冲问题，主要包括：专利CN201010157275.8(深凹露天矿分期开采扩帮爆破方法)、专利201210461737.4(一种露天台阶爆破控制爆堆前冲的爆破方法)、专利CN201811444458(一种优化控制露天矿山台阶爆破爆堆宽度的方法)、论文“露天矿电铲铲装效率影响因素的分析”(化工矿山技术，1995年第5期)、论文“露天矿台阶爆破爆堆宽度的预测方法”(西部探矿工程，1995年第2期)、论文“深凹陡帮开采露天矿爆破技术的研究及实践”(中国矿业，2005年第4期)等。其中专利CN201010157275.8、专利201210461737.4、论文“深凹陡帮开采露天矿爆破技术的研究及实践”主要是通过调整同一爆区内的爆破网络来控制起爆过程中矿岩的运动，进而控制爆堆前冲。专利CN201811444458、论文“露天矿电铲铲装效率影响因素的分析”及论文“露天矿台阶爆破爆堆宽度的预测方法”则主要通过分析爆堆前冲与爆破参数的相关性，通过调整爆破参数来有效的控制爆堆前冲。

这些研究均能达到一定的效果，但存在一定的缺点：(1)主要针对于爆堆前冲问题，未能考虑爆堆中的矿岩混杂问题；(2)对于调整爆破网络来控制爆堆前冲的问题，受雷管精度、雷管延期时间的影响，设计难度较大，且存在一定的爆破网络失效风险；(3)对于爆破负面效应(振动、飞石等)无明显改善。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此本发明的目的之一在于提供一种在综合考虑爆堆混杂程度及爆堆前冲问题的前提下，具有爆堆属性控制效果好、爆破作业安全、操作简单、爆破负面效应可控的利用液态二氧化碳相变控制爆堆属性的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种利用液态二氧化碳相变控制爆堆属性的方法，包括如下步骤：

1)在废石区域设计二氧化碳爆破实验；以爆破参数为自变量，爆堆属性参数为因变量；

其中，爆破参数包括液态二氧化碳含量t、二氧化碳爆破孔孔距a1、二氧化碳爆破孔排数b1；爆堆属性参数包括岩石碎块尺寸X₅₀、爆堆高度H1和爆堆纵深L1；

2)依据步骤1)获得的实验数据，使用回归分析方法，建立废石区域爆堆属性参数与爆破参数的回归方程；

X₅₀＝f(t,a1,b1)

H1＝g(t,a1,b1)

L1＝p(t,a1,b1)

3)在矿石区域设计炸药爆破实验，以爆破参数为自变量，爆堆属性参数为因变量；

其中，爆破参数包括装药高度h、孔距a2、炮孔排数b2；爆堆属性参数包括岩石碎块尺寸X₅₀、爆堆高度H2和爆堆纵深L2；

4)依据步骤3)获得的实验数据，使用回归分析方法，建立矿石区域爆堆属性参数与爆破参数的回归方程；

X₅₀＝f(h,a2,b2)

H2＝g(t,a2,b2)

L2＝p(t,a2,b2)

5)爆区划分

第一步，确定矿岩分界线；

第二步，对整个台阶进行爆区划分，划分时将矿石区域划分在爆区的后半部分，废石区域划分在爆区的前半部分；

6)依据步骤2)和步骤4)获得的爆堆属性参数与爆破参数关系式，以及实际爆破时期望得到的爆堆属性参数，指导矿石区域和废石区爆破参数的选取；

其中，在矿岩分界线矿石区域布置炸药炮孔，进行炸药爆破，在废石区域布置液态二氧化碳爆破器，进行二氧化碳爆破；废石区域液态二氧化碳的爆破能低于矿石区域炸药的爆破能，且废石区域先于矿石区域起爆。

进一步的，使用地质建模软件构建三维地质模型，以台阶海拔高度进行切片，以矿山工业品位进行配色，从而获得整个台阶的矿岩分界线。

进一步的，对于放射性矿山可以在完成钻孔后在钻孔中进行放射性测井来获取钻孔区域的具体矿石品位，进而在钻孔后、爆破前建立更为精密的单爆区品位模型，以矿石品位进行模型配色，从中可以看出更为准确的矿岩分界线。

进一步的，测量人员可以选用在矿岩分界线上插竹签、纤维带或木桩进行标识，夜晚铲装作业时还可以在矿岩分界线上泼洒荧光材料进行标识。

进一步的，液态二氧化碳爆破孔可以沿着曲线型矿岩分界线进行布置，炸药炮孔需在液态二氧化碳爆破孔起爆后方能起爆，且当液态二氧化碳爆破孔起爆时，该炮孔周边20-30m范围内炸药炮孔应当已经完成雷管点燃工序。

进一步的，矿石区域爆破网络选用V型爆破网络。

进一步的，炸药炮孔中的雷管选用数码电子雷管。

原理及优势

本发明利用液态二氧化碳爆破能量可控、灾害较小的特点，在台阶爆破爆堆属性控制中引入了液态二氧化碳爆破方法对爆堆宽度进行控制，同时利用先破碎的岩块对后续岩块进行了压制，降低爆堆中的矿岩混杂程度。

本发明在矿石区域炮孔中安放炸药，在废石区域炮孔中安放液态二氧化碳爆破器，通过爆炸能量的差异，使矿石区域爆破后得到的岩块平均尺寸较小，废石区域爆破后得到的岩块平均尺寸较大，两侧岩块在尺寸上形成明显差异，以便于工程技术人员进行矿石和废石的肉眼识别。

同时，低能量的液态二氧化碳爆破器爆破产生的大尺寸岩块可以有效地抑制高能量的炸药爆破产生的小尺寸岩块的运动，减少其向着自由面的运动，进而有效的减小了爆堆纵深，降低了爆堆中矿岩的混杂程度，提高了矿石回收率。此外，使用液态二氧化碳爆破器替代部分炸药进行岩石破碎还能有效的降低爆破负面效应，调整爆堆高度、纵深等爆堆属性。

本发明中液态二氧化碳爆破网络与炸药爆破网络为两套互不相关的网络，彼此互不干扰，可以避免施工现场的爆破网络风险。

综上可知，本专利科学有效、实施简单、效果显著，具备有广泛的推广运用价值。

附图说明

图1为某中大型矿岩混杂爆区的俯视图；

图2为实施例中大型矿岩混杂爆区爆堆的剖面图；

图中标号：图中标号：1-自由面前方的自由空间；2-台阶；3-爆前矿岩分界线；3-1-矿石区域；3-2-废石区域；4-爆堆中的实际矿岩分界线；5-液态二氧化碳爆破孔；6-液态二氧化碳爆破器连接线；7-液态二氧化碳爆破器起爆器；8-炸药炮孔；9-孔间延期雷管；10-排间延期雷管；11-雷管起爆；12-炸药爆炸形成的小型岩块；13-液态二氧化碳爆破器形成的大型岩块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明主要是利用液态二氧化碳气体压力可控、膨胀能量较低、负面效应弱的特点，使用液态二氧化碳相变产生的高压气体对岩石进行破碎，进而对岩石破碎、运动过程进行干预和控制。尤其适用于矿体蕴藏条件复杂、品位控制要求高、周边环境复杂的露天矿山的矿石开采，或者存在特殊爆堆属性需求的露天矿山。具体包括如下步骤：

(1)二氧化碳爆破参数选取

第一步，设计二氧化碳爆破实验

二氧化碳爆破实验自变量为液态二氧化碳含量t、二氧化碳爆破孔之间的孔距a1、二氧化碳爆破孔排数b1，因变量为含量为50％的岩石碎块尺寸X₅₀、爆堆高度H1和爆堆纵深L1。

工程技术人员按照以上要求在废石区域分别设计15-30组现场实验。

第二步，根据设计的爆破参数在露天矿山生产台阶上钻凿炮孔，给液态二氧化碳爆破器充入液态二氧化碳并安置于设计炮孔内，连接起爆网络，经检查无误后进行起爆。

第三步，爆破后，利用数码相机对二氧化碳爆破产生的岩石碎块进行拍摄，利用图像处理技术获取岩石碎块的尺寸分布数据，取含量为50％的岩石碎块尺寸X₅₀作为岩石碎块整体的衡量标准。

采用测距仪等长度测量工具或RTK等定位工具测量爆堆高度H1和爆堆纵深L1。

第四步，将测量得到的爆堆因变量(X₅₀、H1、L1)与爆破参数中的自变量(t、a1、b1)相互对应起来，随后使用回归分析方法，选取合适的回归方程表达二者之间的数学关系，建立废石区域相应的回归方程。

X₅₀＝f(t,a1,b1)

H1＝g(t,a1,b1)

L1＝p(t,a1,b1)

(2)炸药爆破参数选取

第一步，设计炸药爆破实验

实验自变量为装药高度h、孔距a2、炮孔排数b2，因变量为含量为50％的岩石碎块尺寸X₅₀、爆堆高度H2和爆堆纵深L2。

工程技术人员按照以上要求在矿石区域设计15-30组现场实验。

第二步，根据设计的爆破参数在露天矿山生产台阶上钻凿炮孔，安放起爆药包，完成炮孔装药工作，连接起爆网络，经检查无误后进行起爆。

第三步，爆破后，利用数码相机对爆堆中的岩石碎块进行拍摄，利用图像处理技术获取岩石碎块的尺寸分布数据，取含量为50％的岩石碎块尺寸X₅₀作为岩石碎块整体的衡量标准。

采用测距仪等长度测量工具或RTK等定位工具测量爆堆高度H2和爆堆纵深L2。

第四步，将测量得到的爆堆因变量(X₅₀、H2、L2)与爆破参数中的自变量(h、a2、b2)相互对应起来，随后使用回归分析方法，选取合适的回归方程表达二者之间的数学关系，建立废石区域相应的回归方程。

X₅₀＝f(h,a2,b2)

H2＝g(t,a2,b2)

L2＝p(t,a2,b2)

(3)爆区划分

第一步，确定矿岩分界线

搜集矿山的地质勘探孔、补充勘探孔等钻孔数据，利用Datamine等地质建模软件使用克里格方法等地质建模方法构建三维地质模型。以台阶海拔高度为依据对三维地质模型进行切片，以爆区边界点的坐标为依据对本台阶三维地质模型进行限制，从而获取整个台阶的二维地质模型，以矿石品位对矿石和废石进行配色，从中可以看出整个台阶的矿岩分界线。

作为优选，对于放射性矿山(比如铀矿山)可以在完成钻孔后在钻孔中进行放射性测井来获取钻孔区域的具体矿石品位，进而在钻孔后、爆破前建立更为精密的单爆区品位模型，以矿石品位进行模型配色，从中可以看出更为准确的矿岩分界线。

第二步，划分爆区

在矿石区域和废石区域分布上，尽量将矿石区域划分在爆区的后半部分，而废石区域划分在爆区的前半部分，以实现爆破过程的以爆代磨。

(4)爆破

依据上述步骤获得的爆堆属性参数与爆破参数关系式，以及实际爆破时期望得到的爆堆属性参数，指导矿石区域和废石区爆破参数的选取，具体的：

第一步，钻凿炮孔。在矿岩分界线以内(矿石区域)按照爆破设计钻凿炮孔，在矿岩分界线以外(废石区域)按照液态二氧化碳爆破设计钻凿炮孔。

作为优选，液态二氧化碳爆破孔可以沿着曲线型矿岩分界线进行布置。废石区域中液态二氧化碳含量t及孔距a1确定时可以利用孔距a1、液态二氧化碳含量t与平均尺寸X₅₀、爆堆纵深L1、爆堆高度H1的关系对爆堆纵深L1进行确定，以获取合理的岩块平均尺寸X₅₀。矿石区域中装药高度h及孔距a1确定时可以利用孔距a1、装药高度h与平均尺寸X₅₀、爆堆纵深L1、爆堆高度H1的关系对爆堆纵深L1进行确定，以获取合理的爆堆纵深L1。

第二步，在矿岩分界线两侧炮孔中分别放入雷管、炸药及液态二氧化碳爆破器，完成联线工作。其中炸药炮孔需在液态二氧化碳爆破孔起爆后方能起爆，且当液态二氧化碳爆破孔起爆时，该炮孔周边20-30m范围内炸药炮孔应当已经完成雷管点燃工序。

作为优选，炮孔中的雷管可以选用数码电子雷管，以降低以爆破震动为首的爆破负面效应。

作为优选，当所述爆区使用数码电子雷管进行爆破作业时，所述数码电子雷管还包括能够实现数码电子雷管身份注册、延期时间设定、起爆网络检查、起爆的手持机。

作为优选，炸药区域爆破网络可以选用V型爆破网络，该类型网络可以有效的利用自由空间，且有利于岩石破碎。

第三步，布置爆破警戒，完成起爆作业。设定爆破警戒范围，在各个交通路口布置爆破警戒；使用起爆器完成炸药炮孔和液态二氧化碳炮孔起爆作业。

第四步，矿石区域由于炸药能量高，岩石破碎程度较高，岩块平均尺寸X₅₀较小；废石区域由于二氧化碳能量较低，岩石破碎程度较低，岩块平均尺寸X₅₀较大。测量人员按照平均尺寸X₅₀进行分界线标识。

作为优选，测量人员可以选用在矿岩分界线上插竹签、纤维带、木桩进行标识，夜晚铲装作业时还可以在矿岩分界线上泼洒荧光材料进行标识。

第五步，工程师按照测量人员标定的矿岩分界线指挥铲车对矿石和废石进行分别铲装。

下面将结合具体实施例对本发明进一步的说明。

实施例

(1)二氧化碳爆破参数选取

矿山采矿工程师按照液态二氧化碳含量(60％、80％、100％)、二氧化碳爆破孔之间的孔距(4.0m、5.0m、6.0m)、二氧化碳爆破孔排数(2、3、4排)在废石区域设计27组二氧化碳爆破实验。最终选定液态二氧化碳含量60％、孔距4.0m作为废石区域的二氧化碳爆破参数，以获取数值为1.5m岩块平均尺寸。

(2)炸药爆破参数选取

矿山采矿工程师按照装药高度(4.0m、5.0m、6.0m)及爆破孔排数(2、3、4排)在矿石区域设计了9组爆破实验。这些爆破实验中，基于减少钻孔工作量的考虑，炮孔间距依旧与二氧化碳爆破孔孔距保持一致。最终选定装药高度5.0m作为矿石区域炸药爆破参数，以获取数值为0.7m的岩块平均尺寸。

(3)爆区划分

第一步，确定爆前矿岩分界线3。搜集矿山的地质勘探孔、补充勘探孔等钻孔数据，利用Datamine等地质建模软件使用克里格方法等地质建模方法构建三维地质模型。以台阶海拔高度为依据对三维地质模型进行切片，以爆区边界点的坐标为依据对本台阶三维地质模型进行限制，从而获取整个台阶的二维地质模型，以矿石品位对矿石和废石进行配色。

以矿山指定的工业品位为基准，将品位为工业品位以下的岩石均划分为废石，将品位为工业品位以上的岩石均划分为矿石，从而获得了整个台阶的矿岩分界线。

第二步，划分爆区。按照矿山单个台阶2的产量将整个台阶划分为若干爆区。在爆区的划分中，尽量将矿石区域划分在爆区的后半部分，而废石区域划分在爆区的前半部分，也即靠近自由面前方的自由空间1，以实现爆破过程的以爆代磨。

(3)爆破

参见图1和图2，依据上述步骤获得的爆堆属性参数与爆破参数关系式，以及实际爆破时期望得到的爆堆属性参数，指导矿石区域和废石区爆破参数的选取。

第一步，钻凿炮孔。使用牙轮钻机在爆区中按照爆破设计钻凿炮孔。

第二步，在矿岩分界线以内(矿石区域3-1)的炮孔8中放入雷管、炸药，在矿岩分界线以外(废石区域3-2)的炮孔5中放入的液态二氧化碳爆破器。

第三步，使用延期时间为42ms的孔间延期导爆管雷管9及延期时间为65ms的排间延期导爆管雷管10对炸药炮孔进行联线，使用液态二氧化碳爆破器连接线6将各个液态二氧化碳爆破器串联。

第四步，布置警戒，使用起爆器11完成爆破网络起爆，使用液态二氧化碳爆破器起爆器7完成液态二氧化碳爆破器起爆。

第五步，测量人员按照平均块度尺寸进行分界线标识，获得爆堆中的矿岩分界线4，使用竹签进行标记。

第六步，工程师按照测量人员标定的矿岩分界线指挥铲车对矿石12和废石13进行分别铲装。

本发明中液态二氧化碳爆炸能量可控，可以显著的控制爆堆高度、爆堆纵深、爆堆混杂程度、爆破负面效应，同时差异化尺寸岩块的分布可以为后续铲装提供指导。为矿体蕴藏条件复杂、品位控制要求高、周边环境复杂矿山提供了降贫减损新方法，为存在特殊爆堆属性需求的露天矿山提供了控制措施。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种利用液态二氧化碳相变控制爆堆属性的方法，其特征在于：

1)在废石区域设计二氧化碳爆破实验；以爆破参数为自变量，爆堆属性参数为因变量；

其中，爆破参数包括液态二氧化碳含量t、二氧化碳爆破孔孔距a1、二氧化碳爆破孔排数b1；爆堆属性参数包括岩石碎块尺寸X₅₀、爆堆高度H1和爆堆纵深L1；

2)依据步骤1)获得的实验数据，使用回归分析方法，建立废石区域爆堆属性参数与爆破参数的回归方程；

X₅₀＝f(t,a1,b1)

H1＝g(t,a1,b1)

L1＝p(t,a1,b1)

3)在矿石区域设计炸药爆破实验，以爆破参数为自变量，爆堆属性参数为因变量；

其中，爆破参数包括装药高度h、孔距a2、炮孔排数b2；爆堆属性参数包括岩石碎块尺寸X₅₀、爆堆高度H2和爆堆纵深L2；

4)依据步骤3)获得的实验数据，使用回归分析方法，建立矿石区域爆堆属性参数与爆破参数的回归方程；

X₅₀＝f(h,a2,b2)

H2＝g(t,a2,b2)

L2＝p(t,a2,b2)

5)爆区划分

第一步，确定矿岩分界线；

第二步：对整个台阶进行爆区划分，划分时将矿石区域划分在爆区的后半部分，废石区域划分在爆区的前半部分；

6)依据步骤2)和步骤4)获得的爆堆属性参数与爆破参数关系式，以及实际爆破时期望得到的爆堆属性参数，指导矿石区域和废石区爆破参数的选取；

其中，在矿岩分界线矿石区域布置炸药炮孔，进行炸药爆破，在废石区域布置液态二氧化碳爆破器，进行二氧化碳爆破；废石区域液态二氧化碳的爆破能低于矿石区域炸药的爆破能，且废石区域先于矿石区域起爆。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使用地质建模软件构建三维地质模型，以台阶海拔高度进行切片，以矿山工业品位进行配色，从而获得整个台阶的矿岩分界线。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：对于放射性矿山在完成钻孔后在钻孔中进行放射性测井来获取钻孔区域的具体矿石品位，进而在钻孔后、爆破前建立更为精密的单爆区品位模型，以矿石品位进行模型配色，从中看出更为准确的矿岩分界线。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：测量人员选用在矿岩分界线上插竹签、纤维带或木桩进行标识，夜晚铲装作业时还在矿岩分界线上泼洒荧光材料进行标识。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：液态二氧化碳爆破孔沿着曲线型矿岩分界线进行布置，炸药炮孔需在液态二氧化碳爆破孔起爆后方能起爆，且当液态二氧化碳爆破孔起爆时，该炮孔周边20-30m范围内炸药炮孔应当已经完成雷管点燃工序。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：矿石区域爆破网络选用V型爆破网络。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：炸药炮孔中的雷管选用数码电子雷管。

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