提高黑岱溝露天煤礦塊煤率爆破參數(shù)研究

李 方，張引良

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

提高黑岱溝露天煤礦塊煤率爆破參數(shù)研究

李 方，張引良

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

為提高黑岱溝露天煤礦煤臺(tái)階爆破塊煤率，結(jié)合煤臺(tái)階地形條件、煤層分布、作業(yè)設(shè)備及施工效率等因素，在保證爆破質(zhì)量、確保鉆機(jī)效率的前提下，研究炮孔直徑、孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、炸藥性能等參數(shù)對(duì)爆破塊煤率的影響，為爆破參數(shù)的選擇提供方向。

塊煤率；破碎區(qū)；間隔裝藥；炸藥性能；波阻抗

0 引 言

2015年上半年，全國宏觀經(jīng)濟(jì)下行，煤炭產(chǎn)能過剩，需求不足。依據(jù)市場(chǎng)需求，及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，通過提高塊煤率，增加優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤、無煙煤等效益產(chǎn)品產(chǎn)量，為實(shí)現(xiàn)效益最大化奠定基礎(chǔ)。

在煤的爆破、鏟裝、運(yùn)輸、卸載及破碎過程中均對(duì)煤的塊度造成不同程度的影響，而煤臺(tái)階爆破作業(yè)作為產(chǎn)煤的第1道工序，首當(dāng)其沖，成為提高爆破塊煤率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；煤臺(tái)階爆破的破壞區(qū)可分為破碎區(qū)，裂隙區(qū)，其中破碎區(qū)煤的粒度小，易在篩選過程中被篩下，破碎區(qū)越大，則篩下物越多，塊煤率則降低。因此，提高煤臺(tái)階塊煤率，需以減小爆破藥柱中心破碎區(qū)范圍、增大裂隙區(qū)范圍為切入點(diǎn)，針對(duì)孔徑、孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、炸藥性能等參數(shù)展開研究，提出合理的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 工程概況

黑岱溝露天煤礦可采煤層為6號(hào)煤層，平均厚度31 m，煤質(zhì)為特低磷、低硫、中灰、高灰熔點(diǎn)長(zhǎng)焰煤，分6上、6中、6下三層開采方式進(jìn)行開采；其中6上10 m，6中16 m，6下5 m，優(yōu)質(zhì)煤集中于6中煤層，發(fā)熱量4 700～5 200 kcal。因此，提高6中煤層爆破塊煤率，有利于增加優(yōu)質(zhì)煤篩選率，從而為提高優(yōu)質(zhì)煤產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。

煤臺(tái)階橫向?qū)挾?5 m，工作線窄，電鏟推進(jìn)速度快；受作業(yè)空間影響，穿孔設(shè)備僅設(shè)2臺(tái)；穿孔及爆破施工周期短（僅為3 d），對(duì)穿孔和爆破作業(yè)效率要求較高，因此，煤臺(tái)階爆破采用31 m臺(tái)階高度一次穿孔爆破方式，炮孔較深，自由面少，要求在保證爆破質(zhì)量的前提下提高爆破塊煤率，對(duì)爆破參數(shù)選擇及爆破效果要求較高。

2 提高爆破塊煤率的爆破參數(shù)

影響煤臺(tái)階爆破塊煤率的因素包括孔徑、孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)及炸藥性能等參數(shù)，為便于計(jì)算研究，以其中一項(xiàng)參數(shù)為變量，其余參數(shù)不變，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件、鉆機(jī)作業(yè)效率、裝藥施工效率及爆破效果等綜合因素，對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行選擇，達(dá)到保證爆破質(zhì)量、提高爆破塊煤率的目的。

2.1 炮孔直徑選擇

2.1.1 孔徑與單位體積爆量總的破碎區(qū)范圍的關(guān)系根據(jù)巖石爆破破碎機(jī)理可知，炸藥爆炸后，在爆炸沖擊波及爆生氣體的聯(lián)合作用下，炮孔周圍由內(nèi)向外依次形成破碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)[1]，炸藥對(duì)巖石的破碎主要集中在破碎區(qū)和裂隙區(qū)，如圖1所示。

圖1 柱狀裝藥爆破分區(qū)示意圖

破碎區(qū)半徑計(jì)算如公式（1）[2]所示：

由公式（1）可知，當(dāng)孔內(nèi)使用炸藥、裝藥結(jié)構(gòu)及被作用巖石特性一定時(shí)，單孔爆破破碎區(qū)半徑與炮孔直徑成正比，即單孔裝藥量越多，單個(gè)炮孔周圍破碎區(qū)范圍越大；以黑岱溝露天煤礦所使用多孔粒狀銨油炸藥為計(jì)算依據(jù)，煤的特性為特低磷、低硫、中灰、高灰熔點(diǎn)長(zhǎng)焰煤，根據(jù)炸藥性能及煤的特性得出以下參數(shù)：

ρ0為銨油炸藥密度，0.86g/cm3；D為銨油炸藥爆速，3 400m/s；n為爆炸產(chǎn)物膨脹碰撞孔壁時(shí)壓力增大系數(shù)，取10；Kd為裝藥徑向不耦合系數(shù)，取1；σcd為單軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，為10×106Pa

式中：μd為動(dòng)態(tài)泊松比，為靜態(tài)泊松比的0.8倍，煤的靜態(tài)泊松比為0.33，則μd=0.264；b為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)，b=μd/（1-μd）=0.36；α為沖擊波載荷傳播衰減指數(shù)，α=2+b=2.36；lC：裝藥系數(shù)，lC=裝藥長(zhǎng)度/（炮孔長(zhǎng)度-填塞長(zhǎng)度），采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，lC=1；rb為炮孔半徑。

將上述數(shù)據(jù)代入公式（1）、公式（2）中，得：

由公式（3）可知，當(dāng)采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，單個(gè)炮孔破碎區(qū)半徑：

根據(jù)單個(gè)炮孔破碎區(qū)半徑可計(jì)算出單個(gè)炮孔破碎區(qū)體積

公式（5）中，V單孔為單個(gè)炮孔破碎區(qū)體積，L單孔為單個(gè)炮孔孔深；

根據(jù)孔距a、排距b可計(jì)算出單位體積爆量V的總進(jìn)米量L總=V/（a·b）則單位體積爆量V總的破碎區(qū)體積V總=1.362πrb2·L總；因此，若計(jì)算單位體積爆量V總的破碎區(qū)體積，需計(jì)算出孔距a、排距b；

根據(jù)巴隆公式[3]

式（6）中：w1為底盤抵抗線；τ為裝藥系數(shù)；m為炮孔密集系數(shù)，取1.25；ρ0為裝藥密度;d為炮孔直徑；q為炸藥單耗。

由式（6）可知，當(dāng)臺(tái)階高度、炸藥性能、巖性一定時(shí)，裝藥系數(shù)τ及炸藥單耗q可確定，此時(shí)底盤抵抗線w1僅與炮孔直徑d有關(guān)，成正比，公式（6）可簡(jiǎn)化為w1=C·d，其中C為常數(shù)；則排距b=w1=C·d；孔距a=1.25b=1.25C·d。

根據(jù)計(jì)算得出的孔距a及排距b，可得出單位體積爆量 V總的破碎區(qū)體積 V總=1.362πrb2·L總= 1.362πrb2·V/（a·b）=1.362πrb2·V/（1.25C2·4rb2），簡(jiǎn)化得：

由公式（7）可知，單位體積爆量V的總破碎區(qū)體積與炮孔直徑關(guān)系不大；因此，針對(duì)單個(gè)炮孔而言，其破碎區(qū)體積與炮孔直徑成正比，即炮孔直徑越大，單孔裝藥量越大，炮孔周圍破碎區(qū)體積越大；而針對(duì)單位體積爆量V多個(gè)炮孔而言，孔徑縮小，雖單個(gè)炮孔破碎區(qū)體積減小，但由于炮孔數(shù)目增多，單位體積爆量V總的破碎區(qū)體積隨之增多；反之亦然；因此，單位體積爆量V總的破碎區(qū)體積與炮孔直徑關(guān)系不大，而僅與炸藥性能、臺(tái)階高度、巖石特性參數(shù)有關(guān)。因此單是炮孔直徑的改變對(duì)煤臺(tái)階爆破塊煤率的提高作用不大。

2.1.2 孔徑與鉆機(jī)效率的關(guān)系

研究爆破塊煤率與孔徑關(guān)系時(shí)，雖孔徑的改變對(duì)提高爆破塊煤率作用不大，但選擇孔徑時(shí)，需考慮孔徑對(duì)鉆機(jī)效率的影響，鉆機(jī)能正常完成生產(chǎn)任務(wù)；鉆機(jī)數(shù)量N（臺(tái)）按下式：

式中：Q為煤年產(chǎn)量，按每年煤產(chǎn)量3 400萬t計(jì)算，Q=2 267萬m3；q為每米炮孔的爆量，即爆破率；p鉆機(jī)臺(tái)年生產(chǎn)效率，按黑岱溝露天礦露天礦鉆機(jī)平均年生產(chǎn)能力計(jì)算，207 630 m/a；e為費(fèi)孔、加密孔百分比，10%。

煤臺(tái)階受工作空間影響，僅能布設(shè)2臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行作業(yè)，當(dāng)N≤2時(shí)，即爆破率時(shí)，方能滿足生產(chǎn)任務(wù)要求。

根據(jù)公式（6），以多孔粒狀銨油炸藥為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，則裝藥密度ρ0為0.86g/cm3,裝藥系數(shù)τ取0.84，單耗q取0.24 kg/m3,代入公式（6）計(jì)算得w1= 4.347d；排距b=w1=4.347d，孔距a=1.25 b= 5.468d；

當(dāng)q=a·b=23.767d2≥=60.658，即d≥ 160mm時(shí)，滿足生產(chǎn)要求；黑岱溝露天煤礦目前鉆機(jī)孔徑共有200、250、310 mm 3種類型，其中250 mm、310 mm孔徑鉆機(jī)為電鉆，煤上作業(yè)空間窄，爆破施工周期短，若使用電鉆，則供電電纜移設(shè)頻率高，工作量大；且電鉆設(shè)備較大，不利于煤上復(fù)雜環(huán)境條件下進(jìn)行作業(yè)，因此，選用無需電纜供電、機(jī)動(dòng)靈活的小型柴油鉆機(jī)，孔徑200 mm，滿足生產(chǎn)要求。

2.2 孔網(wǎng)參數(shù)選擇

煤臺(tái)階受地形變化及上層拋擲爆破影響，其頂板作業(yè)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，部分區(qū)域由于虛量多，經(jīng)履帶推土機(jī)清理后形成東西或南北走向的小臺(tái)階，如圖2所示。

圖2 東西走向小臺(tái)階

鉆機(jī)作業(yè)時(shí)，距坡頂線距離不得小于3 m，即A＞3 m；200 mm柴油鉆機(jī)寬度為4.88 m，為保證鉆機(jī)正常作業(yè)，鉆機(jī)距臺(tái)階坡底距離不小于2.5 m，即D＞2.5 m。B為坡頂線與坡底線間距，約為1 m，如圖3所示。

圖3 小臺(tái)階區(qū)域布孔示意

為使小臺(tái)階周圍炮孔能正常布設(shè)，在確保爆破質(zhì)量的同時(shí)使鉆機(jī)正常作業(yè)，在小臺(tái)階區(qū)域布孔時(shí)，排距b＞A+B+D＞7 m時(shí)，方能滿足鉆機(jī)作業(yè)要求。

煤頂板作業(yè)設(shè)備除鉆機(jī)外，還包括履帶推土機(jī)、炸藥車等設(shè)備，上述設(shè)備需在炮孔排間作業(yè)或行走，方能避免碾壓炮孔，確保炮孔質(zhì)量滿足要求；因此，設(shè)備行走道路寬度應(yīng)大于設(shè)備履帶（輪胎）間距，避免設(shè)備碾壓炮孔導(dǎo)致孔深不足，確保爆破質(zhì)量，如圖4所示。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，臺(tái)階高度31 m時(shí)，鉆孔完成后炮孔周圍巖粉堆半徑R2=1.5 m。設(shè)備在炮孔排間行走時(shí)，其實(shí)際道路寬度D=b-2R2＞4 m，即排距b＞7 m時(shí)，滿足設(shè)備行走道路寬度需求。

圖4 炮孔巖粉與道路關(guān)系示意

表1 設(shè)備履帶（輪胎）間距

根據(jù)公式（6）—巴隆公式，以多孔粒狀銨油炸藥為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，則裝藥密度ρ0為0.86g/cm3，裝藥系數(shù)τ取0.84，單耗q取0.24 kg/m3，代入公式（6）計(jì)算得w1=4.347 d；孔徑為200 mm時(shí)，w1=8.6 m，排距b =w1=8.6 m，為便于布孔，取b=8 m，則a=1.25 b=10 m。

綜上，為使煤頂板復(fù)雜地形條件下炮孔布設(shè)均勻，提高爆破質(zhì)量，且布孔完成后滿足鉆機(jī)、履帶推土機(jī)、炸藥車等設(shè)備行走道路的寬度需求，避免設(shè)備碾壓炮孔造成孔深不足，減少二次穿孔爆破造成煤的過度破碎，提高塊煤率，排距b選擇時(shí)應(yīng)大于7 m，根據(jù)巴隆公式計(jì)算得，煤臺(tái)階排距b=8 m。

2.3 裝藥結(jié)構(gòu)選擇

由公式（1）可知，當(dāng)孔徑、炸藥性能一定時(shí)，破碎區(qū)半徑與徑向不耦合系數(shù)Kd、軸向裝藥系數(shù)lC有關(guān)，黑岱溝露天煤礦煤上爆破作業(yè)周期短，利用現(xiàn)場(chǎng)混裝車進(jìn)行裝藥，對(duì)施工效率要求高，炮孔徑向采用耦合方式裝藥，即Kd=1；以銨油炸藥為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，則公式（1）可簡(jiǎn)化為因此，破碎區(qū)半徑僅與軸向裝藥系數(shù)有關(guān)，單孔裝藥量越多，破碎區(qū)半徑越大。

此時(shí)，采取分段裝藥結(jié)構(gòu)，可在確保爆破質(zhì)量的同時(shí)減小單孔裝藥量，進(jìn)而提高爆破塊煤率。利用分段裝藥結(jié)構(gòu)，可減小爆破峰值壓力，延長(zhǎng)應(yīng)力波在孔內(nèi)的作用時(shí)間[4]，從而減小破碎區(qū)范圍，增加裂隙區(qū)范圍，提高總體爆破塊煤率。分段裝藥分為頂部間隔、中部間隔和底部間隔3種；由于黑岱溝露天煤礦優(yōu)質(zhì)煤主要集中于6中位置，即煤層縱向中部位置，厚度16 m，因此，采用中部間隔方式進(jìn)行分段裝藥，有利于減小爆破對(duì)優(yōu)質(zhì)煤層的破碎，提高優(yōu)質(zhì)煤的爆破塊煤率。

根據(jù)上述孔網(wǎng)參數(shù)選擇計(jì)算研究，200 mm孔徑孔網(wǎng)參數(shù)為8 m×10 m，臺(tái)階高度31m時(shí)，超深3 m，孔深34 m；間隔長(zhǎng)度為炮孔長(zhǎng)度的15%～35%，間隔長(zhǎng)度取8 m；由于間隔裝藥后單孔裝藥量降低，為避免爆破產(chǎn)生根底、硬幫，適當(dāng)縮小孔網(wǎng)參數(shù)，由8 m×10 m調(diào)整為8 m×9 m；裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分段裝藥結(jié)構(gòu)

根據(jù)單位體積爆量總的粉碎區(qū)體積計(jì)算，以10 000 m3為計(jì)算參照，分別對(duì)孔網(wǎng)參數(shù)8 m×10 m－連續(xù)裝藥和8 m×9 m－分段裝藥進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果對(duì)總的粉碎區(qū)體積進(jìn)行比對(duì)分析，如表2所示。

表2 同一孔徑下不同裝藥結(jié)構(gòu)粉碎區(qū)體積對(duì)比

由表2可知，煤層6中位置采用分段裝藥結(jié)構(gòu)，間隔8 m，單孔破碎區(qū)半徑降低1.6 cm，單位體積爆量總的破碎區(qū)體積減少17.2%，采用分段裝藥結(jié)構(gòu)，可明顯降低破碎區(qū)范圍，增加爆破塊煤率。

2.4 炸藥性能

炸藥性能包括物理性能，熱化學(xué)參數(shù)和爆炸性能，直接影響爆破作用及其效果的是炸藥密度、爆熱和爆速。炸藥的爆速越高，其猛度越高，爆破峰值壓力越大，對(duì)炮孔周圍煤的粉碎與破壞就越大。因此，合理選擇低威力炸藥，有利于減小炸藥對(duì)煤的過度粉碎，提高爆破塊煤率。

黑岱溝露天煤礦所使用銨油炸藥密度為銨油炸藥密度860 kg/m3，爆速3 400m/s，波阻抗2.92×106 kg/m2·s；露天煤礦的煤種屬于長(zhǎng)焰煤，密度1 500kg/m3，普氏硬度系數(shù)f為1.5，縱波波速600 m/s，波阻抗0.9×106 kg/m2·s。

當(dāng)煤上使用銨油炸藥爆破時(shí)，由于其波阻抗遠(yuǎn)大于煤的波阻抗，炸藥能量大多消耗在炮孔周圍煤的破碎上，而煤的爆破裂隙區(qū)發(fā)展受限，不利于爆破能量利用和塊煤率的提高。

為減小炸藥猛度，縮小炮孔周圍破碎區(qū)、增加裂隙區(qū)，提高爆破塊煤率炸藥能量利用率，根據(jù)炸藥與煤的波阻抗相匹配原則，在已知煤的波阻抗前提下，選取密度和爆速低于銨油炸藥的低威力炸藥，可提高炸藥能量利用率，減小破碎區(qū)范圍，提高爆破塊煤率。

3 結(jié) 論

討論了提高黑岱溝露天煤礦煤臺(tái)階爆破塊煤率爆破參數(shù)研究，結(jié)合地形條件、鉆機(jī)效率、爆破效果等因素，為在保證爆破效果的同時(shí)提高爆破塊煤率提供了爆破參數(shù)選擇方向。

1）當(dāng)炸藥性能、臺(tái)階高度、巖石特性一定時(shí)，單個(gè)炮孔破碎區(qū)范圍與炮孔直徑成正比，炮孔直徑越大，單孔裝藥量越多，單孔破碎區(qū)范圍越大，縮小孔徑有利于單孔破碎區(qū)范圍減小。

2）針對(duì)單位體積爆量V多個(gè)炮孔而言，孔徑縮小，雖單個(gè)炮孔破碎區(qū)體積減小，但由于炮孔數(shù)目增多，單位體積爆量V總的破碎區(qū)體積增多，炮孔直徑的改變對(duì)總的粉碎區(qū)體積影響不大，煤臺(tái)階爆破塊煤率的提高作用不大。

3）為使鉆機(jī)效率滿足生產(chǎn)要求，應(yīng)選擇孔徑大于160 mm的鉆機(jī)，根據(jù)黑岱溝露天煤礦現(xiàn)有鉆機(jī)，選用無需電纜供電、機(jī)動(dòng)靈活、孔徑為200 mm的小型柴油鉆機(jī)。

4）煤頂板布孔時(shí)，排距應(yīng)大于7 m方能滿足特殊條件炮孔布設(shè)、鉆機(jī)效率和設(shè)備行走要求，使炮孔布設(shè)均勻、避免設(shè)備碾壓炮孔，從而提高爆破質(zhì)量，避免二次爆破造成煤的過度破碎，進(jìn)而提高塊煤率；孔徑為200 mm時(shí)，選取排距為8 m。

5）采用分段裝藥結(jié)構(gòu)，減小裝藥系數(shù)，降低爆破峰值壓力，延長(zhǎng)爆生氣體的作用時(shí)間，從而縮小破碎區(qū)、擴(kuò)大裂隙區(qū)，提高爆破塊煤率；間隔長(zhǎng)度取8 m，孔網(wǎng)參數(shù)由連續(xù)裝藥時(shí)的8 m×10 m調(diào)整為 8 m ×9 m，可在保證爆破質(zhì)量的同時(shí)使破碎區(qū)總體積減小17.2%。

6）選用爆速及密度均低于銨油炸藥的低威力炸藥，使其波阻抗與煤相匹配，可在降低爆破能量的同時(shí)提高爆破塊煤率。

［1］于亞倫.工程爆破理論與技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

［2］羅勇，沈兆武，夏紅兵.炮孔裝藥量與炮孔間距關(guān)系的研究［J］.含能材料，2006（2）：151-154.

［3］王旭光.爆破設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2015.

［4］王玉杰.爆破工程［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2009.

［5］劉愛華.分段裝藥的間隔長(zhǎng)度計(jì)算［J］.爆破器材，1990（3）：22-23..

【責(zé)任編輯：陳 毓】

Researching on improving blasting parameter of lump coal rate in Heidaigou Open-pit Mine

LI Fang,ZHANG Yinliang
(Heidaigou Open-pit Mine,Shenhua Group Zhungeer Energy Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

To improve lump coal rate,in combination with terrain conditions,distribution of coal seam,the equipment and construction efficiency,under the premise of guaranteeing the blasting quality and ensuring the drilling efficiency,the article researches the effect of hole diameter,hole parameters,charging structure and performance of explosive on lump coal rate,which provide the direction for the selection of blasting parameters.

lump coal rate;broken area;interval charging;explosive performance;wave impedance

TD854.2

B

1671－9816（2017）03－0026－05

2016－11－16

李 方（1988—），男，助理工程師，畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，現(xiàn)任職于神華準(zhǔn)能集團(tuán)黑岱溝露天煤礦，負(fù)責(zé)爆破設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工指導(dǎo)工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.008

李方，張引良.提高黑岱溝露天煤礦塊煤率爆破參數(shù)研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（3）：26－30.