露天煤礦拋擲爆破緩沖孔爆破優(yōu)化與效益分析

宋 日

(神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司炸藥廠， 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300)

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露天煤礦拋擲爆破緩沖孔爆破優(yōu)化與效益分析

宋 日

(神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司炸藥廠， 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300)

摘要：黑岱溝露天煤礦高臺(tái)階拋擲爆破預(yù)裂孔前兩排緩沖孔一直沿用氣體間隔器分段裝填現(xiàn)場(chǎng)混裝多孔粒狀銨油炸藥，在5～10天的裝藥過(guò)程中易產(chǎn)生炮孔塌陷，增加爆破成本。通過(guò)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析，采取了在緩沖孔內(nèi)連續(xù)裝填現(xiàn)場(chǎng)混裝低密度銨油炸藥，不僅提高了裝填效率，縮短了裝藥時(shí)間，而且提高了炮孔利用率；實(shí)現(xiàn)了炸藥能量在炮孔軸線上的均勻分布，對(duì)于預(yù)裂孔貫穿裂縫的形成及寬度的保持十分有利，也有利于邊坡的穩(wěn)定。同時(shí)，降低了爆破成本，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，可為同類爆破提供參考。

關(guān)鍵詞：露天煤礦； 拋擲爆破； 緩沖孔； 爆破優(yōu)化； 低密度銨油炸藥； 經(jīng)濟(jì)效益

1引 言

拋擲爆破是指利用炸藥爆炸所釋放出的能量將巖體破碎的同時(shí)，還要將一部分破碎體(巖石)沿最小抵抗線方向拋到一定距離處，并堆積成一定形狀的爆破方法〔1〕。露天礦爆破拋擲效果取決于使用炸藥的類型、炸藥單耗、工程地質(zhì)條件、預(yù)裂爆破效果及孔網(wǎng)參數(shù)等多個(gè)因素〔2〕。

2006年，黑岱溝露天煤礦引進(jìn)了拋擲爆破技術(shù)。2007年3月1日～2016年3月7日，共進(jìn)行了143次拋擲爆破，爆破量21 864.25萬(wàn)m3，消耗銨油炸藥、重銨油炸藥、乳化炸藥合計(jì)154 451.2t，平均單耗0.739kg/m3，平均有效拋擲率33.76%，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。技術(shù)人員通過(guò)對(duì)核心技術(shù)的研究，自主研發(fā)了一種超低密度乳化炸藥及其制備方法，滿足了大型露天礦山深孔預(yù)裂爆破要求〔3〕。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研制了密度為0.4g/cm3～0.6g/cm3的低密度銨油炸藥。這兩種低密度炸藥的研制成功改善了黑岱溝露天煤礦高臺(tái)階預(yù)裂爆破效果，提高了邊坡的穩(wěn)定性〔4〕。盡管如此，預(yù)裂坡面有時(shí)仍有局部片幫的現(xiàn)象，給作業(yè)的鉆機(jī)、電鏟、爆破工等帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，爆堆沉降高度偏低增加了輔助設(shè)備的工程量〔5〕。究其原因，主要是預(yù)裂孔的前兩排緩沖孔一直沿用氣體間隔器分段裝藥，炸藥能量分布不均，裝藥效率低，預(yù)裝藥時(shí)間長(zhǎng)，炸藥的能量有較大的損失。實(shí)施拋擲爆破以來(lái)，在分段裝藥過(guò)程中，間隔器氣體泄漏而造成的塌孔，每次爆破都有3～5個(gè)，雨季更加嚴(yán)重，最多的一次塌孔達(dá)20多個(gè)。重新鉆孔裝藥，每孔不僅浪費(fèi)近1萬(wàn)元的炸藥與鉆孔費(fèi)用，更主要的是改變了爆破參數(shù)，無(wú)法按計(jì)劃時(shí)間起爆。針對(duì)此問(wèn)題，本文利用自主研制的低密度銨油炸藥、采取連續(xù)裝藥，孔內(nèi)無(wú)間隔器等措施對(duì)緩沖孔爆破進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析。

2緩沖孔參數(shù)優(yōu)化

2.1爆破參數(shù)優(yōu)化條件

2.1.1巖石特性

在進(jìn)行具體的爆破設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的選取與巖性有密切關(guān)系，其中包括炸藥品種的選擇、炸藥單耗的確定、各種巖石的爆后松散系數(shù)、拋擲系數(shù)和塌散系數(shù)〔6〕。黑岱溝露天煤礦巖石的種類主要為深灰色的砂巖、黑色的泥巖、黑灰色的砂質(zhì)頁(yè)巖，比重為2.40g/cm3～2.81g/cm3，容重為2.12g/cm3～2.59g/cm3，天然含水率為0.47%～2.8%，普氏系數(shù)f為3～5，巖石的可爆性較好，對(duì)炸藥品種的選擇比較寬泛。

2.1.2炸藥品種及性能

炸藥的品種及性能如表1所示。

表1　現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥品種及性能

注：銨油炸藥的爆速測(cè)試用φ50mm×5mm鋼管約束；乳化炸藥、重銨油炸藥、低密度銨油炸藥均用φ150mm×3mmPVC管約束。

爆速既是炸藥的主要爆轟參數(shù)，又是衡量炸藥爆轟性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，獲得爆速就可以估算出炸藥其他的爆轟參數(shù)〔7〕。例如，爆轟壓是爆速平方與密度的函數(shù)，爆速的大小直接影響炸藥爆轟壓的大小。

2.1.3裝藥結(jié)構(gòu)

之前的裝藥結(jié)構(gòu)為：拋擲孔前幾排底部裝重銨油炸藥，上部裝銨油炸藥，后幾排上下全部裝銨油炸藥，均采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)；緩沖孔和預(yù)裂孔均采用氣體間隔器分段間隔裝藥。2016年3月7日開(kāi)始實(shí)施的西區(qū)第2次拋擲爆破，緩沖孔采用了低密度銨油炸藥連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。

2.1.4起爆器材

利用數(shù)碼雷管將拋擲爆破排距、孔距參數(shù)由高精度非電雷管時(shí)的8m×11m優(yōu)化為7m×12m，延時(shí)時(shí)間由100ms、150ms、200ms優(yōu)化為330ms、280ms、220ms、180ms。數(shù)碼雷管的應(yīng)用，提高了有效拋擲率，節(jié)約了吊斗鏟倒堆的生產(chǎn)成本。

2.2爆破設(shè)計(jì)

2.2.1孔網(wǎng)布置和目標(biāo)要求

吊斗鏟技術(shù)改造后的露天煤礦上部工作線長(zhǎng)度為2 200m，下部為2 100m〔8〕。2016年，西區(qū)第2次拋擲爆破炮區(qū)位于1130水平西部，長(zhǎng)480m，寬85m，平均孔深41.4m，爆破量1 536 231m3。拋擲爆破孔網(wǎng)布置如圖1所示。

注：A-J為拋擲爆破孔，K、L為緩沖爆破孔，Y為預(yù)裂爆破孔圖1　拋擲爆破孔網(wǎng)布置Fig.1　Network layout of casting blastholes

設(shè)計(jì)采用K、L兩排緩沖爆破孔，要達(dá)到以下目標(biāo)：①預(yù)裂爆破后形成大于10mm的完整縫隙；②預(yù)裂面不平整度應(yīng)小于±15cm，殘留半孔率達(dá)到85%以上；③爆堆形狀理想，爆堆沉降>15m，盡可能減少推土機(jī)作業(yè)量，但也要符合電鏟刷幫高度；④拋擲爆破有效拋擲率保持2015年平均值(36.33%)，力爭(zhēng)略有提高，減少吊斗鏟倒堆量；⑤縮短預(yù)裝藥時(shí)間1天，爆破成本小幅下降；⑥爆破塊度均勻，滿足吊斗鏟倒堆要求。

2.2.2爆破參數(shù)的確定

(1)孔徑D：采用牙輪鉆機(jī)鉆孔直徑D=310mm。

(2)臺(tái)階高度H=34.0m～44.6m，取平均高度H=37.5m。

(3)孔深l：l=(H-h)/sinα，為了提高有效拋擲率，鉆傾斜孔，傾角α=65°，與臺(tái)階坡面一致。考慮到巖石層下部是煤，為了不破壞煤層，采取欠深的形式留一定的保護(hù)層h，做到既不破壞煤層，又不產(chǎn)生較大的根底。K、L兩排炮孔欠深為0.2m，孔深l=41.2m。

(4)底盤抵抗線W：采用經(jīng)驗(yàn)公式W=0.036D(dE/dR)1/3計(jì)算〔9〕。式中：D為炮孔直徑，mm；dE為炸藥的密度；dR為巖石的密度。W≈7.0m。

(5)孔距a：a=mW，m為炮孔密集系數(shù)，一般取1～2，a=1.7×7≈12.0m。

(6)排距b：對(duì)于拋擲爆破，排距不大于最小抵抗線，取b=7m。

(7)欠深：炮孔欠深由前往后逐排遞減，A排孔欠深3m，預(yù)裂孔欠深0m(圖1)。

(8)每米炮孔裝藥量〔9〕：q=0.785D2·dE=0.785×0.3102×0.50=0.038t/m；Y排預(yù)裂孔與L排緩沖孔間距一般為拋擲爆破孔排間距的1/2，取4.0m，L排每孔裝藥量1.320t，K排每孔裝藥量1.358t。

(9)填塞長(zhǎng)度：采用公式l填=(1.0～1.5)b計(jì)算，取l填=7.0m。

3爆破效果與成本分析

3.1爆破效果分析

評(píng)價(jià)拋擲爆破的好壞首要參考拋擲率，這是采用拋擲爆破技術(shù)的原因〔10〕。有效拋擲率是指剝離臺(tái)階經(jīng)過(guò)拋擲爆破后，拋擲到采空區(qū)的爆破量(拉斗鏟倒堆剝離和采煤作業(yè)時(shí)無(wú)需進(jìn)行倒堆)與總爆破量的比值〔11〕。雖然有效拋擲率越大，拋擲到采空區(qū)的巖石量越多，相對(duì)減少吊斗鏟倒堆量，減少剝離成本，但是有效拋擲率也并非越高越好，還應(yīng)綜合考慮爆破成本與吊斗鏟剝離倒堆成本，應(yīng)使露天總剝離成本達(dá)到最小，因此，有效拋擲率存在一個(gè)合理的范圍。在爆破成本不提高或略有降低的前提下，通過(guò)優(yōu)化炮孔孔網(wǎng)參數(shù)、炸藥品種配方、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆網(wǎng)路等技術(shù)，最大限度提高拋擲率。本次拋擲爆破在爆破成本降低的情況下，有效拋擲率達(dá)到了39.0%，較2015年的平均值提高了2.67%，爆破效果較為理想。有效拋擲率計(jì)算剖面如圖2所示。

圖2　有效拋擲率計(jì)算剖面圖Fig.2　Calculation profile of effective casting rate

爆堆形狀應(yīng)有利于吊斗鏟倒堆作業(yè)，爆堆的沉降應(yīng)大于15m，爆堆形狀接近梯形斷面，爆堆頂面平整，并盡量減少推土機(jī)平整工作量，同時(shí)兼顧電鏟刷幫的標(biāo)高要求。

圖3　爆堆Fig.3　Blasting muckpile

本次拋擲爆破爆堆如圖3所示。爆堆沉降高度15m～17m。推土機(jī)平整工作量較以往下降。巖石塊度均勻，適合吊斗鏟倒堆作業(yè)。

預(yù)裂爆破縫隙清晰，如圖4所示，無(wú)后沖、片幫現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)算，邊坡殘留半孔率達(dá)到85%。

圖4　預(yù)裂爆破效果Fig.4　 Effect of presplitting blasting

K、L兩排緩沖爆破炮孔采用低密度銨油炸藥連續(xù)裝藥，密度為0.50g/cm3，單耗為0.44kg/m3；采用多孔粒狀銨油炸藥分段裝藥，密度為0.85g/cm3，單耗為0.49g/cm3，單耗降低了0.05g/cm3，降低率達(dá)10.2%。

3.2爆破成本分析

K、L兩排緩沖孔每排41個(gè)，共82個(gè)，分段裝多孔粒狀銨油炸藥的成本如表2所示，連續(xù)裝低密度銨油炸藥的成本如表3所示。

對(duì)比分析表2和表3可知，節(jié)約炸藥成本6 607.56元；節(jié)約間隔器成本11 480元；每孔少用1發(fā)起爆具，節(jié)約17元，少用1發(fā)數(shù)碼雷管，節(jié)約260元，起爆器材節(jié)約成本22 714元。本次緩沖爆破節(jié)約炸藥、間隔器、起爆器材合計(jì)40 801.56元。每年按18次拋擲爆破計(jì)算，一年可節(jié)約成本約73萬(wàn)元。

表2　分段裝多孔粒狀銨油炸藥成本

表3　連續(xù)裝低密度銨油炸藥成本

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，黑岱溝露天煤礦拋擲爆破，使用空氣間隔分段預(yù)裝銨油炸藥，因預(yù)裝藥時(shí)間長(zhǎng)、雨季影響等原因，每年塌孔數(shù)約100個(gè)，浪費(fèi)成本約100萬(wàn)元。上述兩項(xiàng)，每年可為黑岱溝露天煤礦節(jié)約成本173萬(wàn)元，有效降低了爆破成本。

4結(jié) 語(yǔ)

(1)在黑岱溝露天煤礦拋擲爆破緩沖孔采用低密度銨油炸藥、連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，提高了裝藥效率，縮短了預(yù)裝藥時(shí)間，有效地提高了炸藥能量的利用率，取得了良好的爆破效果。

(2)解決了拋擲爆破緩沖孔分段裝藥易塌孔的難題，提高了炮孔利用率和生產(chǎn)效率。

(3)在保證拋擲爆破有效拋擲率的前提下，降低了爆破材料成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)拋擲爆破緩沖孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)的爆破孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)，需要綜合考慮拋擲孔、緩沖孔、預(yù)裂孔的共同作用，在以后的研究和實(shí)踐中進(jìn)一步優(yōu)化完善。

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Design optimization and benefit analysis about cushion blastholes in cast blasting of open-pit coal mine

SONG Ri

(Explosive Plant， Shenhua Group Zhungeer Energy Co．， Ltd．， Ordos 010300, Inner Mongolia, China)

ABSTRACT：Gas spacer block and site mixed porous granular ANFO explosive were used in the first two rows of cushion blastholes with divided charge in high bench cast blasting of Heidaigou open-pit coal mine. The charging process would last about 5 to 10 days, so blastholes might be collapsed and the cost would be higher. Through the analysis of the problem，site mixed low-desity ANFO explosive was continuously charged in the cushion blastholes. The charging efficiency was improved, the charging time was shorten and the utilization of blastholes was improved. The aim of blasting energy uniform distribution in blastholes axes was achieved. It was good for formation of cracks in presplitting blastholes and maintaining the width. Meanwhile, the blasting cost was reduced and the good economic benefit was created. It could provide a reference for similar blastings.

KEY WORDS:Open-pit coal mine； Cast blasting； Cushion blasthole; Blasting optimization； Low-density ANFO explosives； Economic benefit

文章編號(hào)：1006-7051(2016)02-0034-04

收稿日期：2016-03-20

作者簡(jiǎn)介：宋 日(1964-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥生產(chǎn)和露天礦山爆破工作。E-mail：Shznzycsr@163.com

中圖分類號(hào)：TD235.31； TD824.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.007