工程水壓爆破在煤層爆破中的應(yīng)用

溫 珊 胡 葵

（1.山西潞安民爆器材有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 047506；2.北京安聯(lián)國(guó)科科技咨詢有限公司，北京 101312）

1 工程概況

黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10Mt/a。表土剝離采用連續(xù)開采工藝，采用4臺(tái)輪斗挖掘機(jī)。下部采用單斗卡車和吊斗鏟開采工藝。采煤采用2500t/h半移動(dòng)式破碎站，輪斗挖掘機(jī)連續(xù)開采工藝系統(tǒng)。煤層厚度57.33～73.52m，密度1.19t/m3，抗拉、抗剪斷能力較低，易自燃。黑岱溝露天煤礦在煤層爆破中進(jìn)行了工程水壓爆破技術(shù)的試驗(yàn)，意在減少爆破引起煤層著火和確保煤層爆破塊度要求。

2 工程水壓爆破原理及特點(diǎn)

2.1 工程水壓爆破的原理

水壓爆破與以空氣為耦合介質(zhì)的普通爆破相比，在介質(zhì)的破碎機(jī)理上沒有太大的區(qū)別，但是在爆破作用特征上，由于兩者的物理性質(zhì)不同，表現(xiàn)出明顯的差異。

（1）在不耦合系數(shù)相同的條件下，水壓爆破的應(yīng)變波強(qiáng)度和變形勢(shì)能比以空氣為耦合介質(zhì)爆破的大。這說明爆破同樣一個(gè)物體時(shí)，前者所消耗的能量和炸藥量都比后者低。

（2）水壓爆破和空氣爆破的應(yīng)變波強(qiáng)度隨不耦合系數(shù)的增大皆呈指數(shù)函數(shù)衰減。但是，前者的衰減速度比后者要慢，兩者相差幾乎接近1倍。這是水的密度較大所致。

緩沖爆破的效果除了與緩沖介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)以外，不耦合裝藥是形成緩沖爆破的關(guān)鍵技術(shù)措施，因此不耦合系數(shù)是影響緩沖爆破效果的關(guān)鍵參數(shù)。選取不耦合系數(shù)時(shí)必須考慮介質(zhì)的性質(zhì)、炸藥的性能及爆破條件和要求。選取的不耦合系數(shù)過小，則起不到抑壓和緩沖的作用；選取的值過大，則破碎不了介質(zhì)。

2.2 工程水壓爆破特點(diǎn)分析

大量工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究證明，不堵塞炮孔爆破炸藥的能量會(huì)以“沖炮”形式泄出，而爆轟波傳到炮孔不同部位時(shí)，由于空氣的可壓縮性極大，應(yīng)力波大部分能量衰減消失，極大削弱了對(duì)炮眼巖壁的破碎力。利用炮泥回填堵塞炮孔，可以加強(qiáng)膨脹氣體的破巖作用，但炮泥也是可壓縮的，只不過與空氣相比壓縮性小，應(yīng)力波能量損失相對(duì)比空氣少。如果以水作為應(yīng)力波的傳播介質(zhì)，水是不可壓縮的，吸收的爆炸能量小，這就解決了應(yīng)力波傳播過程中的能量損失問題。但如果全用水堵塞，水對(duì)膨脹氣體沒有約束能力，試驗(yàn)表明，全用水袋堵塞，也會(huì)發(fā)生“沖炮”現(xiàn)象，起不到提高炸藥能量利用率的作用。

3 工程水壓爆破的實(shí)踐

3.1 爆破試驗(yàn)

（l）主要爆破參數(shù)

孔深H：根據(jù)臺(tái)階高度及業(yè)主方要求，孔深有9.5m、6.0m、15m三種主要參數(shù)，如圖1所示。

圖1 孔深切面圖

孔徑d：采用現(xiàn)有的CM-351鉆機(jī)，孔徑d=115mm。

最小抵抗線w：w=3.0m。

炸藥消耗量q：根據(jù)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐，q=0.1kg/m3。

孔距、排趴：a=8.0m，b=5.0m 采用梅花形布孔方式，如圖2所示。

單孔裝藥量Q：Q=qabH=31.2～46.8kg。

堵塞長(zhǎng)度L：L=H-Q/Qm=2.4～3.5m。

同樣利用圖1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還測(cè)試了薄膜對(duì)出射功率為8.4 W的CO2連續(xù)激光的透過率和反射率隨輻照時(shí)間的變化情況.發(fā)現(xiàn)薄膜對(duì)10.6 μm遠(yuǎn)紅外連續(xù)激光的透過率接近于0，在受輻照的60 s內(nèi)幾乎保持不透，而反射率則會(huì)有一定幅度變化，結(jié)果如圖9所示.

（2）水瓶的加工

水瓶為長(zhǎng)20cm、直徑6.0cm的聚乙烯塑料瓶，瓶中充滿水后，將瓶蓋擰緊。水瓶放置、運(yùn)輸時(shí)有輕微變形，不影響裝填及最后的爆破效果。

圖2 炮孔布置圖

（3）炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示，炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)依次為炸藥、水瓶、砂土。裝藥量根據(jù)煤層條件按常規(guī)爆破的鉆爆設(shè)計(jì)計(jì)算。水瓶、砂土的裝填比例根據(jù)各孔裝藥后的剩余空間，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。砂土的裝填長(zhǎng)度不宜太短，以免發(fā)生沖炮現(xiàn)象。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)圖

（4）起爆網(wǎng)路

孔內(nèi)下導(dǎo)爆索，地表采用高精度雷管-導(dǎo)爆索起爆網(wǎng)路，如圖4所示。

圖4 起爆網(wǎng)路示意圖

（5）試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

① 篩分法每次試驗(yàn)炮爆破后，隨時(shí)抽取長(zhǎng)×寬×高= 20m×5m×10m斷面爆渣，經(jīng)挖機(jī)裝車后過磅，然后經(jīng)篩分系統(tǒng)進(jìn)行篩分，將各類粒徑的煤塊分別稱后計(jì)算出塊煤率，填寫試驗(yàn)報(bào)告后存檔。

② 影像法。采用影像設(shè)備（數(shù)碼相機(jī)、DV等）記錄爆破過程及爆后效果，為試驗(yàn)留下直觀的原始資料。

③ 測(cè)量法。使用RDK對(duì)取樣的爆堆方量進(jìn)行測(cè)量，以校核斷面法相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。利用便攜式紅外線測(cè)溫儀測(cè)量每次爆破試驗(yàn)煤層爆破前地表溫度、孔底溫度和爆破后地表溫度、裂隙溫度，并記錄。

④ 目測(cè)法。通過對(duì)試驗(yàn)炮的爆后質(zhì)量跟蹤，對(duì)爆堆表層的塊煤情況進(jìn)行形象描述。

3.2 爆破效果分析

經(jīng)過分析爆破效果，爆破后煤層大塊率有較明顯增加，塊度較均勻，易于挖裝?？咨?5.0m爆破區(qū)域，塊度基本達(dá)到礦方要求，塊度均勻?？咨?.5m爆破區(qū)域，表面塊度明顯增加。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用工程水壓爆破技術(shù)對(duì)提高爆破后塊煤率（大塊和中塊）有明顯效果。

爆破后溫度變化：孔深9.5m爆破區(qū)域爆破前孔內(nèi)平均溫度為4℃，爆破后為7℃；孔深6.0m爆破區(qū)域爆破前孔內(nèi)平均溫度為10℃，爆破后為24℃。數(shù)據(jù)基本證明，采用工程水壓爆破技術(shù)，爆破后對(duì)降低孔內(nèi)溫度有一定效果。

4 應(yīng)用效果

（1）在煤層爆破中，采用工程水壓爆破可以實(shí)現(xiàn)不耦合裝藥，減小細(xì)煤粒的產(chǎn)生，提高塊煤率。

（2）工程水壓爆破可以提高炸藥能量利用率，爆破后煤渣的塊度均勻度增加，降低炸藥單耗量，節(jié)約開采成本。

（3）利用廢棄的塑料瓶裝水，作業(yè)過程簡(jiǎn)單、環(huán)保、操作方便，工作人員容易掌握。如果露天煤礦大規(guī)模使用，可以進(jìn)行訂制，在煤層中應(yīng)用可取代空氣間隔器。

（4）減少爆破危害，降低爆破振動(dòng)速度，工程水壓爆破無(wú)飛石，噪聲明顯減少。