用二氧化碳爆破技術(shù)開采某石灰石礦的大理石材

王 軍 肖永勝

(1.京能電力后勤服務(wù)有限公司；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)學(xué)院)

用二氧化碳爆破技術(shù)開采某石灰石礦的大理石材

王 軍1,2肖永勝1

(1.京能電力后勤服務(wù)有限公司；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)學(xué)院)

某小型露天礦山石灰石與大理石礦共生，密集塊狀大理石鑲嵌于石灰石角礫巖之中，傳統(tǒng)炸藥爆破法開采對大理石破壞作用嚴(yán)重，荒料率較低，浪費(fèi)了大理石資源。為提高大理石荒料率，用二氧化碳爆破技術(shù)替代傳統(tǒng)的炸藥爆破技術(shù)后，荒料率從此前的10.3%提高至現(xiàn)在的17.1%，產(chǎn)品的附加值大幅度提高，每年為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益274.4萬元，且顯著減少了爆破飛石和煙塵對安全和環(huán)境的影響。

二氧化碳爆破 炮孔間距 爆破效果 經(jīng)濟(jì)效益

使用液態(tài)二氧化碳對介質(zhì)進(jìn)行破壞是美國人朗艾爾·道克斯[1]首先提出并嘗試的，到20世紀(jì)80年代開始迅速發(fā)展，逐步應(yīng)用到爆破震源、金屬制品成型、地下礦山、露天礦山開采等領(lǐng)域，成為一種有潛力的新型爆破器材。二氧化碳爆破技術(shù)最初在礦山開采中的應(yīng)用，是由于二氧化碳穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，替代炸藥爆破，用于地下煤礦爆破落煤，可有效地控制爆破火花的產(chǎn)生，從而避免瓦斯、煤塵爆炸[2]；隨后，該技術(shù)推廣到地下高瓦斯煤礦的瓦斯爆破導(dǎo)引釋放、巷道輪廓預(yù)裂成型等，深受地下礦山青睞。進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)二氧化碳爆破器材生產(chǎn)商逐步涌現(xiàn)(主要部件仍然依靠進(jìn)口)，運(yùn)用范圍進(jìn)一步拓寬，從地下礦山開采拓展到露天礦山開采，從煤礦領(lǐng)域跨越到非煤礦山，出現(xiàn)了很多非煤礦山運(yùn)用的成功范例。當(dāng)前，二氧化碳爆破技術(shù)雖已在礦山應(yīng)用，但其成熟度不足，仍處在不斷成長和發(fā)展階段。

1 二氧化碳爆破筒及中深孔爆破原理

1.1 二氧化碳爆破筒

氣態(tài)二氧化碳通過高壓、低溫壓縮為液態(tài)二氧化碳，用高壓泵將液態(tài)二氧化碳打入抗高壓爆破筒內(nèi)，爆破筒內(nèi)裝有安全膜、破裂片、導(dǎo)熱棒和密封圈等原件，旋上合金帽即完成對單支爆破筒的二氧化碳裝填工作?，F(xiàn)場爆破時，將電路正常的爆破筒插入鉆孔中固定好，然后連接起爆器和電源。當(dāng)微電流通過高導(dǎo)熱棒時，產(chǎn)生高溫?fù)舸┌踩ぃ查g將液態(tài)二氧化碳?xì)饣?，急速膨脹的二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生高壓沖擊波致泄壓閥自動打開，從排氣孔沖出，對被爆破介質(zhì)做功，并最終實(shí)現(xiàn)對被爆介質(zhì)的貫穿、破壞。單枝爆破筒結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 單枝爆破筒結(jié)構(gòu)示意

1.2 二氧化碳中深孔爆破原理

每支爆破筒的頂端和末端都有螺紋，按照設(shè)計(jì)數(shù)量將二氧化碳爆破筒逐支旋緊連接，并緩慢送入預(yù)先穿成的孔內(nèi)，用細(xì)砂填充爆破筒與炮孔間隙，并用炮泥緊密填塞孔口，檢查組合爆破筒的導(dǎo)通后連接導(dǎo)線、起爆器起爆。

爆破筒是抗高壓特種器具，成本較高，一般要回收重復(fù)使用，為保護(hù)爆破筒，正常情況下采用單排孔齊發(fā)爆破，盡量降低爆破對爆破筒的損傷。電起爆網(wǎng)絡(luò)采用可靠并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，確保每支爆破筒能夠同時起爆。由于目前爆破筒的管徑比較單一，存儲液態(tài)二氧化碳有限，當(dāng)單排爆破管能量不足時，對大孔徑的炮孔，有時單孔布置雙排爆破筒，增大對介質(zhì)的破壞作用。

1.3 二氧化碳爆破的優(yōu)缺點(diǎn)

在民用爆破領(lǐng)域，當(dāng)前的主流爆破法有物理爆破法和化學(xué)爆破法。二氧化碳爆破法屬于物理爆破，炸藥爆破屬于化學(xué)爆破。由于二氧化碳爆破對被爆介質(zhì)做功的主要能量來源為液態(tài)二氧化碳汽化的膨脹能，與炸藥爆破相比，具有爆破地震波小，飛石少且近，揚(yáng)塵小，易于控制，安全性好等優(yōu)點(diǎn)，因而特別適合在易燃易爆礦山使用；其缺點(diǎn)是爆破筒裝填工藝和現(xiàn)場施工均較復(fù)雜，且爆破能量有限，對炮孔質(zhì)量要求較高。

2 二氧化碳爆破技術(shù)的應(yīng)用

2.1 爆破條件

某小型石灰石、大理石共生露天礦為太古代烏拉山巖群二巖段大理巖，層狀(似層狀)分布，走向東西近170°、傾向西南約80°，傾角在10°～18°，礦床地形北高南低。礦床成因類型應(yīng)為淺海相化學(xué)沉積礦床，主體大理巖礦石抗壓強(qiáng)度為55.03～73.38 MPa，抗拉強(qiáng)度為2.45～4.38 MPa，原巖平均密度為2.35 t/m3，屬較堅(jiān)硬巖石，礦區(qū)巖石物理力學(xué)性能見表1。

礦體受后期地質(zhì)作用影響明顯，連續(xù)性較差，表現(xiàn)為密集塊狀大理石鑲鍥于石灰石碎屑角礫巖中，節(jié)理、裂隙發(fā)育。采場大理石主要化學(xué)成分為CaCO3，含量超過90%，開采大理石剩余的渣屑，仍能滿足電廠煙氣脫硫?qū)κ沂蠧aCO3的品位要求。

表1 礦區(qū)巖石物理力學(xué)性能

采場臺階高度6 m，表土層已剝離，臺階坡面角75°，臺階坡面上無結(jié)存爆堆。

2.2 穿孔爆破

為實(shí)現(xiàn)爆破筒的重復(fù)利用，爆區(qū)采用單排孔布置，電起爆網(wǎng)絡(luò)采用并聯(lián)雙回路連線，使用電壓為9 V的安全起爆器，所有炮孔齊發(fā)。爆破參數(shù)如下：

①孔徑,使用礦山自有小型潛孔鉆機(jī)穿孔，孔徑90 mm；②炮孔深度及傾角,炮孔孔深6 m，與作業(yè)面呈90°；③炮孔孔距,為保護(hù)大理石的整體性，孔距為5 m；④炮孔距臺階坡頂線距離為2 m，臺階坡頂線平直；⑤炮孔底盤抵抗線2～4 m；⑥爆破筒的裝填,將每根長1 m的爆破筒逐次順螺紋旋緊送入孔內(nèi)，并檢查導(dǎo)通；⑦不偶合系數(shù),比照傳統(tǒng)爆破算法，爆破筒直徑為75 mm，炮孔直徑為90 mm，不耦合系數(shù)為1.2；⑧堵塞,用細(xì)砂密實(shí)填充爆破筒與炮孔壁之間的間隙，上部0.5 m用炮泥堵塞；⑨使用萬用表再次檢查各炮孔爆破筒導(dǎo)通狀況；⑩用導(dǎo)線連接各炮孔，連接起爆器；警戒起爆。

2.3 爆破效果

爆破效果見圖2。

圖2 二氧化碳爆破效果

爆破后巖體沒有大幅整體位移，只在炮孔周邊自上而下拉開了橫向和縱向裂隙，采用大型反鏟挖掘機(jī)采掘時，沿著裂隙逐步將大塊的大理石采出，剩余的碎塊和細(xì)屑作為石灰石制粉原料，用于電廠煙氣脫硫。

3 二氧化碳爆破與炸藥爆破效果對比

該礦采用二氧化碳爆破后，大理石荒料率大幅度提高，爆破成本明顯下降，降低了傳統(tǒng)爆破法所特有的負(fù)面效應(yīng)，具體見表2。

表2 二氧化碳爆破與炸藥爆破效果對比

4 二氧化碳爆破與炸藥爆破的經(jīng)濟(jì)對比

眾所周知，大理石荒料的價值遠(yuǎn)高于石灰石石料。該礦平均年采掘礦石5萬m3(折合原巖體積，包括大理石荒料)，引進(jìn)二氧化碳爆破后，大理石荒料率大幅提高，爆破成本大幅下降，雖然采掘成本有所提高，仍然取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 爆破成本

4.1.1 二氧化碳爆破成本

(1)單次爆破成本。按單排10個孔、孔距5 m、孔深6 m計(jì)，爆破成本

C1=N1ML+N1K=1 400元，

(1)

式中，C1為爆破成本，元；N1為爆破孔數(shù)，個；M為單孔爆破筒數(shù)，根；L為單根爆破筒內(nèi)置耗材， 元/根；K為單孔二氧化碳消耗，元/孔。

(2)單次爆破量。

T1=NZDS1=750 m3，

(2)

式中，T1為10個孔爆破量，m3；Z為炮孔抵抗線，m；D為炮孔間距，m；S1為臺階高度，m。

(3)爆破單耗。

H1=C1/T1=1.87元/m3.

(3)

4.1.2 炸藥爆破成本

(1)單次爆破成本。以10個孔、孔網(wǎng)參數(shù)為4m×5m、孔深6m計(jì)，爆破成本

C2=ERN2+N2P=4 050元 ，

(4)

式中，C2為炸藥爆破成本，元；E為炸藥單價， 元/kg；R為單孔裝藥量，kg；N2為炮孔個數(shù)，個；P為單孔起爆器材費(fèi)用，元/孔。

(2)每次爆破量。

T2=N2UAS2=1 200 m3，

(5)

式中，T2為10個孔爆破量，m3；U為炮孔孔距，m；A為炮孔排距，m。

(3)爆破單耗。

H2=C2/T2=3.37元/m3.

(6)

4.1.3 年爆破成本下降產(chǎn)生的效益

年爆破成本下降產(chǎn)生的效益

W1=Q(H2-H1)=7.5萬元/a ,

(7)

式中，W1為爆破成本下降產(chǎn)生的效益，萬元/a；Q為采礦量，萬m3/a。

4.2 年采掘成本提高

采用二氧化碳爆破后，挖掘機(jī)效率下降，油耗和故障率有所提高，統(tǒng)計(jì)表明，與炸藥爆破法相比，折合原巖采掘成本上升了1.02元/m3，由此增加成本5.1萬元/a。

4.3 年荒料率提高產(chǎn)生的效益

年荒料率提高產(chǎn)生的效益

W2=Q(V2-V1)K=272萬元/a ,

(8)

式中，W2為荒料率提高產(chǎn)生的效益，萬元/a；V2為采用二氧化碳爆破后的荒料率，17.1%；V1為采用炸藥爆破的荒料率，10.3%；K為大理石荒料單價，800元/m3。

4.4 年經(jīng)濟(jì)效益匯總

采用二氧化碳爆破后的年經(jīng)濟(jì)效益為

W1-5.1+W2=274.4萬元/a.

(9)

5 總結(jié)與展望

(1)某小型石灰石、大理石共生露天礦采用二氧化碳爆破技術(shù)替代傳統(tǒng)的炸藥爆破技術(shù)，使大理石荒料率從10.3%提高至17.1%，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益提高274.4萬元/a，且減少了飛石和煙塵對安全和環(huán)境的影響。

(2)隨著二氧化碳爆破技術(shù)的不斷發(fā)展，二氧化碳爆破筒直徑和形狀將逐步系列化，蓄積能量變得更具可調(diào)性，爆破筒之間的連接方式也將更加安全便利，多排孔爆破的實(shí)現(xiàn)將有利于爆破規(guī)模的擴(kuò)大和向金屬礦山開采領(lǐng)域擴(kuò)展。

[1] 郭志興.液態(tài)二氧化碳爆破筒及現(xiàn)場試爆[J].爆破，1994(3):72-74.

[2] 聶 政.二氧化碳炮爆破在煤礦的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2007(8)：24-25.

Marble Stone is Mined in a Limestone Mine Based on Carbon Dioxide Blasting Technology

Wang Jun1,2Xiao Yongsheng2

(1.Beijing Energy Logistics & Services Co., Ltd.;2.Institute Of Mining,Inner Mongolia University of Science And Technology)

Limestone and marble mine symbiosis in a open-air mine,the dense block marble is embedded in lime above conglomerate, marble damages of the traditional blasting technology is serious,the raw material ratio is low,so,the marble resources is wasted.In order to enhance the raw material ratio,the traditional blasting technology is replaced by the carbon dioxide blasting technology,so,the raw material ratio is enhance from10.3%to 17.1%,the added values of the products is improved greatly,the company economical benefit is increased 2.744 million yuan,besides that,the influences of the blasting slungshot and soot to safety production and environment is reduced significantly.

Carbon dioxide blasting technology, Hole spacing, Blasting effect, Economic benefit

2015-05-12)

王 軍(1969—)，男，副經(jīng)理，高級工程師，碩士研究生，010000 內(nèi)蒙古呼和浩特市金橋開發(fā)區(qū)。