穿孔爆破技術(shù)在露天煤礦的應(yīng)用

楊玉斌

(神東煤炭集團(tuán)，陜西 神木 719315)

0 引言

從敞露地表的采礦場(chǎng)采出有用礦物的過(guò)程，稱露天采礦。當(dāng)?shù)V體埋藏較淺或地表有露頭時(shí)，應(yīng)用露天開(kāi)采最為優(yōu)越。與地下開(kāi)采相比，優(yōu)點(diǎn)是資源利用充分、回采率高、貧化率低，適于用大型機(jī)械施工，建礦快，產(chǎn)量大，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，成本低，勞動(dòng)條件好，生產(chǎn)安全。但需要?jiǎng)冸x巖土，排棄大量的巖石，尤其較深的露天煤礦，往往占用較多的農(nóng)田，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用較高，初期投資較大。此外，露天開(kāi)采受氣候影響較大，對(duì)設(shè)備效率及勞動(dòng)生產(chǎn)率都有一定影響。隨著開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，適于露天采礦的范圍越來(lái)越大。露天開(kāi)采作業(yè)主要包括穿孔爆破、采裝、運(yùn)輸和排土。這4項(xiàng)工作的好壞及它們之間的配合如何，是露天采礦的關(guān)鍵。影響露天煤礦爆破因素很多，由于種種因素的影響，常會(huì)造成大塊、根底的產(chǎn)生，從而影響采裝設(shè)備的效率，采用二次爆破又會(huì)增大爆破成本。因此，合理的裝藥量，起爆方法，布孔方式等有助于提高爆破質(zhì)量。這樣在露天煤礦的生產(chǎn)過(guò)程中穿孔爆破技術(shù)就顯得尤為重要。

1 爆破參數(shù)的影響因素

爆破效果的好壞與爆破參數(shù)(包括工作面規(guī)格)、及地質(zhì)條件和巖性有關(guān)。所以如何根據(jù)地質(zhì)、巖性條件去選擇合適的爆破參數(shù)就成為提高爆破效果的關(guān)鍵。

1.1 炸藥性能的影響

炸藥的密度，爆熱，爆速，做功能力和猛度等性能指標(biāo)反映了炸藥爆炸式的威力，直接影響爆破效果。爆速是炸藥本身影響其能量有效利用的一個(gè)重要性能指標(biāo)，不同爆速的炸藥，在巖體內(nèi)爆炸激起的沖擊波和應(yīng)力波的參數(shù)不同。炸藥與巖石的匹配對(duì)爆破效果有較大影響，為提高炸藥能量的有效利用率，炸藥的波阻抗應(yīng)盡可能與所爆巖石的波阻抗相匹配。斷層和大裂縫對(duì)爆破作用相當(dāng)于一個(gè)完整的自由面，可以阻斷沖擊波的傳播，造成爆生氣體的突出，使爆破效果惡化，在藥包爆破作用范圍內(nèi)的斷層或大裂縫影響爆破漏斗的大小和形狀，從而減少或增加爆破破石方量，使爆破不能達(dá)到預(yù)定的拋擲效果。

1.2 爆破方式及技術(shù)參數(shù)

爆破方式：馬家塔露天煤礦爆破方式采用微差擠壓爆破，擠壓爆破是靠渣體的擠壓作用提高爆破質(zhì)量的一種方法，微差時(shí)間以20～150 ms為宜，渣體厚度以10～20 m為佳。優(yōu)點(diǎn)是爆破量大，破碎塊度均勻，減少大塊率和根底從而提高電鏟采裝效率，爆堆集中，避免了埋道，不需清理出臺(tái)階多久可以穿孔作業(yè)。布孔技術(shù)參數(shù)采用矩形方式布孔，孔間距5 m，行間距5 m。該礦一般采用4排，每排10孔延時(shí)起爆。

常用裝藥量的計(jì)算：合理的炸藥使用量直接關(guān)系著爆破的質(zhì)量，對(duì)露天煤礦生產(chǎn)的剝離、采煤、運(yùn)輸與排土都有直接的影響。在我國(guó)露天爆破過(guò)程中普遍采用m=V×r的方式來(lái)計(jì)算裝藥量，其中V為爆破物體積，r為炸藥密度。這種計(jì)算出來(lái)的裝藥量不是多就是少，造成藥量不合理。

按孔深裝藥：馬家塔露天煤礦經(jīng)過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，確定根據(jù)每孔的實(shí)際平均深度計(jì)算每孔實(shí)際裝藥量，最終確定整體爆破區(qū)域的炸藥使用量。由經(jīng)驗(yàn)公式H藥=h填/r藥計(jì)算出每孔藥柱高度H藥，每孔平均裝藥的袋數(shù)m孔=H藥/h袋，m袋總使用藥量即為M=m孔×n。其中h袋為每袋乳化炸藥的長(zhǎng)度，n為鉆孔數(shù)量。

1.3 提高爆破質(zhì)量方法

合適的最小底盤(pán)抵抗線：底盤(pán)抵抗線(w)指從臺(tái)階坡底線到第一排孔中心軸線的水平距離。底盤(pán)抵抗線過(guò)大可能造成根底，過(guò)小會(huì)過(guò)多消耗炸藥，有經(jīng)驗(yàn)公式確定其值。w=(25-35)d，式中：w—底盤(pán)抵抗線；d—鉆孔直徑；馬家塔礦最小抵抗線為3～4 m。

合理的超深(h)：超深是指深孔在臺(tái)階底盤(pán)標(biāo)高以下那一段深度，其作用是降低裝藥中心的高度以便有效克服臺(tái)階底部阻力，避免減少根底，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式h=(0.15～0.35)w。過(guò)小的超深將會(huì)在爆破后留有根底，過(guò)大的超深將增加穿孔量，浪費(fèi)炸藥和設(shè)備，爆破后還破壞了下一個(gè)階段，給下一臺(tái)階穿孔造成困難。在露天爆破過(guò)程中，為了煤層頂板不產(chǎn)生夾矸或在煤層底板不產(chǎn)生拉底，常使用超深來(lái)提高煤質(zhì)。在多排孔爆破時(shí)，第二排以后的各排炮孔超深可取大值，當(dāng)臺(tái)階底盤(pán)巖石較軟時(shí)，也可不要超深。

充填長(zhǎng)度的確定：合理的堵塞長(zhǎng)度能阻止爆炸氣體產(chǎn)物過(guò)早沖出孔外，充分破碎，采用連續(xù)柱狀裝藥時(shí)，堵塞長(zhǎng)度一般為底盤(pán)抵抗線的0.7～0.8倍。

合理選擇起爆位置：在炮眼爆破法中，根據(jù)起爆點(diǎn)在裝藥中的位置和數(shù)目，將起爆方式分為正向起爆，反向起爆和多點(diǎn)起爆。在巖石性質(zhì)，炸藥用量和炮眼深度一定條件下，與正向起爆相比，反向起爆可提高炮眼的利用率，降低巖石的夾制作用，降低大塊率。在炮眼較深，起爆間隔時(shí)間長(zhǎng)以及炮眼間距小的情況下，反向起爆可消除正向起爆時(shí)容易出現(xiàn)的起爆藥卷被鄰近炮眼內(nèi)裝藥爆破“壓死”或早爆，馬家塔露天煤礦均采用反向起爆。

2 地質(zhì)條件對(duì)爆破的影響

馬家塔露天煤礦位于鄂爾多斯盆地伊金霍洛旗境內(nèi)，是神華企業(yè)第一個(gè)投產(chǎn)的煤礦企業(yè)。該礦井田范圍為南北長(zhǎng)8 km，東西寬2～3 km的狹長(zhǎng)型井田。因?yàn)榫o鄰烏蘭木倫河該礦井田地表水、地下水豐富。具有地表埋藏淺、煤層賦存條件好、剝采比小、煤質(zhì)優(yōu)的特點(diǎn)。其地質(zhì)條件為地表由松散的沙粒土層、頁(yè)巖和局部的石英巖、煤層組成。地表松散的黏土層3～4 m、巖石層理明顯平穩(wěn)，厚度約為7～8 m、有2個(gè)剝離臺(tái)階和1個(gè)煤臺(tái)階，采用電鏟、汽車(chē)連續(xù)開(kāi)采工藝。采取垂直打孔的作業(yè)方式，根據(jù)該礦的地質(zhì)條件選擇防水的乳化炸藥。

其中地形是影響爆破效果和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。所謂地形，就是爆破區(qū)的地面坡度、臨空面?zhèn)€數(shù)和形態(tài)，山體高低及沖溝分布等地形特征。地質(zhì)地形是進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)必須充分考慮的重要因素，爆破方量、拋擲方向和距離、堆積形狀、爆破后的清方工作以及施工現(xiàn)場(chǎng)布置等都直接受到地形條件的影響。

2.1 地形與爆破的關(guān)系

對(duì)爆破漏斗形狀與體積的影響：眾所周知，集中藥包的爆破漏斗的形狀是倒立的圓錐體，并由于巖石的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與所使用的炸藥性能方面的不同，爆破漏斗體積的大小是有差別的。由于爆區(qū)地形條件的變化，實(shí)際的工程爆破其爆破漏斗的形狀都不是倒立的圓錐體，而是倒立的橢圓錐體。即在平坦地形為倒立圓錐體；在傾斜地形為倒立的橢圓錐體；在山包多面臨空地形，由于藥包的球形爆炸作用，則為2個(gè)以上的倒立橢圓錐體的結(jié)合體；在凹形埡口地形，由于地形的夾制作用，拋擲漏斗部分縮小，而崩塌漏斗則因藥包兩側(cè)都有斜坡而變?yōu)?部分。如上所述，爆破漏斗的大小和形狀隨地形條件而變化，實(shí)際工程平坦地形少見(jiàn)，所以，一般應(yīng)用倒立橢圓錐體計(jì)算其體積。

對(duì)爆破石方拋擲方向的影響：地形決定了藥包最小抵抗線的方向。在平地爆破，土巖拋出方向是向上的；斜坡地面爆破，土巖主要沿斜坡面法線方向拋出，根據(jù)彈道拋物線原理，以45°拋擲距離最遠(yuǎn)，在斜坡地面又與山坡縱向形態(tài)有關(guān)，石方基本沿最小抵抗線方向拋出；為凸面山坡，由地面上每一點(diǎn)至藥包中心都與最小抵抗線距離差不多，因此石方是拋散的。凹面山坡，拋石是集中的。這是呈斜坡單一臨空面地形的拋擲情況。在山包、山頭、山嘴、山脊等地形進(jìn)行爆破，藥包抵抗線是多方向的，例如孤山包爆破是四面“開(kāi)花”；山嘴地形則可向3個(gè)臨空面飛散；山脊地形則向兩側(cè)拋出。這些都是多臨空面地形的拋擲情況。在洼坑、山溝、埡口等地形爆破，夾制作用大，拋出方量和方向嚴(yán)格受地形限制，但它拋擲堆積集中。

2.2 露天煤礦水孔的解決手段

馬家塔露天煤礦首采區(qū)巖層含水豐富，地表溝壑形成了較大的地面積水。20%～30%的鉆孔成為水孔，其中有1/3為淺水孔，另外2/3為深水孔，一般通過(guò)乳化炸藥實(shí)施爆破。大量使用乳化炸藥使該礦爆破成本居高不下，轟水作業(yè)影響爆破進(jìn)度，進(jìn)而影響采掘設(shè)備正常作業(yè)。通過(guò)深入的總結(jié)實(shí)踐，馬家塔露天煤礦總結(jié)了一套使用散裝乳化炸藥為克服水孔的主要手段的轟水、抽水等手段的治水方案，取得了較好的效果。

3 爆破質(zhì)量對(duì)露天煤礦綜合成本的影響

在露天煤礦生產(chǎn)中采掘、運(yùn)輸和排土3個(gè)環(huán)節(jié)作為采礦生產(chǎn)中的一個(gè)有機(jī)的整體，在整個(gè)采礦系統(tǒng)中占有重要的地位，決定著整個(gè)系統(tǒng)的綜合成本。其中礦巖的穿孔爆破是基礎(chǔ)，其費(fèi)用約占采礦直接生產(chǎn)成本20%～30%。為降低開(kāi)采成本，爆破質(zhì)量與穿爆成本有著緊密的關(guān)系。當(dāng)采用過(guò)小的炮孔參數(shù)、較高的炸藥單耗時(shí)，雖然取得較小的破碎塊度、二次爆破量小、挖掘運(yùn)輸?shù)某杀镜?，但由于穿爆成本過(guò)高，采礦綜合成本也較高。大炮孔參數(shù)、低炸藥單耗時(shí)，雖然穿爆成本較低，但由于爆出大塊較多，爆堆不松散，二次破碎、裝載運(yùn)輸成本會(huì)急劇增加，采礦綜合成本相應(yīng)提高。從科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，在實(shí)際礦山采礦活動(dòng)中合理的布孔參數(shù)就顯得尤為重要。

3.1 布孔參數(shù)

采用淺孔爆破時(shí)：孔距ɑ=mWd，式中：m—炮孔鄰近系數(shù)，一般m=1.2～1.4；當(dāng)使用微差爆破后礦巖塊度較小時(shí)，取m=1.8～2.0；極堅(jiān)硬難爆的巖層或要求爆破后形成較大塊度的巖石時(shí)，取m=0.8～1.0。炮孔鄰近系數(shù)m=ɑ/W，炮孔鄰近系數(shù)是一個(gè)很重要的參數(shù)，過(guò)去m值應(yīng)為0.8～1.4，隨著爆破的發(fā)展，在爆破孔網(wǎng)面積不變的情況下，適當(dāng)減小抵抗線或排距而增加孔距，可以改善效果。

采用深孔爆破時(shí)：孔距ɑ=Q/HW′q，式中：Q—炮孔裝藥量，kg；W′—抵抗線，m，α—前排孔按底盤(pán)抵抗線；q—單位炸藥消耗量，kg/m3。

3.2 爆破對(duì)采運(yùn)排的影響

爆破后形成的松散礦巖堆稱為爆堆。爆堆的尺寸對(duì)采裝、運(yùn)輸工作都有很大影響。爆堆過(guò)高，會(huì)影響挖掘機(jī)安全作業(yè)；爆堆過(guò)低，挖掘機(jī)不易裝滿勺斗；若爆堆前沖過(guò)大，不僅增加挖掘機(jī)事先清理的工作量，而且運(yùn)輸線路也受到影響；前沖過(guò)小，說(shuō)明礦巖破碎程度不好，不利于挖掘機(jī)采裝。因此要求爆堆的高度和寬度都要適宜。爆破后的臺(tái)階也要規(guī)整，不允許出現(xiàn)根底、傘相等凸凹不平現(xiàn)象。此外，在新形成的臺(tái)階上部，往往由于爆破的反作用而出現(xiàn)龜裂(稱作后沖作用)，它對(duì)下一循環(huán)的穿孔爆破工作影響極大也應(yīng)盡可能避免。

中深孔爆破是指炮孔直徑大于50 mm，炮孔深度超過(guò)5 m的炮孔爆破。它的應(yīng)用建立在露天采石、采礦必須遵循自上而下的開(kāi)采順序，鑿巖爆破和鏟裝運(yùn)輸必須分臺(tái)階組織生產(chǎn)的基礎(chǔ)上。自上而下的開(kāi)采順序從根本上杜絕了從底部開(kāi)采的“挖墻腳”造成的松石懸頂和邊坡過(guò)于高陡，分臺(tái)階組織生產(chǎn)使鑿巖爆破和鏟裝運(yùn)輸分別在不同的臺(tái)階作業(yè)，從源頭上避免了“一面墻”式的開(kāi)采方式，邊坡坡面可以控制，滑坡、邊坡、滾石等事故可以消除。

4 爆破對(duì)安全操作的要求

對(duì)于一個(gè)高產(chǎn)高效的露天煤礦來(lái)說(shuō)，穿孔爆破技術(shù)對(duì)露天煤礦的安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用，爆破是一種瞬間發(fā)生的巨大能量釋放現(xiàn)象，安全工作很重要。在開(kāi)采過(guò)程中，除了要注意爆破技術(shù)操作的安全外，還要盡可能地減輕爆破震動(dòng)、空氣沖擊波及個(gè)別飛石對(duì)周?chē)奈：?。作為特殊職業(yè)在爆破操作過(guò)程中必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，持證上崗，以預(yù)防為主、安全第一的指導(dǎo)方針做好工作，堅(jiān)持職工培訓(xùn)與實(shí)際操作相結(jié)合，做到“站標(biāo)準(zhǔn)崗、干標(biāo)準(zhǔn)活”。

4.1 鉆孔設(shè)備履帶邊緣與坡頂線的安全距離

臺(tái)階高度小于4 m，安全距離為1～2 m；臺(tái)階高度在4～10 m，安全距離為2～2.5 m；根據(jù)馬家塔露天煤礦的埋藏賦存情況，該礦巖石臺(tái)階高度與采煤臺(tái)階高度介于4～10 m之間。

4.2 最小安全警戒距離

最小安全警戒距離應(yīng)當(dāng)符合露天煤礦安全規(guī)程的規(guī)定。對(duì)于孔深大于5 m距爆破區(qū)邊緣，軟巖不得小于100 m、硬巖不得小于200 m。起爆前，必須將所有人員撤至安全地點(diǎn)。接觸爆炸物品的人員必須穿戴抗靜電保護(hù)用品。

5 結(jié)語(yǔ)

文中簡(jiǎn)述了露天煤礦爆破參數(shù)對(duì)爆破的影響、地質(zhì)條件對(duì)爆破的影響，分析了爆破質(zhì)量對(duì)露天煤礦綜合成本的影響和爆破對(duì)采運(yùn)排的影響，提出了爆破對(duì)安全操作的要求，對(duì)于改善露天煤礦安全生產(chǎn)條件，提高生產(chǎn)效率，都有重要作用，對(duì)礦山綜合成本的降低是有益和有效的。