学术：爆堆级配小块度系数对砂石骨料矿山生产成本的影响分析——科技大会论文精选（五）
国家十部门和十五部门相继发布《关于推进机制砂石行业高质量发展的若干意见》和《关于促进砂石行业健康有序发展的指导意见》等文件，砂石行业进入高质量发展的新时代，砂石行业迎来了历史性的新发展机遇。为交流行业的最新理念、新技术、新成果和先进适用技术等，建立和完善砂石工业科技体系，推动砂石行业的高质量和健康有序发展，中国砂石协会定于2021年7月23-26日，在“两山”理念诞生地——湖州举办“第八届全国砂石骨料行业科技大会”。
今日，中国砂石协会融媒体中心隆重推出科技大会精选论文（五）——爆堆级配小块度系数对砂石骨料矿山生产成本的影响分析
爆堆级配小块度系数对砂石骨料矿山生产成本的影响分析
(宏大爆破工程集团有限责任公司 李萍丰）
【摘要】经过大量的台阶爆破综合试验研究，提出爆堆级配小块度系数值的概念，在满足大块率和粉矿率的情况下，爆堆级配小块度系数是影响砂石骨料矿区运营成本的重要指标。
【关键词】骨料矿山；爆堆级配特征；爆堆级配小块度系数；机械破碎
1、引言
砂石骨料是建筑、道路、桥梁、水利、水电、码头等基础设施建设用量最大、不可替代、不可或缺的材料，与人类的生存和发展息息相关。近年来，随着我国生态文明建设的不断深入，砂石骨料行业转型升级和跨越式发展，各地陆续关闭传统、小型企业，淘汰落后产能，对石矿资源进行整合，重新规划，科学布局，产业结构得到了快速优化，产业集中度不断提高，砂石企业的规模化、大型化、集团化、绿色化、生态化已成趋势，行业发展日新月异，取得举世瞩目的成就。资源开发水平、产业模式和经营方式持续创新的推动下，对砂石骨料爆破开采技术也提出了更高的要求：
1）、不仅要控制大块率，同时也要考虑粉矿率；
2）、不仅要考虑爆破成本，同时要考虑机械破碎的成本；
3）、不仅要考虑爆破块度，还有考虑成品碎石的数量、质量；
4）、不仅要考虑爆破计划安排，还要兼顾成品碎石价格的波动和订货数量的变化。
目前爆破技术对控制大块率、粉矿率研究较多，对爆破参数影响砂石骨料矿山成本的研究较少[1]，爆破效果评价方法仅局限对爆破本身和挖、装、运的狭义评价，较难满足砂石骨料矿山的要求，本文通过大皇山砂石骨料矿大量的台阶爆破试验，提出爆堆级配小块度系数的概念，完善爆破效果评价体系，对爆破参数影响大皇山砂石骨料矿成本进行了分析。
2、大皇山矿概况
2.1、概况
大皇山建筑用石料（凝灰岩）矿位于浙江省舟山市定海区岑港街道桃夭门社区大皇山（图1），矿区面积1.0481km²；开采深度+249.72m～+6m。生产规模为474万立方米/年（约1227万吨/年）。
图1大皇山砂石骨料矿位置图
开采矿种为建筑用石料（凝灰岩）矿石主要为晶屑玻屑凝灰岩、流纹斑岩和沉凝灰岩，结构致密，属坚硬岩类。矿区内断层、节理不发育，岩体总体完整。
为提高矿山开采技术、合理利用矿产资源、确保矿山安全生产，创建国家级绿色矿山，浙江交投矿业有限公司委托宏大爆破工程集团有限责任公司对大皇山矿进行基建施工及爆破开采。
2.2、爆破工程主要特点、难点
1）、安全隐患极大：矿区是在废旧的矿区新建的，原来废旧矿山已经闭坑，形成了243米高的76°陡峭边坡，且坡面及台阶之间浮石堆积，安全隐患极大；
2）、上山道路修建困难：由于废旧矿山已经闭坑，形成一个三面陡峭的243米高的锥台体，没有道路上山顶，新矿山修建上山道路十分困难；
3）、破碎厂房紧靠爆破现场：由于矿区建设用的紧张，其全封闭破碎系统和装运码头紧邻爆破区域的北部和东部，增加了爆破作业难度；
4）、减少碳排放的要求：矿山为国家级绿色矿山，响应习近平主席的号召“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”矿区提出降低碳排放的要求。
5）、生产压力大：年爆破、挖装运岩块1227万吨，平均每天4万吨；
6）、成本控制严格：业主要求爆破要考虑全场区的综合成本，不能只考虑爆破自身的成本，要顾及块石机械破碎的成本，所以原爆堆级配评价爆破效果的特征不全面。
3、精准台阶爆破技术
3.1、崩塌爆破方法
本工程爆破目的是要提供合格的块石，大块率不能超3%，粉矿率不能超1%，采用文献[1]的全孔不均匀不耦合装药技术（图2），将深孔分上、下两部分进行装药设计，将单一装药结构(装药段延米装药量相同)改变成上下2段装药，下段延米装药量是上段延米装药量的1.2～2.2倍(上、下不同装药直径)，下部炸药量将底部岩石崩开(从母岩上抛出)、上部药量则将上部岩石震塌(弱松动爆破)，克服岩石的摩擦力，使其靠自重掉落下。
图2崩塌爆破技术不均匀不耦合装药结构图
3.2、爆破参数
大皇山矿典型的爆破参数见表1：
4、爆堆岩块级配小块度系数概念及预测
4.1、爆堆岩块级配预报
Kuz-Ram模型是应用最广泛的爆破效果（爆堆级配）预报模型，该模型用了库兹涅佐夫(Kuznetsov)和若森.雷姆勒(Rosin-Rammler)两个人的名字来命名。模型前者是研究爆破的平均块度，后者是研究块度的分布特征。Kuz-Ram模型是用筛下累计为50%的筛孔尺寸为平均块度x和块度分布的均匀性指标β来预测爆破块度，它的基本数学表达式如下：
(1)Kuznestov方程：
……(1)
均匀度指标β：
……(2)
(2)Rosin-Rammler方程：
……(3)
式(1)～(3)中：
R为粒径大于x的岩块所占的比例；
x为筛孔尺寸(cm)，表示筛下最大粒径或筛上最小粒径；
xe为特性尺寸(cm)；
W为最小抵抗线(m)；
Ф为炮孔直径(mm)；
ΔW为凿岩精度的标准误差(m),孔底偏离设计位置的平均距离；
a为孔距/最小抵抗线；
L为底板标高以上药包长度(m)；
H为台阶高度(m)；
为平均破碎块度，其详细描述为：50%通过筛子、50%留在筛上时对应的筛孔尺寸，可以表示为X50或；
V0为每孔破碎岩石体积(m³)；
Q为相当于每孔中药包能量的TNT当量(kg)；
E为炸药重量威力，TNT炸药E=115，铵油炸药E=100，2号岩石炸药E=100～105；
K为岩石系数，可根据刘殿中和杨仕春[2]的研究进行取值。
已知大块直径为96cm,按上述典型爆破参数代入公式（1）、（2）、（3）计算得：β=1.16，Xe=44.18。
得图3。
爆堆岩块级配曲线图 图3
4.2、爆堆岩块级配小块度系数的概念
爆堆岩块级配小块度系数指爆堆岩块中小块度岩块占整个爆堆岩块的百分比。计算公式：
S=(X0.6M-X5)/（XM-X5）……(4)
(4)式中：
XM为最大的筛孔尺寸(cm)；
X0.6M为最大的筛孔尺寸60%的筛孔尺寸(cm)；
X5为5cm的筛孔尺寸（cm）。
4.3、爆堆岩块级配小块度系数的计算
按上述级配曲线计算：
S=(X0.6M-X5)/（XM-X5）
=（73.5%-7.57%）/(90.91%-7.57%)
=79%
按典型爆破参数计算爆堆岩块级配小块度系数为79%。
5、爆堆岩块级配小块度系数对运营成本影响
经过一年的爆破试验，统计出每月的破碎总量、消耗电量和炸药用量（见表2）。
破碎总量、消耗电量和炸药用量表 表2
5.1、爆堆岩块级配小块度系数与块石机械破碎电耗的关系
经计算和数据拟合处理计算得图4。
爆堆岩块级配小块度系数与岩块机械破碎消耗电量关系图 图4
从图中可以看出：
（1）、爆堆岩块级配小块度系数与岩石机械破碎电量消耗成双曲线关系，相关性为0.85，拟合曲线高度相关；
（2）、爆堆岩块级配小块度系数越大，岩石机械破碎电量消耗量越小；
（3）、爆堆岩块级配小块度系数小于75%时，岩石机械破碎电量消耗量基本不增长；
（4）、爆堆岩块级配小块度系数小于75%~76.5%时，岩石机械破碎电量消耗量平缓下降；
（5）、爆堆岩块级配小块度系数小于76.5%~79.5%时，岩石机械破碎电量消耗量下降速率较快；
（6）、爆堆岩块级配小块度系数作为反应岩石机械破碎电量消耗量的爆堆级配特征是有效的；
5.2、爆堆级配小块度系数与电费和炸药费用之和的关系
按电费6540元/万度，炸药12000元/吨计算，绘出图5
爆堆岩块级配小块度系数与电费和炸药费用之和的关系图 图5
从图中可以看出：
（1）、爆堆岩块级配小块度系数与电费和炸药费用之和的关系成双曲线关系，拟合曲线相关性0.81；
（2）、爆堆岩块级配小块度系数为75.8%时、电费和炸药费用之和最大；
（3）、爆堆岩块级配小块度系数74.6%~79.8%区间、电费和炸药费用之和随着小块度系数增加而减少；
（3）、爆堆岩块级配小块度系数75.8%~区间、电费和炸药费用之和随着小块度系数减小而减少；
（4）、爆堆岩块级配小块度系数能反应整个矿区的成本变化情况。
爆堆岩块级配小块度系数是由岩石力学特性、炸药性质和爆破参数控制的，是炸药能量控制与岩石的不同能量需求匹配理论的体现，所以台阶爆破技术是关系砂石骨料矿山成本的关键技术。
从上述分析也可以知道，单纯考虑爆破作业成本，会使得整体成本假象的降低，但是破碎的工效会大大降低。
6、结论
经过大量的爆破综合性试验研究，发现以下规律：
1、爆破技术是能影响砂石骨料矿山运行成本的，有时还是决定成本的主要因数；
2、提出的爆堆级配小块度系数比较直观的说明：该值越大爆堆中小块度占的比重就多，机械破碎所消耗的功就越少；
3、针对砂石骨料矿山爆破效果的指标不仅是不均匀系数，而更重要的应该是爆堆级配小块度系数；
4、针对整个大皇山矿区成本而言，爆堆级配小块度系数越大越省钱，但爆堆级配小块度系数越大，有可能破碎出的成品率会低，爆堆级配小块度系数越小，有可能破碎出的成品工效会降低，所以必须综合考虑。
参考文献(References)：
[1]郑炳旭，王永庆，李萍丰.建设工程台阶爆破[M].北京：冶金工业出版社，2005：22–56.
[2]刘殿中，杨仕春.工程爆破实用手册[M].北京：冶金工业出版社，2003：164–167.
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