提高黑岱沟露天煤矿块煤率爆破参数研究

李 方，张引良

（神华准能集团有限责任公司 黑岱沟露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

提高黑岱沟露天煤矿块煤率爆破参数研究

李 方，张引良

（神华准能集团有限责任公司 黑岱沟露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

为提高黑岱沟露天煤矿煤台阶爆破块煤率，结合煤台阶地形条件、煤层分布、作业设备及施工效率等因素，在保证爆破质量、确保钻机效率的前提下，研究炮孔直径、孔网参数、装药结构、炸药性能等参数对爆破块煤率的影响，为爆破参数的选择提供方向。

块煤率；破碎区；间隔装药；炸药性能；波阻抗

0 引 言

2015年上半年，全国宏观经济下行，煤炭产能过剩，需求不足。依据市场需求，及时调整产品结构，通过提高块煤率，增加优质动力煤、无烟煤等效益产品产量，为实现效益最大化奠定基础。

在煤的爆破、铲装、运输、卸载及破碎过程中均对煤的块度造成不同程度的影响，而煤台阶爆破作业作为产煤的第1道工序，首当其冲，成为提高爆破块煤率的关键环节；煤台阶爆破的破坏区可分为破碎区，裂隙区，其中破碎区煤的粒度小，易在筛选过程中被筛下，破碎区越大，则筛下物越多，块煤率则降低。因此，提高煤台阶块煤率，需以减小爆破药柱中心破碎区范围、增大裂隙区范围为切入点，针对孔径、孔网参数、装药结构、炸药性能等参数展开研究，提出合理的爆破设计参数。

1 工程概况

黑岱沟露天煤矿可采煤层为6号煤层，平均厚度31 m，煤质为特低磷、低硫、中灰、高灰熔点长焰煤，分6上、6中、6下三层开采方式进行开采；其中6上10 m，6中16 m，6下5 m，优质煤集中于6中煤层，发热量4 700～5 200 kcal。因此，提高6中煤层爆破块煤率，有利于增加优质煤筛选率，从而为提高优质煤产量奠定基础。

煤台阶横向宽度85 m，工作线窄，电铲推进速度快；受作业空间影响，穿孔设备仅设2台；穿孔及爆破施工周期短（仅为3 d），对穿孔和爆破作业效率要求较高，因此，煤台阶爆破采用31 m台阶高度一次穿孔爆破方式，炮孔较深，自由面少，要求在保证爆破质量的前提下提高爆破块煤率，对爆破参数选择及爆破效果要求较高。

2 提高爆破块煤率的爆破参数

影响煤台阶爆破块煤率的因素包括孔径、孔网参数、装药结构及炸药性能等参数，为便于计算研究，以其中一项参数为变量，其余参数不变，结合现场作业条件、钻机作业效率、装药施工效率及爆破效果等综合因素，对爆破参数进行选择，达到保证爆破质量、提高爆破块煤率的目的。

2.1 炮孔直径选择

2.1.1 孔径与单位体积爆量总的破碎区范围的关系根据岩石爆破破碎机理可知，炸药爆炸后，在爆炸冲击波及爆生气体的联合作用下，炮孔周围由内向外依次形成破碎区、裂隙区和震动区[1]，炸药对岩石的破碎主要集中在破碎区和裂隙区，如图1所示。

图1 柱状装药爆破分区示意图

破碎区半径计算如公式（1）[2]所示：

由公式（1）可知，当孔内使用炸药、装药结构及被作用岩石特性一定时，单孔爆破破碎区半径与炮孔直径成正比，即单孔装药量越多，单个炮孔周围破碎区范围越大；以黑岱沟露天煤矿所使用多孔粒状铵油炸药为计算依据，煤的特性为特低磷、低硫、中灰、高灰熔点长焰煤，根据炸药性能及煤的特性得出以下参数：

ρ0为铵油炸药密度，0.86g/cm3；D为铵油炸药爆速，3 400m/s；n为爆炸产物膨胀碰撞孔壁时压力增大系数，取10；Kd为装药径向不耦合系数，取1；σcd为单轴动态抗压强度，为10×106Pa

式中：μd为动态泊松比，为静态泊松比的0.8倍，煤的静态泊松比为0.33，则μd=0.264；b为侧向应力系数，b=μd/（1-μd）=0.36；α为冲击波载荷传播衰减指数，α=2+b=2.36；lC：装药系数，lC=装药长度/（炮孔长度-填塞长度），采用连续装药结构时，lC=1；rb为炮孔半径。

将上述数据代入公式（1）、公式（2）中，得：

由公式（3）可知，当采用连续装药结构时，单个炮孔破碎区半径：

根据单个炮孔破碎区半径可计算出单个炮孔破碎区体积

公式（5）中，V单孔为单个炮孔破碎区体积，L单孔为单个炮孔孔深；

根据孔距a、排距b可计算出单位体积爆量V的总进米量L总=V/（a·b）则单位体积爆量V总的破碎区体积V总=1.362πrb2·L总；因此，若计算单位体积爆量V总的破碎区体积，需计算出孔距a、排距b；

根据巴隆公式[3]

式（6）中：w1为底盘抵抗线；τ为装药系数；m为炮孔密集系数，取1.25；ρ0为装药密度;d为炮孔直径；q为炸药单耗。

由式（6）可知，当台阶高度、炸药性能、岩性一定时，装药系数τ及炸药单耗q可确定，此时底盘抵抗线w1仅与炮孔直径d有关，成正比，公式（6）可简化为w1=C·d，其中C为常数；则排距b=w1=C·d；孔距a=1.25b=1.25C·d。

根据计算得出的孔距a及排距b，可得出单位体积爆量 V总的破碎区体积 V总=1.362πrb2·L总= 1.362πrb2·V/（a·b）=1.362πrb2·V/（1.25C2·4rb2），简化得：

由公式（7）可知，单位体积爆量V的总破碎区体积与炮孔直径关系不大；因此，针对单个炮孔而言，其破碎区体积与炮孔直径成正比，即炮孔直径越大，单孔装药量越大，炮孔周围破碎区体积越大；而针对单位体积爆量V多个炮孔而言，孔径缩小，虽单个炮孔破碎区体积减小，但由于炮孔数目增多，单位体积爆量V总的破碎区体积随之增多；反之亦然；因此，单位体积爆量V总的破碎区体积与炮孔直径关系不大，而仅与炸药性能、台阶高度、岩石特性参数有关。因此单是炮孔直径的改变对煤台阶爆破块煤率的提高作用不大。

2.1.2 孔径与钻机效率的关系

研究爆破块煤率与孔径关系时，虽孔径的改变对提高爆破块煤率作用不大，但选择孔径时，需考虑孔径对钻机效率的影响，钻机能正常完成生产任务；钻机数量N（台）按下式：

式中：Q为煤年产量，按每年煤产量3 400万t计算，Q=2 267万m3；q为每米炮孔的爆量，即爆破率；p钻机台年生产效率，按黑岱沟露天矿露天矿钻机平均年生产能力计算，207 630 m/a；e为费孔、加密孔百分比，10%。

煤台阶受工作空间影响，仅能布设2台钻机进行作业，当N≤2时，即爆破率时，方能满足生产任务要求。

根据公式（6），以多孔粒状铵油炸药为计算标准，则装药密度ρ0为0.86g/cm3,装药系数τ取0.84，单耗q取0.24 kg/m3,代入公式（6）计算得w1= 4.347d；排距b=w1=4.347d，孔距a=1.25 b= 5.468d；

当q=a·b=23.767d2≥=60.658，即d≥ 160mm时，满足生产要求；黑岱沟露天煤矿目前钻机孔径共有200、250、310 mm 3种类型，其中250 mm、310 mm孔径钻机为电钻，煤上作业空间窄，爆破施工周期短，若使用电钻，则供电电缆移设频率高，工作量大；且电钻设备较大，不利于煤上复杂环境条件下进行作业，因此，选用无需电缆供电、机动灵活的小型柴油钻机，孔径200 mm，满足生产要求。

2.2 孔网参数选择

煤台阶受地形变化及上层抛掷爆破影响，其顶板作业环境相对复杂，部分区域由于虚量多，经履带推土机清理后形成东西或南北走向的小台阶，如图2所示。

图2 东西走向小台阶

钻机作业时，距坡顶线距离不得小于3 m，即A＞3 m；200 mm柴油钻机宽度为4.88 m，为保证钻机正常作业，钻机距台阶坡底距离不小于2.5 m，即D＞2.5 m。B为坡顶线与坡底线间距，约为1 m，如图3所示。

图3 小台阶区域布孔示意

为使小台阶周围炮孔能正常布设，在确保爆破质量的同时使钻机正常作业，在小台阶区域布孔时，排距b＞A+B+D＞7 m时，方能满足钻机作业要求。

煤顶板作业设备除钻机外，还包括履带推土机、炸药车等设备，上述设备需在炮孔排间作业或行走，方能避免碾压炮孔，确保炮孔质量满足要求；因此，设备行走道路宽度应大于设备履带（轮胎）间距，避免设备碾压炮孔导致孔深不足，确保爆破质量，如图4所示。

经现场测量，台阶高度31 m时，钻孔完成后炮孔周围岩粉堆半径R2=1.5 m。设备在炮孔排间行走时，其实际道路宽度D=b-2R2＞4 m，即排距b＞7 m时，满足设备行走道路宽度需求。

图4 炮孔岩粉与道路关系示意

表1 设备履带（轮胎）间距

根据公式（6）—巴隆公式，以多孔粒状铵油炸药为计算标准，则装药密度ρ0为0.86g/cm3，装药系数τ取0.84，单耗q取0.24 kg/m3，代入公式（6）计算得w1=4.347 d；孔径为200 mm时，w1=8.6 m，排距b =w1=8.6 m，为便于布孔，取b=8 m，则a=1.25 b=10 m。

综上，为使煤顶板复杂地形条件下炮孔布设均匀，提高爆破质量，且布孔完成后满足钻机、履带推土机、炸药车等设备行走道路的宽度需求，避免设备碾压炮孔造成孔深不足，减少二次穿孔爆破造成煤的过度破碎，提高块煤率，排距b选择时应大于7 m，根据巴隆公式计算得，煤台阶排距b=8 m。

2.3 装药结构选择

由公式（1）可知，当孔径、炸药性能一定时，破碎区半径与径向不耦合系数Kd、轴向装药系数lC有关，黑岱沟露天煤矿煤上爆破作业周期短，利用现场混装车进行装药，对施工效率要求高，炮孔径向采用耦合方式装药，即Kd=1；以铵油炸药为计算标准，则公式（1）可简化为因此，破碎区半径仅与轴向装药系数有关，单孔装药量越多，破碎区半径越大。

此时，采取分段装药结构，可在确保爆破质量的同时减小单孔装药量，进而提高爆破块煤率。利用分段装药结构，可减小爆破峰值压力，延长应力波在孔内的作用时间[4]，从而减小破碎区范围，增加裂隙区范围，提高总体爆破块煤率。分段装药分为顶部间隔、中部间隔和底部间隔3种；由于黑岱沟露天煤矿优质煤主要集中于6中位置，即煤层纵向中部位置，厚度16 m，因此，采用中部间隔方式进行分段装药，有利于减小爆破对优质煤层的破碎，提高优质煤的爆破块煤率。

根据上述孔网参数选择计算研究，200 mm孔径孔网参数为8 m×10 m，台阶高度31m时，超深3 m，孔深34 m；间隔长度为炮孔长度的15%～35%，间隔长度取8 m；由于间隔装药后单孔装药量降低，为避免爆破产生根底、硬帮，适当缩小孔网参数，由8 m×10 m调整为8 m×9 m；装药结构如图5所示。

图5 分段装药结构

根据单位体积爆量总的粉碎区体积计算，以10 000 m3为计算参照，分别对孔网参数8 m×10 m－连续装药和8 m×9 m－分段装药进行计算，通过计算结果对总的粉碎区体积进行比对分析，如表2所示。

表2 同一孔径下不同装药结构粉碎区体积对比

由表2可知，煤层6中位置采用分段装药结构，间隔8 m，单孔破碎区半径降低1.6 cm，单位体积爆量总的破碎区体积减少17.2%，采用分段装药结构，可明显降低破碎区范围，增加爆破块煤率。

2.4 炸药性能

炸药性能包括物理性能，热化学参数和爆炸性能，直接影响爆破作用及其效果的是炸药密度、爆热和爆速。炸药的爆速越高，其猛度越高，爆破峰值压力越大，对炮孔周围煤的粉碎与破坏就越大。因此，合理选择低威力炸药，有利于减小炸药对煤的过度粉碎，提高爆破块煤率。

黑岱沟露天煤矿所使用铵油炸药密度为铵油炸药密度860 kg/m3，爆速3 400m/s，波阻抗2.92×106 kg/m2·s；露天煤矿的煤种属于长焰煤，密度1 500kg/m3，普氏硬度系数f为1.5，纵波波速600 m/s，波阻抗0.9×106 kg/m2·s。

当煤上使用铵油炸药爆破时，由于其波阻抗远大于煤的波阻抗，炸药能量大多消耗在炮孔周围煤的破碎上，而煤的爆破裂隙区发展受限，不利于爆破能量利用和块煤率的提高。

为减小炸药猛度，缩小炮孔周围破碎区、增加裂隙区，提高爆破块煤率炸药能量利用率，根据炸药与煤的波阻抗相匹配原则，在已知煤的波阻抗前提下，选取密度和爆速低于铵油炸药的低威力炸药，可提高炸药能量利用率，减小破碎区范围，提高爆破块煤率。

3 结 论

讨论了提高黑岱沟露天煤矿煤台阶爆破块煤率爆破参数研究，结合地形条件、钻机效率、爆破效果等因素，为在保证爆破效果的同时提高爆破块煤率提供了爆破参数选择方向。

1）当炸药性能、台阶高度、岩石特性一定时，单个炮孔破碎区范围与炮孔直径成正比，炮孔直径越大，单孔装药量越多，单孔破碎区范围越大，缩小孔径有利于单孔破碎区范围减小。

2）针对单位体积爆量V多个炮孔而言，孔径缩小，虽单个炮孔破碎区体积减小，但由于炮孔数目增多，单位体积爆量V总的破碎区体积增多，炮孔直径的改变对总的粉碎区体积影响不大，煤台阶爆破块煤率的提高作用不大。

3）为使钻机效率满足生产要求，应选择孔径大于160 mm的钻机，根据黑岱沟露天煤矿现有钻机，选用无需电缆供电、机动灵活、孔径为200 mm的小型柴油钻机。

4）煤顶板布孔时，排距应大于7 m方能满足特殊条件炮孔布设、钻机效率和设备行走要求，使炮孔布设均匀、避免设备碾压炮孔，从而提高爆破质量，避免二次爆破造成煤的过度破碎，进而提高块煤率；孔径为200 mm时，选取排距为8 m。

5）采用分段装药结构，减小装药系数，降低爆破峰值压力，延长爆生气体的作用时间，从而缩小破碎区、扩大裂隙区，提高爆破块煤率；间隔长度取8 m，孔网参数由连续装药时的8 m×10 m调整为 8 m ×9 m，可在保证爆破质量的同时使破碎区总体积减小17.2%。

6）选用爆速及密度均低于铵油炸药的低威力炸药，使其波阻抗与煤相匹配，可在降低爆破能量的同时提高爆破块煤率。

［1］于亚伦.工程爆破理论与技术［M］.北京：冶金工业出版社，2004.

［2］罗勇，沈兆武，夏红兵.炮孔装药量与炮孔间距关系的研究［J］.含能材料，2006（2）：151-154.

［3］王旭光.爆破设计与施工［M］.北京：冶金工业出版社，2015.

［4］王玉杰.爆破工程［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2009.

［5］刘爱华.分段装药的间隔长度计算［J］.爆破器材，1990（3）：22-23..

【责任编辑：陈 毓】

Researching on improving blasting parameter of lump coal rate in Heidaigou Open-pit Mine

LI Fang,ZHANG Yinliang
(Heidaigou Open-pit Mine,Shenhua Group Zhungeer Energy Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

To improve lump coal rate,in combination with terrain conditions,distribution of coal seam,the equipment and construction efficiency,under the premise of guaranteeing the blasting quality and ensuring the drilling efficiency,the article researches the effect of hole diameter,hole parameters,charging structure and performance of explosive on lump coal rate,which provide the direction for the selection of blasting parameters.

lump coal rate;broken area;interval charging;explosive performance;wave impedance

TD854.2

B

1671－9816（2017）03－0026－05

2016－11－16

李 方（1988—），男，助理工程师，毕业于安徽理工大学，现任职于神华准能集团黑岱沟露天煤矿，负责爆破设计及现场施工指导工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.008

李方，张引良.提高黑岱沟露天煤矿块煤率爆破参数研究［J］.露天采矿技术，2017，32（3）：26－30.