穿孔爆破技术在露天煤矿的应用

2018-03-20杨玉斌

陕西煤炭 2018年6期

杨玉斌

(神东煤炭集团，陕西神木 719315)

0 引言

从敞露地表的采矿场采出有用矿物的过程，称露天采矿。当矿体埋藏较浅或地表有露头时，应用露天开采最为优越。与地下开采相比，优点是资源利用充分、回采率高、贫化率低，适于用大型机械施工，建矿快，产量大，劳动生产率高，成本低，劳动条件好，生产安全。但需要剥离岩土，排弃大量的岩石，尤其较深的露天煤矿，往往占用较多的农田，设备购置费用较高，初期投资较大。此外，露天开采受气候影响较大，对设备效率及劳动生产率都有一定影响。随着开采技术的发展，适于露天采矿的范围越来越大。露天开采作业主要包括穿孔爆破、采装、运输和排土。这4项工作的好坏及它们之间的配合如何，是露天采矿的关键。影响露天煤矿爆破因素很多，由于种种因素的影响，常会造成大块、根底的产生，从而影响采装设备的效率，采用二次爆破又会增大爆破成本。因此，合理的装药量，起爆方法，布孔方式等有助于提高爆破质量。这样在露天煤矿的生产过程中穿孔爆破技术就显得尤为重要。

1 爆破参数的影响因素

爆破效果的好坏与爆破参数(包括工作面规格)、及地质条件和岩性有关。所以如何根据地质、岩性条件去选择合适的爆破参数就成为提高爆破效果的关键。

1.1 炸药性能的影响

炸药的密度，爆热，爆速，做功能力和猛度等性能指标反映了炸药爆炸式的威力，直接影响爆破效果。爆速是炸药本身影响其能量有效利用的一个重要性能指标，不同爆速的炸药，在岩体内爆炸激起的冲击波和应力波的参数不同。炸药与岩石的匹配对爆破效果有较大影响，为提高炸药能量的有效利用率，炸药的波阻抗应尽可能与所爆岩石的波阻抗相匹配。断层和大裂缝对爆破作用相当于一个完整的自由面，可以阻断冲击波的传播，造成爆生气体的突出，使爆破效果恶化，在药包爆破作用范围内的断层或大裂缝影响爆破漏斗的大小和形状，从而减少或增加爆破破石方量，使爆破不能达到预定的抛掷效果。

1.2 爆破方式及技术参数

爆破方式：马家塔露天煤矿爆破方式采用微差挤压爆破，挤压爆破是靠渣体的挤压作用提高爆破质量的一种方法，微差时间以20～150 ms为宜，渣体厚度以10～20 m为佳。优点是爆破量大，破碎块度均匀，减少大块率和根底从而提高电铲采装效率，爆堆集中，避免了埋道，不需清理出台阶多久可以穿孔作业。布孔技术参数采用矩形方式布孔，孔间距5 m，行间距5 m。该矿一般采用4排，每排10孔延时起爆。

常用装药量的计算：合理的炸药使用量直接关系着爆破的质量，对露天煤矿生产的剥离、采煤、运输与排土都有直接的影响。在我国露天爆破过程中普遍采用m=V×r的方式来计算装药量，其中V为爆破物体积，r为炸药密度。这种计算出来的装药量不是多就是少，造成药量不合理。

按孔深装药：马家塔露天煤矿经过实践经验和实际现场检测，确定根据每孔的实际平均深度计算每孔实际装药量，最终确定整体爆破区域的炸药使用量。由经验公式H药=h填/r药计算出每孔药柱高度H药，每孔平均装药的袋数m孔=H药/h袋，m袋总使用药量即为M=m孔×n。其中h袋为每袋乳化炸药的长度，n为钻孔数量。

1.3 提高爆破质量方法

合适的最小底盘抵抗线：底盘抵抗线(w)指从台阶坡底线到第一排孔中心轴线的水平距离。底盘抵抗线过大可能造成根底，过小会过多消耗炸药，有经验公式确定其值。w=(25-35)d，式中：w—底盘抵抗线；d—钻孔直径；马家塔矿最小抵抗线为3～4 m。

合理的超深(h)：超深是指深孔在台阶底盘标高以下那一段深度，其作用是降低装药中心的高度以便有效克服台阶底部阻力，避免减少根底，可根据经验公式h=(0.15～0.35)w。过小的超深将会在爆破后留有根底，过大的超深将增加穿孔量，浪费炸药和设备，爆破后还破坏了下一个阶段，给下一台阶穿孔造成困难。在露天爆破过程中，为了煤层顶板不产生夹矸或在煤层底板不产生拉底，常使用超深来提高煤质。在多排孔爆破时，第二排以后的各排炮孔超深可取大值，当台阶底盘岩石较软时，也可不要超深。

充填长度的确定：合理的堵塞长度能阻止爆炸气体产物过早冲出孔外，充分破碎，采用连续柱状装药时，堵塞长度一般为底盘抵抗线的0.7～0.8倍。

合理选择起爆位置：在炮眼爆破法中，根据起爆点在装药中的位置和数目，将起爆方式分为正向起爆，反向起爆和多点起爆。在岩石性质，炸药用量和炮眼深度一定条件下，与正向起爆相比，反向起爆可提高炮眼的利用率，降低岩石的夹制作用，降低大块率。在炮眼较深，起爆间隔时间长以及炮眼间距小的情况下，反向起爆可消除正向起爆时容易出现的起爆药卷被邻近炮眼内装药爆破“压死”或早爆，马家塔露天煤矿均采用反向起爆。

2 地质条件对爆破的影响

马家塔露天煤矿位于鄂尔多斯盆地伊金霍洛旗境内，是神华企业第一个投产的煤矿企业。该矿井田范围为南北长8 km，东西宽2～3 km的狭长型井田。因为紧邻乌兰木伦河该矿井田地表水、地下水丰富。具有地表埋藏浅、煤层赋存条件好、剥采比小、煤质优的特点。其地质条件为地表由松散的沙粒土层、页岩和局部的石英岩、煤层组成。地表松散的黏土层3～4 m、岩石层理明显平稳，厚度约为7～8 m、有2个剥离台阶和1个煤台阶，采用电铲、汽车连续开采工艺。采取垂直打孔的作业方式，根据该矿的地质条件选择防水的乳化炸药。

其中地形是影响爆破效果和经济指标的重要因素。所谓地形，就是爆破区的地面坡度、临空面个数和形态，山体高低及冲沟分布等地形特征。地质地形是进行爆破设计必须充分考虑的重要因素，爆破方量、抛掷方向和距离、堆积形状、爆破后的清方工作以及施工现场布置等都直接受到地形条件的影响。

2.1 地形与爆破的关系

对爆破漏斗形状与体积的影响：众所周知，集中药包的爆破漏斗的形状是倒立的圆锥体，并由于岩石的性质、结构与所使用的炸药性能方面的不同，爆破漏斗体积的大小是有差别的。由于爆区地形条件的变化，实际的工程爆破其爆破漏斗的形状都不是倒立的圆锥体，而是倒立的椭圆锥体。即在平坦地形为倒立圆锥体；在倾斜地形为倒立的椭圆锥体；在山包多面临空地形，由于药包的球形爆炸作用，则为2个以上的倒立椭圆锥体的结合体；在凹形垭口地形，由于地形的夹制作用，抛掷漏斗部分缩小，而崩塌漏斗则因药包两侧都有斜坡而变为2部分。如上所述，爆破漏斗的大小和形状随地形条件而变化，实际工程平坦地形少见，所以，一般应用倒立椭圆锥体计算其体积。

对爆破石方抛掷方向的影响：地形决定了药包最小抵抗线的方向。在平地爆破，土岩抛出方向是向上的；斜坡地面爆破，土岩主要沿斜坡面法线方向抛出，根据弹道抛物线原理，以45°抛掷距离最远，在斜坡地面又与山坡纵向形态有关，石方基本沿最小抵抗线方向抛出；为凸面山坡，由地面上每一点至药包中心都与最小抵抗线距离差不多，因此石方是抛散的。凹面山坡，抛石是集中的。这是呈斜坡单一临空面地形的抛掷情况。在山包、山头、山嘴、山脊等地形进行爆破，药包抵抗线是多方向的，例如孤山包爆破是四面“开花”；山嘴地形则可向3个临空面飞散；山脊地形则向两侧抛出。这些都是多临空面地形的抛掷情况。在洼坑、山沟、垭口等地形爆破，夹制作用大，抛出方量和方向严格受地形限制，但它抛掷堆积集中。

2.2 露天煤矿水孔的解决手段

马家塔露天煤矿首采区岩层含水丰富，地表沟壑形成了较大的地面积水。20%～30%的钻孔成为水孔，其中有1/3为浅水孔，另外2/3为深水孔，一般通过乳化炸药实施爆破。大量使用乳化炸药使该矿爆破成本居高不下，轰水作业影响爆破进度，进而影响采掘设备正常作业。通过深入的总结实践，马家塔露天煤矿总结了一套使用散装乳化炸药为克服水孔的主要手段的轰水、抽水等手段的治水方案，取得了较好的效果。

3 爆破质量对露天煤矿综合成本的影响

在露天煤矿生产中采掘、运输和排土3个环节作为采矿生产中的一个有机的整体，在整个采矿系统中占有重要的地位，决定着整个系统的综合成本。其中矿岩的穿孔爆破是基础，其费用约占采矿直接生产成本20%～30%。为降低开采成本，爆破质量与穿爆成本有着紧密的关系。当采用过小的炮孔参数、较高的炸药单耗时，虽然取得较小的破碎块度、二次爆破量小、挖掘运输的成本低，但由于穿爆成本过高，采矿综合成本也较高。大炮孔参数、低炸药单耗时，虽然穿爆成本较低，但由于爆出大块较多，爆堆不松散，二次破碎、装载运输成本会急剧增加，采矿综合成本相应提高。从科学、经济的角度出发，在实际矿山采矿活动中合理的布孔参数就显得尤为重要。

3.1 布孔参数

采用浅孔爆破时：孔距ɑ=mWd，式中：m—炮孔邻近系数，一般m=1.2～1.4；当使用微差爆破后矿岩块度较小时，取m=1.8～2.0；极坚硬难爆的岩层或要求爆破后形成较大块度的岩石时，取m=0.8～1.0。炮孔邻近系数m=ɑ/W，炮孔邻近系数是一个很重要的参数，过去m值应为0.8～1.4，随着爆破的发展，在爆破孔网面积不变的情况下，适当减小抵抗线或排距而增加孔距，可以改善效果。

采用深孔爆破时：孔距ɑ=Q/HW′q，式中：Q—炮孔装药量，kg；W′—抵抗线，m，α—前排孔按底盘抵抗线；q—单位炸药消耗量，kg/m3。

3.2 爆破对采运排的影响

爆破后形成的松散矿岩堆称为爆堆。爆堆的尺寸对采装、运输工作都有很大影响。爆堆过高，会影响挖掘机安全作业；爆堆过低，挖掘机不易装满勺斗；若爆堆前冲过大，不仅增加挖掘机事先清理的工作量，而且运输线路也受到影响；前冲过小，说明矿岩破碎程度不好，不利于挖掘机采装。因此要求爆堆的高度和宽度都要适宜。爆破后的台阶也要规整，不允许出现根底、伞相等凸凹不平现象。此外，在新形成的台阶上部，往往由于爆破的反作用而出现龟裂(称作后冲作用)，它对下一循环的穿孔爆破工作影响极大也应尽可能避免。

中深孔爆破是指炮孔直径大于50 mm，炮孔深度超过5 m的炮孔爆破。它的应用建立在露天采石、采矿必须遵循自上而下的开采顺序，凿岩爆破和铲装运输必须分台阶组织生产的基础上。自上而下的开采顺序从根本上杜绝了从底部开采的“挖墙脚”造成的松石悬顶和边坡过于高陡，分台阶组织生产使凿岩爆破和铲装运输分别在不同的台阶作业，从源头上避免了“一面墙”式的开采方式，边坡坡面可以控制，滑坡、边坡、滚石等事故可以消除。

4 爆破对安全操作的要求

对于一个高产高效的露天煤矿来说，穿孔爆破技术对露天煤矿的安全生产起着至关重要的作用，爆破是一种瞬间发生的巨大能量释放现象，安全工作很重要。在开采过程中，除了要注意爆破技术操作的安全外，还要尽可能地减轻爆破震动、空气冲击波及个别飞石对周围的危害。作为特殊职业在爆破操作过程中必须严格遵守操作规程，持证上岗，以预防为主、安全第一的指导方针做好工作，坚持职工培训与实际操作相结合，做到“站标准岗、干标准活”。