露天煤礦深孔臺階爆破降低大塊率和根底率措施探討

翟清翠

(中煤科工集團淮北爆破技術(shù)研究院有限公司,安徽淮北235000)

0 引言

目前深孔臺階爆破是露天煤礦石方剝離爆破中普遍采取的爆破方法。 然而,深孔臺階爆破時又普遍存在大塊率偏高和殘留根底等問題。 大塊率是評價爆破效果的重要指標之一,大塊率高直接影響鏟裝作業(yè)效率,增加挖掘機械設(shè)備磨損,同時增加二次破碎的工程量和爆破成本,影響礦山的生產(chǎn)和安全[1]。 根底率也是評價爆破效果的重要指標之一,根底率偏高造成平臺底面凸凹不平,不但影響本次爆破石方鏟裝,而且也會影響下一爆破循環(huán)正常進行。 因此,分析產(chǎn)生大塊和根底的部位和原因,提出解決措施具有十分重要的意義。

1 工程概況

某露天煤礦現(xiàn)在產(chǎn)能8×106t/a,年土石方剝離量4.5×107m3,該礦地質(zhì)條件比較復(fù)雜,巖體的節(jié)理、裂隙發(fā)育并相互交錯。 石方剝離爆破的設(shè)計臺階高度H=15 m,鉆孔直徑D=138 mm,炸藥品種為二號巖石膨化硝銨、乳化炸藥、混裝銨油炸藥,3～11 段毫秒延期導(dǎo)爆管雷管。 孔網(wǎng)參數(shù)為:孔間距a=6 ～7 m、排距b=4.5 ～5 m,梅花型布孔,炮孔填塞4 ～5 m、超深h=1.5 m,炸藥q=0.3 ～0.6 kg/m3;孔底和中部兩點起爆,主要采用孔內(nèi)排間延期,第一排裝2 發(fā)3 段毫秒導(dǎo)爆管雷管,第二排裝2 發(fā)5 段毫秒導(dǎo)爆管雷管,第三排裝2 發(fā)7 段毫秒導(dǎo)爆管雷管,第四排裝2 發(fā)9 段毫秒導(dǎo)爆管雷管,第五排裝2 發(fā)10 段毫秒導(dǎo)爆管雷管,第六排裝2 發(fā)11段毫秒導(dǎo)爆管雷管,同排每3 個孔為一簇,用四通和導(dǎo)爆管把同排及后排炮孔相連組成一組,然后用3 段毫秒導(dǎo)爆管雷管接力下一組。 爆破網(wǎng)路如圖1所示。

圖1 起爆網(wǎng)路

爆破效果不理想,爆后存在的主要問題:

1)巖石塊度不均勻,大塊率偏高;

2)爆區(qū)后排局部甚至全底面留有根底,造成底面不平整。

2 大塊和根底產(chǎn)生的部位及原因分析

2.1 大塊和根底產(chǎn)生的部位

由于該露天煤礦地質(zhì)復(fù)雜多變,使用的炸藥種類多樣,以及施工質(zhì)量的原因,經(jīng)觀察和統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)大塊主要集中在下列區(qū)域:

1)炮孔孔口部位(炮孔填塞段);

2)最前排炮孔前上部臨空面;

3)孔網(wǎng)參數(shù)較大處;

4)底盤抵抗線過大的臺階根部;

5)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變處,如斷層、裂隙夾泥層、軟硬巖結(jié)合處等;

6)最后排炮孔后保留巖層的上部;

7)盲炮或炸藥殘爆處。

根底主要集中在下列區(qū)域:

1)前排孔底部;

2)孔網(wǎng)參數(shù)較大處;

3)炮孔超深偏小處;

4)盲炮或炸藥殘爆處;

5)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜處,如上部為軟巖,下部為較硬巖石時,巖體底部易產(chǎn)生根底[2]。

2.2 大塊和根底產(chǎn)生的原因分析

根據(jù)巖石破碎機理和爆破效果影響因素分析,深孔臺階爆破產(chǎn)生大塊和根底的原因是多方面的,結(jié)合大塊和根底產(chǎn)生的部位,經(jīng)分析研究得出大塊和根底產(chǎn)生的具體原因如下:

1)產(chǎn)生大塊原因

①由于堵塞段過長,孔口堵塞段巖體得到的炸藥能量不足,因而爆后會在孔口處出現(xiàn)大塊[3],如圖2。

圖2 孔口處大塊

②最前排炮孔前上部即鄰近臺階坡面的一定范圍內(nèi),巖石受前次爆破的破壞,原生弱面脹裂,甚至被切割成“塊體”,爆破時這部分“塊體”容易震落,形成大塊;另外在前排的巖石臨近自由面,被爆巖石相互撞擊作用減弱,因而形成大塊[4]。

③當孔網(wǎng)參數(shù)過大時,造成炸藥能量不足,使巖石得不到充分破碎,因而形成大塊。

④由于底盤抵抗線過大,該部分巖石得不到足夠炸藥能量而使其不能充分破碎,因而在臺階根部形成大塊。

⑤地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地帶大塊:主要是由于裂隙存在使應(yīng)力波衰減或阻斷,同時爆炸氣體從裂隙處逸出,致使被爆巖體得不到足夠的爆炸能量,因而形成大塊[5]。

⑥爆區(qū)的后部與未爆巖石相交處因爆破振動及拉裂可能形成大塊。

⑦由于盲炮或炸藥殘爆處形成大塊,如圖3所示。

2)殘留根底的原因

①臺階底盤抵抗線偏大,巖石得不到足夠炸藥能量而使其不能充分破碎移動,因而形成根底。

圖3 盲炮造成的大塊

②由于孔網(wǎng)參數(shù)過大,孔與孔之間部位巖石得不到足夠炸藥能量而使其不能充分破碎移動,因而形成根底。

③鉆孔超深偏小,底部沒有足夠炸藥能量來克服深部巖石夾制而留下根底。

④由于盲炮或殘爆,輕者該處因其他炮孔爆破作用而形成大塊,重者時巖石會保持原狀,留下嚴重根底。

⑤巖性分布不均處,如臺階上部為軟巖,下部為較硬巖石時,巖體底部易產(chǎn)生根底,這是由于軟硬巖交界處存在裂隙或斷面,使應(yīng)力波衰減或阻斷,同時爆炸氣體從裂隙中逸出,壓力迅速下降,致使下部硬巖得不到足夠的爆炸能量,因而留下根底。

3 降低大塊率和根底率的措施

在保持該露天煤礦剝離爆破的臺階高度、孔徑以及炸藥品種不變條件下,根據(jù)具體情況分析,通過選擇合理爆破參數(shù)、優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)及科學(xué)爆破施工管理等措施,達到降低大塊率和根底率的目的。

3.1 選擇合理爆破參數(shù)

1)前排抵抗線

在保證鉆機安全條件下,同時有利于后排孔的推動,應(yīng)相對減小前排抵抗線Wd,根據(jù)鉆孔作業(yè)的安全條件Wd≥Hcotα+B,根據(jù)本工程地質(zhì)條件,前排抵抗線為Wd=3.5 ～4.5 m, 巖體較完整堅硬處Wd取3.5 ～4.0 m,節(jié)理、裂隙發(fā)育處Wd取4.0～4.5 m。

其中:Wd為前排抵抗線,α為臺階坡面角,H為臺階高度,B為從鉆孔中心至坡頂?shù)陌踩嚯x[6]。

2)孔網(wǎng)參數(shù)

在深孔臺階爆破中,為了取得良好爆破效果,爆破參數(shù)中的孔、排距選擇是關(guān)鍵因素。 為提高炸藥能量利用率,采取縮小排距b、增加孔距a,實現(xiàn)寬孔距小排距爆破,能有效改善爆破效果降低大塊。 排距b控制在4.0 ～5.0 m,孔距a控制在6.0 ～7.0 m,鉆孔超深h 控制在1.5 ～2.0 m。 根據(jù)炮孔位置的裂隙、巖層分布情況,將軟、硬巖石分區(qū)設(shè)計,易爆破的區(qū)域適當放大孔網(wǎng)參數(shù),較難爆破的區(qū)域可采取縮小孔網(wǎng)參數(shù)、增加超深、加密炮孔、裝高威力炸藥等措施提高炸藥單耗,來降低大塊和根底。

3)微差時間間隔和起爆網(wǎng)路

由于同時起爆的炮孔較多,相對來說不利于降低大塊率。 故采用“V”形起爆,“V”形起爆每段起爆都是在多自由面的條件下破碎巖石,可以加強巖塊間的碰撞和擠壓,不僅有前后排巖塊碰撞,而且有“V”形兩側(cè)巖塊的碰撞,從而獲得較好的破碎質(zhì)量,也可減少爆堆范圍[7]。

4)選用高精度導(dǎo)爆管雷管,同時提高起爆藥包起爆能

選用延時更精確的高精度導(dǎo)爆管雷管,可提高準爆率,實現(xiàn)孔內(nèi)外微差,能充分地利用炸藥爆炸能量,達到降低周邊振動,保護未爆礦巖的完整性,從而降低大塊率。

以前施工中起爆藥包采用的是32 mm 小直徑乳化炸藥藥卷,由于藥卷直徑較細,所以起爆能力有限。 而起爆能的大小,直接影響炸藥爆轟波傳播過程,起爆能小,則起爆時爆速低,不利于藥包穩(wěn)定傳爆和充分發(fā)揮炸藥爆破能量,還可能出現(xiàn)殘爆現(xiàn)象。 因此,本礦選用起爆感度較低的混裝銨油炸藥。 為提高起爆藥包的起爆能,選用70 mm 大直徑乳化炸藥藥卷做為起爆藥包。

3.2 優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)

根據(jù)該露天煤礦巖石產(chǎn)狀變化大的特點,采取分段裝藥、不耦合或者輔助小藥包、輔助炮孔來改變裝藥結(jié)構(gòu)和填塞長度等措施,達到降低大塊率和根底的目的。

1)巖體構(gòu)造比較均一時,可以在下部裝爆炸威力相對較大的乳化炸藥,中、上部裝威力較小的粉狀膨化硝銨炸藥或者混裝銨油炸藥;當裝填成卷炸藥時,下部直接丟裝破開的藥卷成耦合裝藥結(jié)構(gòu),中上部裝正常藥卷逐個吊裝,改成不耦合裝藥結(jié)構(gòu),如圖4 所示。 在保證裝藥量不變的前提下,提高了炮孔的裝藥高度,這有利于克服中部和堵塞段大塊及根部留底現(xiàn)象。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

2)巖體構(gòu)造不均時,采用間隔裝藥結(jié)構(gòu),即在炮孔中把炸藥分成數(shù)段,使炸藥的爆炸能量在巖石中按巖體構(gòu)造布置。 間隔裝藥時,把大部分炸藥裝在硬巖或整體性好的巖石段,孔中不裝藥或少裝藥部分要選擇在爆炸氣體可能逸出的巖性薄弱段。如果巖體是水平走向的層狀巖石,那么裝藥部位應(yīng)該位于較厚或較堅硬的巖層部位。 如圖5 所示巖石結(jié)構(gòu)上部為比較堅硬致密的巖層,中部夾一層薄煤,下部巖體相應(yīng)破碎,采用分段間隔裝藥時,而空氣間隔位置應(yīng)處于夾著的煤層位置。

圖5 巖體構(gòu)造不均裝藥結(jié)構(gòu)

3)降低孔口處大塊措施:為了改善孔口封堵段較完整堅硬巖體的爆破效果,可采用下列兩種方法:

方法一:在炮孔內(nèi)堵塞段一處設(shè)置輔助藥包,為避免造成過大的空氣沖擊波和爆破飛石損壞爆破網(wǎng)路,輔助藥包裝藥量不應(yīng)該超過5 kg。 如圖6所示。

圖6 輔助藥包降低孔口處大塊裝藥結(jié)構(gòu)

方法二:在主炮孔之間增加輔助炮孔,也能降低孔口處大塊。 輔助炮孔孔深較淺,孔徑也比主炮孔要小,如圖7 所示。

圖7 輔助炮孔降低孔口處大塊

3.3 科學(xué)爆破施工管理

爆破施工管理的質(zhì)量也決定了爆破效果的好壞,只有嚴格科學(xué)的管理,才能達到預(yù)期的最佳爆破效果。 針對以前爆破施工中存在的問題,采取如下的爆破施工管理措施:

1)根據(jù)地質(zhì)資料、現(xiàn)場勘查臺階坡面情況,提前預(yù)判易出現(xiàn)大塊和根底位置,及時調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù);通過觀察炮孔巖粉確定巖體結(jié)構(gòu)情況,并做好每天的鉆孔記錄。 孔網(wǎng)參數(shù)和孔位的確定要由爆破技術(shù)人員通過儀器標定;根據(jù)臺階坡面情況,及時調(diào)整前排孔底盤抵抗線,保證前排抵抗線均勻;并保證布孔、鉆孔、驗孔、裝藥、填塞、連線及起爆每一道工序都要嚴格按爆破設(shè)計進行。

2)混裝炸藥車裝藥過程中,操作人員必須把輸送炸藥管放置到孔底之后進行裝藥,防止蓬孔,保證炸藥能裝到位、裝夠量,發(fā)現(xiàn)裝藥問題及時處理。

3)加強教育與培訓(xùn),提高爆破作業(yè)人員操作水平。

4 結(jié)論

導(dǎo)致露天煤礦石方剝離爆破效果不佳的原因很多,只要抓住主要影響因素,通過技術(shù)與管理兩方面措施,科學(xué)合理設(shè)計爆破方案,嚴格按爆破方案施工,加強現(xiàn)場精細化施工管理,及時反饋特殊位置地質(zhì)的信息,各工作環(huán)節(jié)嚴格按照標準化施工流程作業(yè),就能從根本上降低大塊率和根底率。

現(xiàn)場工程實踐證明,本措施行之有效,爆后的巖石塊度更加均勻,大塊率和根底率明顯下降,全面提升了爆破效果,可為類似礦山爆破提供借鑒。