工程水压爆破在煤层爆破中的应用

温 珊 胡 葵

（1.山西潞安民爆器材有限责任公司，山西 长治 047506；2.北京安联国科科技咨询有限公司，北京 101312）

1 工程概况

黑岱沟露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗，设计生产能力10Mt/a。表土剥离采用连续开采工艺，采用4台轮斗挖掘机。下部采用单斗卡车和吊斗铲开采工艺。采煤采用2500t/h半移动式破碎站，轮斗挖掘机连续开采工艺系统。煤层厚度57.33～73.52m，密度1.19t/m3，抗拉、抗剪断能力较低，易自燃。黑岱沟露天煤矿在煤层爆破中进行了工程水压爆破技术的试验，意在减少爆破引起煤层着火和确保煤层爆破块度要求。

2 工程水压爆破原理及特点

2.1 工程水压爆破的原理

水压爆破与以空气为耦合介质的普通爆破相比，在介质的破碎机理上没有太大的区别，但是在爆破作用特征上，由于两者的物理性质不同，表现出明显的差异。

（1）在不耦合系数相同的条件下，水压爆破的应变波强度和变形势能比以空气为耦合介质爆破的大。这说明爆破同样一个物体时，前者所消耗的能量和炸药量都比后者低。

（2）水压爆破和空气爆破的应变波强度随不耦合系数的增大皆呈指数函数衰减。但是，前者的衰减速度比后者要慢，两者相差几乎接近1倍。这是水的密度较大所致。

缓冲爆破的效果除了与缓冲介质的性质有关以外，不耦合装药是形成缓冲爆破的关键技术措施，因此不耦合系数是影响缓冲爆破效果的关键参数。选取不耦合系数时必须考虑介质的性质、炸药的性能及爆破条件和要求。选取的不耦合系数过小，则起不到抑压和缓冲的作用；选取的值过大，则破碎不了介质。

2.2 工程水压爆破特点分析

大量工程实践和试验研究证明，不堵塞炮孔爆破炸药的能量会以“冲炮”形式泄出，而爆轰波传到炮孔不同部位时，由于空气的可压缩性极大，应力波大部分能量衰减消失，极大削弱了对炮眼岩壁的破碎力。利用炮泥回填堵塞炮孔，可以加强膨胀气体的破岩作用，但炮泥也是可压缩的，只不过与空气相比压缩性小，应力波能量损失相对比空气少。如果以水作为应力波的传播介质，水是不可压缩的，吸收的爆炸能量小，这就解决了应力波传播过程中的能量损失问题。但如果全用水堵塞，水对膨胀气体没有约束能力，试验表明，全用水袋堵塞，也会发生“冲炮”现象，起不到提高炸药能量利用率的作用。

3 工程水压爆破的实践

3.1 爆破试验

（l）主要爆破参数

孔深H：根据台阶高度及业主方要求，孔深有9.5m、6.0m、15m三种主要参数，如图1所示。

图1 孔深切面图

孔径d：采用现有的CM-351钻机，孔径d=115mm。

最小抵抗线w：w=3.0m。

炸药消耗量q：根据长期生产实践，q=0.1kg/m3。

孔距、排趴：a=8.0m，b=5.0m 采用梅花形布孔方式，如图2所示。

单孔装药量Q：Q=qabH=31.2～46.8kg。

堵塞长度L：L=H-Q/Qm=2.4～3.5m。

同样利用图1实验平台，还测试了薄膜对出射功率为8.4 W的CO2连续激光的透过率和反射率随辐照时间的变化情况.发现薄膜对10.6 μm远红外连续激光的透过率接近于0，在受辐照的60 s内几乎保持不透，而反射率则会有一定幅度变化，结果如图9所示.

（2）水瓶的加工

水瓶为长20cm、直径6.0cm的聚乙烯塑料瓶，瓶中充满水后，将瓶盖拧紧。水瓶放置、运输时有轻微变形，不影响装填及最后的爆破效果。

图2 炮孔布置图

（3）炮孔装药结构

炮孔的装药结构如图3所示，炮孔的装药结构依次为炸药、水瓶、砂土。装药量根据煤层条件按常规爆破的钻爆设计计算。水瓶、砂土的装填比例根据各孔装药后的剩余空间，现场试验确定。砂土的装填长度不宜太短，以免发生冲炮现象。

图3 装药结构图

（4）起爆网路

孔内下导爆索，地表采用高精度雷管-导爆索起爆网路，如图4所示。

图4 起爆网路示意图

（5）试验数据采集

① 筛分法每次试验炮爆破后，随时抽取长×宽×高= 20m×5m×10m断面爆渣，经挖机装车后过磅，然后经筛分系统进行筛分，将各类粒径的煤块分别称后计算出块煤率，填写试验报告后存档。

② 影像法。采用影像设备（数码相机、DV等）记录爆破过程及爆后效果，为试验留下直观的原始资料。

③ 测量法。使用RDK对取样的爆堆方量进行测量，以校核断面法相关数据的准确性。利用便携式红外线测温仪测量每次爆破试验煤层爆破前地表温度、孔底温度和爆破后地表温度、裂隙温度，并记录。

④ 目测法。通过对试验炮的爆后质量跟踪，对爆堆表层的块煤情况进行形象描述。

3.2 爆破效果分析

经过分析爆破效果，爆破后煤层大块率有较明显增加，块度较均匀，易于挖装。孔深15.0m爆破区域，块度基本达到矿方要求，块度均匀。孔深9.5m爆破区域，表面块度明显增加。试验数据表明，采用工程水压爆破技术对提高爆破后块煤率（大块和中块）有明显效果。

爆破后温度变化：孔深9.5m爆破区域爆破前孔内平均温度为4℃，爆破后为7℃；孔深6.0m爆破区域爆破前孔内平均温度为10℃，爆破后为24℃。数据基本证明，采用工程水压爆破技术，爆破后对降低孔内温度有一定效果。

4 应用效果

（1）在煤层爆破中，采用工程水压爆破可以实现不耦合装药，减小细煤粒的产生，提高块煤率。

（2）工程水压爆破可以提高炸药能量利用率，爆破后煤渣的块度均匀度增加，降低炸药单耗量，节约开采成本。

（3）利用废弃的塑料瓶装水，作业过程简单、环保、操作方便，工作人员容易掌握。如果露天煤矿大规模使用，可以进行订制，在煤层中应用可取代空气间隔器。

（4）减少爆破危害，降低爆破振动速度，工程水压爆破无飞石，噪声明显减少。