低密度炸藥對(duì)露天礦煤層爆破關(guān)鍵指標(biāo)的影響研究

李玉清，孫健東，周 宇，陳 浩

(1.準(zhǔn)能集團(tuán)公司采購(gòu)與招標(biāo)管理中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.華北科技學(xué)院，河北 三河 065201；3.準(zhǔn)能集團(tuán)公司黑岱溝露天礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

爆破是大型露天煤礦煤層開(kāi)采的高效技術(shù)手段之一，不同類(lèi)型炸藥對(duì)爆破關(guān)鍵指標(biāo)的影響分析一直是露天礦山工程爆破的重大研究課題。當(dāng)前科研學(xué)者主要從煤體的爆破機(jī)理角度入手開(kāi)展研究，例如：褚懷保等[1-2]利用模擬實(shí)驗(yàn)針對(duì)爆破作用機(jī)理、衰減規(guī)律、爆炸應(yīng)力波在煤體中的傳播規(guī)律等問(wèn)題進(jìn)行了研究；郭德勇等[3-4]對(duì)煤層深孔聚能爆破致裂增透機(jī)理進(jìn)行了研究；戴俊[5]、劉健等[6]對(duì)柱狀裝藥爆破的巖石壓碎圈與裂隙圈的計(jì)算方法進(jìn)行了研究。部分學(xué)者從實(shí)踐角度入手，例如萬(wàn)德林[7]對(duì)露天礦提高塊煤率的技術(shù)途徑進(jìn)行了研究；王慶土[8]針對(duì)低猛度炸藥提高塊煤率的技術(shù)方法進(jìn)行了探討。然而，上述研究中普遍存在一個(gè)問(wèn)題，即常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)值模擬手段難以達(dá)到與實(shí)際煤層性質(zhì)完全吻合的目標(biāo)，而現(xiàn)場(chǎng)有限次數(shù)的實(shí)驗(yàn)考察得到的數(shù)據(jù)有限，不足以支撐技術(shù)體系的形成。

筆者根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐研究經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為：隨著現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥技術(shù)的發(fā)展，散裝銨油炸藥、乳化炸藥已廣泛應(yīng)用于煤層爆破，相比其他工業(yè)炸藥，低密度炸藥應(yīng)用于煤層爆破具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)是煤層爆破的主要技術(shù)研究方向。當(dāng)前理論研究遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐，制約了低密度炸藥爆破技術(shù)在煤層中的應(yīng)用和發(fā)展，因此，有必要深入探討低密度炸藥在煤體中爆破作用機(jī)理，研究低密度炸藥對(duì)露天礦煤層爆破關(guān)鍵指標(biāo)的影響，同時(shí)結(jié)合大量現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)驗(yàn)證，從而為工程爆破設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 理論分析

1.1 降低爆破藥柱粉碎區(qū)的理論分析

國(guó)外學(xué)者哈努卡耶夫研究發(fā)現(xiàn)，炸藥將巖石爆破后，巖石粉碎區(qū)域大小為炮孔尺寸的2～3倍，而發(fā)生巖石裂隙區(qū)域大小相比炮孔尺寸，高達(dá)10～15倍。粉碎區(qū)域大小與粒度小的煤的沫煤率成正相關(guān)，與塊煤率成負(fù)相關(guān)[9]。因此，進(jìn)行煤臺(tái)階爆破時(shí)，應(yīng)盡量減小粉碎區(qū)范圍，增大裂隙區(qū)域，從而提高塊煤率。

炮孔通過(guò)采用耦合裝藥的方法，在炸藥完成爆炸后，煤巖中以炮孔為中心在四周區(qū)域形成粉碎區(qū)，粉碎區(qū)半徑[10]見(jiàn)式(1)。

(1)

式中(以炸藥為研究對(duì)象)：RC為粉碎區(qū)半徑;ρ0為密度；D為爆速；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，取10×106Pa；lc為軸向裝藥系數(shù)，lc=裝藥長(zhǎng)度/(炮孔長(zhǎng)度-填塞長(zhǎng)度)；α為沖擊波載荷傳播衰減指數(shù)，α=2+b=2.4 m；rb為炮孔半徑，cm。由于式(1)包含參數(shù)眾多，不便于展示，因此將公式化簡(jiǎn)后平方根內(nèi)的一部分標(biāo)記為符號(hào)B，分開(kāi)展示，見(jiàn)式(2)。

(2)

式中，μd為動(dòng)態(tài)泊松比，取煤靜態(tài)泊松比的0.8倍，即0.264。

b=μd/(1-μd)=0.36

(3)

式中，b為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)。根據(jù)炸藥密度、爆速、裝藥結(jié)構(gòu)及炮孔半徑，將上述數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)中，即可算出粉碎區(qū)半徑Rc。

1.2 減小爆破藥柱粉碎區(qū)途徑

由煤巖爆破破碎機(jī)理可知，在巖性不變情況下，減少爆破藥柱粉碎區(qū)主要有2種途徑：一種是降低炸藥密度ρ0和爆速D；另一種是減小軸向裝藥系數(shù)lc，從而改善炸藥性能和改變裝藥結(jié)構(gòu)[11]。

1) 降低炸藥密度ρ0和爆速D。降低炸藥密度及爆速可直接降低爆破能量，避免藥柱周?chē)鷰r石出現(xiàn)過(guò)度粉碎的情況，同時(shí)提高爆破波阻抗與煤體的匹配程度，延長(zhǎng)爆破作用時(shí)間、增加能量利用率，進(jìn)而提高裂隙區(qū)發(fā)育程度，增強(qiáng)爆破效果[12]。

表1是幾種工業(yè)上常見(jiàn)的炸藥爆炸性能與粉碎區(qū)半徑值，其中炮孔直徑為200 mm。由表1可知，低密度炸藥的各項(xiàng)爆炸性能指標(biāo)均低于其他工業(yè)炸藥，應(yīng)用低密度炸藥可大幅減小粉碎區(qū)半徑。相比于銨油炸藥和乳化炸藥，低密度炸藥生產(chǎn)成本低，爆炸威力也低，而且可以實(shí)現(xiàn)煤孔連續(xù)裝藥，爆炸能量傳遞更均勻，有利于降低炸藥單耗、減少沫煤率。

表1 幾種工業(yè)炸藥爆炸性能及粉碎區(qū)半徑值Table 1 Radius diameter of crushing zone and parameters of some industrial explosives

表2 幾種工業(yè)炸藥裝藥系數(shù)及粉碎區(qū)半徑值Table 2 Radius diameter of crushing zone and charge parameters about industrial explosives

2) 減小軸向裝藥系數(shù)。由式(3)相關(guān)參數(shù)lc計(jì)算可知，通過(guò)減小軸向裝藥系數(shù)，可減小粉碎區(qū)半徑。在炮孔長(zhǎng)度不變的條件下，可以通過(guò)增加填塞長(zhǎng)度、使用空氣間隔進(jìn)行分段裝藥，降低孔壁周?chē)逯档膲毫?，避免巖石過(guò)度粉碎。但另一方面，填塞長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致大塊率的增加，降低電鏟的采掘效率，給原煤回采作業(yè)增加安全隱患。幾種常用工業(yè)炸藥裝藥系數(shù)及粉碎區(qū)半徑值的關(guān)系見(jiàn)表2。

2 煤層爆破試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

黑岱溝露天煤礦的煤種屬于長(zhǎng)焰煤，密度為1 500 kg/m3，普氏硬度系數(shù)f為1.5，縱波波速為500 m/s，波阻抗為0.75×106kg/(m2·s)，裂隙較為發(fā)育[13]，脆性較高，易于爆破破碎?？刹擅簩訛?號(hào)復(fù)煤層，分6上、6中、6下三個(gè)煤層。煤層總平均厚度約為31 m，而優(yōu)質(zhì)煤又集中于發(fā)熱量為4 200～5 700 kcal/kg的6中煤層。煤層上部平均45 m巖石剝離采用拋擲爆破-拉斗鏟無(wú)運(yùn)輸?shù)苟压に嘯14-15]，煤臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)采用一次穿孔爆破，采煤分三層開(kāi)采。試驗(yàn)區(qū)選在煤臺(tái)階西半?yún)^(qū)，煤臺(tái)階長(zhǎng)度為1 057 m，寬度為85 m，平均臺(tái)階高度31 m，爆破總量278.6萬(wàn)m3。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分10個(gè)炮區(qū)逐區(qū)爆破，每個(gè)炮區(qū)長(zhǎng)度100 m， 試驗(yàn)采用銨油炸藥(X)和低密度炸藥(Y)兩種炸藥，穿孔設(shè)備采用直徑為200 mm牙輪鉆機(jī)，超深3 m，采用原煤整臺(tái)階爆破爆破方式提高作業(yè)效率。

炸藥單耗量、沫煤率、鏟運(yùn)效率是露天礦煤層爆破的工程技術(shù)指標(biāo)，而炸藥單耗量是影響上述指標(biāo)的關(guān)鍵因素。根據(jù)黑岱溝露天煤礦近幾年煤層爆破分別采用過(guò)不同炸藥品種與爆破參數(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本文研究，制定了低密度炸藥與銨油炸藥煤層爆破綜合對(duì)比試驗(yàn)，爆破試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 爆破試驗(yàn)參數(shù)表Table 3 Parameters of blast test

每個(gè)試驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)5次。A組采用X炸藥，分段裝藥間隔長(zhǎng)度取6 m、8 m，炮孔填塞長(zhǎng)度6 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)6中優(yōu)質(zhì)煤層分布情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整間隔設(shè)置位置，B組、C組采用Y炸藥，其中分段裝藥結(jié)構(gòu)與A2、A3相同，連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)充填高度為7～9 m，裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)中采用分排微差起爆技術(shù)對(duì)煤調(diào)節(jié)進(jìn)行爆破，增加排間延期時(shí)間，降低排與排爆破時(shí)煤層之間的相互擠壓，遏制發(fā)生二次破碎的狀況。

每次試驗(yàn)時(shí)對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)振儀器型號(hào)為T(mén)C-4850，各次測(cè)點(diǎn)的位置均在距離炮區(qū)500 m處。然后對(duì)試驗(yàn)區(qū)原煤爆破的大塊率、采掘效率、沫煤率和塊煤率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖1 炮孔炸裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structures of charge explosive in blast hole

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 采掘效率

煤層的爆破質(zhì)量直接影響采裝和運(yùn)輸兩個(gè)環(huán)節(jié)的效率。對(duì)每組試驗(yàn)采掘效率和大塊率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用數(shù)據(jù)的平均值用于分析煤層爆破炸藥單耗與采掘效率關(guān)系。采掘效率以每天的出煤量為計(jì)算依據(jù)，由于爆破的最大塊度要滿(mǎn)足鏟裝設(shè)備和破碎站設(shè)備對(duì)煤塊度的要求，根據(jù)露天煤礦對(duì)大塊的計(jì)算見(jiàn)式(4)。

(4)

式中，V=35 m3。計(jì)算出爆破塊度尺寸為2.6 m，而破碎站對(duì)塊度的尺寸要求不超過(guò)2 m，統(tǒng)計(jì)爆破塊度尺寸超過(guò)2 m的次數(shù)。大塊率的計(jì)算方法采用單位萬(wàn)立方米爆量中出現(xiàn)大塊的個(gè)數(shù)，大塊的個(gè)數(shù)由電鏟司機(jī)在裝車(chē)過(guò)程中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄。試驗(yàn)采掘效率、大塊率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)采掘效率、大塊率統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistical table about test mining efficiency,lump coal rate

表5 試驗(yàn)塊煤率、沫煤率統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistical table about test lump coal rate and slack coal rate

3.2 塊煤率與沫煤率

塊煤是煤炭經(jīng)過(guò)爆破、采裝、運(yùn)輸、洗選分揀出來(lái)的塊狀形體，尺寸：100～6 mm，200～25 mm，150～25 mm，發(fā)熱量在5 300～5 500 kcal/kg，主要用于化工、建材、陶瓷等行業(yè)。塊煤篩選的常用方法是通過(guò)網(wǎng)目大小來(lái)規(guī)定最小尺寸(6 mm)。塊煤率是指這些塊煤占采出原煤總量的比例。而塊煤中常含有小于該級(jí)粒度下限的小塊煤或粉末，將粒度低于該級(jí)別下限的塊煤所占的重量百分比，通稱(chēng)為沫煤率。本次試驗(yàn)是在選煤廠(chǎng)相同洗選工藝、相同篩板條件下將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照數(shù)據(jù)均值將塊煤率、沫煤率、排矸率等結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 炸藥單耗量對(duì)采掘效率的影響

電鏟的采掘效率直接受到煤巖爆堆松散系數(shù)、爆堆形狀以及爆破底板的平整度、根底、硬幫等因素影響。爆破塊度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)降低電鏟的采掘效率，而單位炸藥消耗量是爆破設(shè)計(jì)中影響爆破平均塊度的主要因素之一。圖2是煤巖爆破炸藥單耗量與采掘效率之間的關(guān)系。從圖2可以看出，在一定范圍內(nèi)，炸藥單耗量與采掘效率之間成正比例關(guān)系；隨著炸藥單耗的增加，采掘效率也逐步提升，當(dāng)炸藥單耗量由0.127 kg/m3提高到0.190 kg/m3時(shí)，炸藥單耗量提高了49.6%，采掘效率提高了13.2%；隨著炸藥單耗量進(jìn)一步增加，采掘效率卻未有明顯提升。

圖2 炸藥單耗量與采掘效率的關(guān)系Fig.2 Relationship between explosive unit consumption and mining efficiency

通過(guò)研究分析，出現(xiàn)此情況是由于A(yíng)3組受分段裝藥結(jié)構(gòu)的影響導(dǎo)致空氣間隔空腔內(nèi)爆破不充分，電鏟挖不動(dòng)，大塊率增多，從而致使采掘效率變化不大。經(jīng)過(guò)對(duì)采掘數(shù)據(jù)對(duì)比分析，B3組采用低密度炸藥比A3組采用銨油炸藥單耗量降低了27.3%，電鏟采掘效率反而提升了7.1%。由此可以判斷出低密度炸藥相比于銨油炸藥分段裝藥使得爆破爆堆更加松散，塊度更加均勻，爆破效果更佳。

4.2 炸藥單耗量對(duì)塊煤率的影響

圖3是炸藥單耗量與塊煤率和大塊率的關(guān)系。從圖3可以看出，相同的試驗(yàn)條件下，炸藥單耗量與塊煤率成反比例，在一定范圍內(nèi)，炸藥單耗量與大塊率也成反比例。當(dāng)炸藥單耗量最低時(shí)，塊煤率與大塊率最高，當(dāng)炸藥單耗量提高38.6%時(shí)，塊煤率僅下降了0.48%，而大塊率卻下降了79.9%，下降幅度較大；當(dāng)炸藥單耗量在0.19～0.24 kg/m3區(qū)間時(shí)，受炸藥種類(lèi)和裝藥結(jié)構(gòu)的影響，塊煤率降低了1.53%，大塊率提高2.4倍；隨著炸藥單耗量的進(jìn)一步增加，塊煤率與大塊率同時(shí)降低。

因此,綜合炸藥單耗量與塊煤率和大塊率三者之間的關(guān)系，炸藥單耗量控制在0.171～0.190 kg/m3之間時(shí)最優(yōu)。

4.3 炸藥單耗量與塊煤率、沫煤率的關(guān)系

圖4是炸藥單耗量與塊煤率和沫煤率的關(guān)系。由圖4可知，炸藥單耗量與塊煤率成反比，炸藥單耗量越高，塊煤率越低。

圖3 炸藥單耗量與塊煤率的關(guān)系Fig.3 Relationship between explosive unit consumption and lump coal rate

圖4 炸藥單耗量與塊煤率、沫煤率的關(guān)系Fig.4 Relationship between explosive unit consumption and lump coal rate,slack coal rate

然而炸藥單耗量與沫煤率成正比，炸藥單耗量越低，沫煤率也越低。因此，炸藥單耗量越低，越有利于塊煤率和沫煤率目標(biāo)值的最大化，但往往炸藥單耗量低下，導(dǎo)致大塊率增大，采掘效率隨之就會(huì)降低，從而影響露天礦的年生產(chǎn)能力。當(dāng)炸藥單耗量提高49.6%時(shí)，沫煤率僅提高了2.98%，塊煤率僅下降了2.07%，而對(duì)應(yīng)的采掘效率卻提高了11.26%。綜合優(yōu)化炸藥單耗量、采掘效率、塊煤率與沫煤率四者之間的關(guān)系，根據(jù)露天礦年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，炸藥單耗量控制在0.171～0.190 kg/m3區(qū)間時(shí)，最有利于礦山生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

1) 低密度炸藥的各項(xiàng)爆炸性能指標(biāo)均低于其他工業(yè)炸藥，應(yīng)用低密度炸藥可大幅減小粉碎區(qū)半徑。相比于銨油炸藥和乳化炸藥，低密度炸藥生產(chǎn)成本低，爆炸威力也低，而且可以實(shí)現(xiàn)煤孔連續(xù)裝藥，爆炸能量傳遞更均勻，有利于降低炸藥單耗量、減少沫煤率。

2) 在一定范圍內(nèi)，炸藥單耗量與采掘效率成正比例關(guān)系，即隨著炸藥單耗的增加，采掘效率也逐步提升，當(dāng)炸藥單耗量由0.127 kg/m3提高到0.190 kg/m3時(shí)，炸藥單耗量提高了49.6%，采掘效率提高了13.2%；但隨著炸藥單耗量進(jìn)一步增加，采掘效率提升趨勢(shì)不再明顯。

3) 低密度炸藥單耗量與采掘效率、大塊率、塊煤率及沫煤率成一定的比例關(guān)系，綜合考慮礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，應(yīng)將爆破炸藥單耗量控制在0.171～0.190 kg/m3范圍內(nèi)。