胜利露天煤矿爆破方案优化

肖 兵，孙 磊，吴云飞，黄月军，苏海云

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000）

目前，台阶深孔爆破已被各大露天矿山广泛应用，安家岭露天矿与中国矿业大学的黄小明、张瑞新等人对安家岭露天矿台阶爆破质量进行了优化研究[1]，内蒙古科技大学的李国明对扎哈淖尔露天煤矿岩层爆破参数进行了优化研究[2]，神华集团哈尔乌素露天煤矿的苏二换对露天矿大孔径深孔爆破方案与施工技术进行了优化[3]，大孔径浅孔爆破也已在魏家峁、马鞍山等露天矿山推广使用，北方魏家峁煤电有限责任公司的张建民、杨靖等人研究了大孔径浅孔爆破在魏家峁露天煤矿的应用[4]，马钢南山矿业公司的谢建德对大孔径浅孔爆破设计原则及参数选择进行了研究[5]，各矿对相关的台阶深孔爆破及大孔径浅孔爆破参数及工艺进行了详细的研究分析，但受地质条件的影响，各矿的爆破参数及工艺不尽相同，各矿优化后的爆破参数及工艺无法适用于所有露天矿，需针对不同露天矿所处的地质环境进行爆破参数及工艺优化，同时，各矿未对台阶爆破对电铲采装效率的影响进行数据分析，因此，针对胜利煤田矿区大孔径浅孔爆破及台阶深孔爆破相关参数及施工工艺进行了具体研究，确定最优的爆破参数及爆破施工工艺，通过数据分析，研究了台阶爆破对电铲采装效率的影响，为露天矿成本控制积累了可靠的数据支持。

1 矿山概况

胜利露天煤矿采用单斗－卡车工艺，剥离采用6台WK－35 电铲配合220T 卡车作业，采煤采用WK－10B 电铲、EX2500 液压正铲配合TR100 作业。爆破工程主要分为大孔径浅孔爆破和台阶深孔爆破，爆破按照露天矿采掘方向采取分层、分区一爆一采或一爆多采的方式，以满足采掘设备能力为准。

胜利露天矿区内大部分岩石强度较低，抗压强度大于6 MPa 的岩石比例为20.49 %（占基岩层段的百分数），大于10 MPa 的岩石比例为7.48 %，单层最大厚度5.29 m；大于15 MPa 的岩石比例为2.36 %，单层最大厚度为5.05 m。剥离物强度为一类偏复杂，即含少量中硬岩的软岩类，而且中硬岩的厚度及在软岩中的分布呈不规则状态[6]。分布在露天区的西及北西部的5#煤层以上的砂砾岩，具有厚度变化大和抗压强度离散性极大的特点。据现场勘查，5#煤硬度较小，6#煤硬度较大，5#～6#煤之间的粉砂岩和细砂岩硬度较大，分布不规则[6]。考虑地质条件的影响，胜利露天煤矿对5#煤以上局部砂砾岩实施局部硬岩爆破，对5#～6#煤之间剥离物及6#煤进行全部爆破，进而提高电铲采装效率。

2 爆破设计优化

2.1 爆破参数优化

露天煤矿爆破质量受各种因素的影响，在爆破过程中很容易产生大块、根底，从而影响电铲的采装效率，且产生的大块及根底需二次爆破，增大了爆破成本。因此，合理的炸药单耗、爆破参数、爆破工艺、装药结构、联网方式等有助于提高爆破质量。

胜利露天煤矿岩层台阶和煤层台阶均需钻孔爆破。岩石岩性为松散－半坚硬，抗压强度0.05～50.10 MPa，平均2.66 MPa，岩石炸药单耗为0.16～0.23 kg/m3，煤的抗压强度为6.30～10.12 MPa，极少部分超过15 MPa，属软岩类，炸药单耗0.12～0.18 kg/m3，设计确定打垂直孔，爆破采用多排孔微差松动的爆破，主炸药选用铵油炸药，起爆药使用乳化炸药，地表和孔内传爆使用普通毫秒导爆管雷管，当遇到水孔时，采用乳化炸药进行装药[3]。

2.1.1 台阶浅孔爆破方案

为保证有效提高胜利露天煤矿电铲采装效率，对于揭露的局部硬岩、冻土层及中深孔台阶爆破产生的根底、台阶局部出现欠挖或三角体，采取大孔径浅孔爆破。钻孔直径为175 mm，爆破理论中浅孔爆破的基本定义为炮孔直径≤50 mm，深度≤5 m 的爆破作业。在爆破技术资料中查无相关大孔径浅孔爆破设计内容。因此，浅孔爆破设计相关经验公式不适用大孔径浅孔爆破。在爆破设计中主要依据施工经验，总结出适应相关条件的爆破设计方法，并得到有效应用。

依据岩石可爆性普氏硬度系数f＝1～2，大孔径浅孔爆破炮孔装药相对集中，爆破抵抗线长度较大，为达到理想的爆破效果，炸药单耗较小孔径浅孔爆破高，在实际应用中爆破单耗、一般按0.2 kg/m3控制，根据岩石的软硬程度再做适当调整[4]。胜利露天煤矿大孔径浅孔爆破参数为:①台阶高度4 m;②孔深4 m;③孔网参数:孔距a×排距b＝8 m×7 m;④底盘抵抗线为5 m;⑤单孔装药量为45 kg;⑥炮孔填塞长度为2 m;⑦炸药单耗为0.2 kg/m3。

2.1.2 台阶深孔爆破方案

1）炮孔直径d。胜利露天煤矿岩石台阶及煤层台阶设计使用175 mm 孔径钻机。

2）台阶底盘抵抗线Wd。胜利露天煤矿设计台阶高度H 为15 m，按照Wd＝（0.6－0.9）H，确定岩石台阶底盘抵抗线为9 m。

3）孔深L 与超深Hc。h 为钻孔超深。超深使矿山每年钻孔工作量增加。在每个孔深装药量一定的条件下，超深增大，直接用于破碎台阶岩石的那部分炸药量减小，同时也增加填塞高度，即增加非装药区高度，从而导致台阶上部岩石不能得到炸药直接爆破作用，大块率增加。因此，在可能条件下，应力求减小超深。根据多年在本矿实验总结，本矿岩石硬度较小，故本矿深孔爆破超深h＝0.6 m，根据实际现场情况及台阶高度不同对超深进行调节。剥离台阶孔深L＝H+Hc 确定为15.6 m。

4）孔距a 与排距b。根据a＝mWd，选取炮孔密集系数m 为1.2～1.5。依据小排距大孔距可有效改善爆破效果的理论，同时，为了取得较好的爆破效果，发挥爆孔利用率，布孔方式采用三角形布孔，排距按b＝0.866 a 选取。则：确定175 mm 孔径炮孔的岩石爆破孔网参数为：10 m×8 m。

5）炮孔填塞长度Lt。工程实践取Lt＝（0.7～1.0）Wd，确定填塞长度为5～7 m，该设计采用连续装药，钻机排渣充填。

2.2 爆破工艺优化

1）压碴爆破。胜利露天煤矿5#煤～6#煤之间部分岩层爆破采取压碴爆破，在采掘工作面留有一定厚度的爆堆，留渣厚度一般为4～5 m，通过爆堆与原生台阶的挤压作用，有效延长爆破应力波作用于原生台阶的时间，改善炸药能量的利用，提高对岩体的破碎效果，减小大块率。当遇到台阶底盘抵抗线过大的情况时，利用推土机在爆堆上制作假平台，靠前打孔，有效缩小台阶底盘抵抗线，避免或减少根底。

2）反向起爆。在露天矿台阶爆破中，根据起爆药包在炮孔的位置和数目，将起爆方式分为正向起爆，反向起爆和多点起爆[7]。胜利露天煤矿起爆方式广泛采取反向起爆，有效降低了岩石的夹制作用，有效降低大块率，消除了正向起爆时容易出现的起爆药卷被邻近炮孔内装药爆破“压死”或早爆的现象[8]。

3）微差爆破。胜利露天煤矿采用非电导爆管微差起爆网络[9]。微差爆破可以增大应力波对岩体的作用时间和给后排孔补充自由面，降低大块率和炸药单耗，有效减小爆堆宽度[10]。胜利露天煤矿根据作业现场实际，灵活采用排间、逐孔等微差起爆顺序，实现最佳爆破效果。为避免先起爆区域对相邻区域爆破网络的损害，孔内高段微差的（200 ms），地表采用低段微差（50 ms）或高精度毫秒延期导爆管雷管的方式进行起爆。

4）打加密孔。胜利露天煤矿台阶坡面角为65°～70°，受电铲挖掘质量及地质条件的影响，局部台阶坡面角小于65°，爆破底盘抵抗线增大，为保证爆破质量，在进行钻孔作业时，在临近台阶坡顶线处打加密孔，增加台阶前排底部装药量，克服台阶较大的底盘抵抗线，减少根底，创造了较好的爆破效果[11]。

5）局部硬岩爆破。胜利露天煤矿矿区内5#煤以上岩层局部存在部分粗砂岩，厚度为2～3 m，分布不连续，该层岩石强度较大，对电铲采装效率有较大影响。针对该层岩石，在露天矿深孔爆破作业中，采取孔间夹打钻孔的方式进行爆破，根据现场硬岩分布情况，穿孔深度以不超过岩石厚度2/3，硬岩处装药进行爆破，由此提高对硬岩的爆破效果，同时，有效减少了炸药单耗，节约了爆破成本。深孔爆破硬岩层炮孔位置剖面图如图1，局部硬岩台阶炮孔布置平面图如图2。

图1 深孔爆破硬岩层炮孔位置剖面图

图2 局部硬岩台阶炮孔布置平面图

3 胜利露天煤矿爆破对采装效率的影响

3.1 大孔径浅孔爆破对电铲采装效率的影响

胜利露天煤矿冬季气温较低，冬季剥离台阶上部有4 m 左右的冻土，影响电铲采装效率，胜利露天煤矿对冬季剥离台阶上部冻土进行大孔径浅孔爆破，取得了比较好的效果，提高了电铲采装效率，960平盘1102#电铲采装车速度的统计分析如图3。2018年3 月1 日—3 月23 日，1102#电铲采装未爆破台阶，平均装车速度0.225 车/min，3 月24 日—4 月3 日，1102#电铲采装爆量，平均装车速度0.284 车/min，4月4 日—4 月17 日，1102#电铲继续采装未爆破台阶，平均装车速度0.252 车/min，通过以上数据分析，大孔径浅孔爆破可提高电铲采装效率20.85 %。

图3 960 平盘1102#电铲每分钟装车数

3.2 5#煤上部岩层深孔爆破对电铲采装效率的影响

胜利露天煤矿对冬季剥离台阶进行深孔爆破，通过优化爆破参数及爆破工艺，提高了电铲采装效率，975 平盘1102#电铲采装车速度的统计分析如图4。2018 年11 月19 日—11 月25 日，1102#电铲采装爆量，平均装车速度0.272 车/min，11 月26 日—12月5 日，1102#电铲采装未爆破台阶，平均装车速度0.226 车/min，12 月6 日—12 月11 日，1102#电铲继续采装爆量，平均装车速度0.267 车/min，12 月12日—12 月17 日，1102#电铲继续采装未爆破台阶，平均装车速度0.221 车/min，975 平盘整台阶爆破提高电铲采装效率20.58%。960 平盘1106#电铲采装车速度的统计分析如图5，2017 年12 月14 日—12月17 日，1106#电铲采装非爆量，平均装车速度0.204 车/min，12 月18 日—12 月31 日，1106#电铲采装爆量，平均装车速度0.247 车/min，960 平盘整台阶爆破提高电铲采装效率21.07%。通过以上数据分析，胜利露天煤矿岩层深孔爆破可提高电铲采装效率20.83%。

图4 975 平盘1102＃电铲每分钟装车速度

图5 960 平盘1106＃电铲每分钟装车速度

3.3 深孔爆破对电铲采装效率的影响

胜利露天煤矿5＃～6＃煤层之间岩层采用深孔爆破，取得了比较好的效果，提高了采装效率，885平盘1105＃电铲采装车速度的统计分析如图6，2018年1 月15 日—1 月17 日，1105＃电铲采装未爆破台阶，平均装车速度为0.191 车/min，1 月18 日—1 月20 日，1105＃电铲采装爆量，平均装车速度为0.227车/min，1 月21 日—2 月21 日，1105＃电铲继续采装未爆破台阶，平均装车速度0.189 车/min，2 月28日—3 月5 日，1105＃电铲继续采装爆量，平均装车速度0.217 车/min，885 平盘整台阶爆破提高电铲采装效率15.87%。

图6 885 平盘1105＃电铲每分钟装车速度

4 结语

1）提出了大孔径浅孔爆破设计方案，对相关爆破参数进行了优化研究，同时，对胜利煤田其他露天矿实施浅孔爆破提供了详实的爆破参数，通过实施大孔径浅孔爆破，可提高电铲采装效率20.85%。

2）对胜利露天煤矿深孔台阶爆破台阶底盘抵抗线、孔距、排距、填塞长度、超深等相关参数进行了优化研究，同时，对台阶深孔爆破工艺进行了优化，钻孔过程中采用打加密孔、孔间夹打钻孔的方法优化布孔方式，提出了压碴爆破、反向起爆的爆破方法，优化后，胜利露天煤矿电铲采装效率提高了16.03%可为同类矿山提供台阶深孔松动爆破提供设计及施工经验。