黑山露天煤礦分層爆破實(shí)驗(yàn)研究

梁 斌，張 哲，孫 靜

（新疆安順達(dá)礦山技術(shù)工程有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊 830000）

神新黑山露天礦二標(biāo)段為2 490 m 標(biāo)高以下臺(tái)階巖石剝離和煤層開(kāi)采。由于巖層較為堅(jiān)固，巖石巖性多樣，軟巖硬巖交叉分布，炮孔深度較大，最深達(dá)16.5 m，致使炮孔底部受巖石夾制作用較大，致使爆破完畢后采裝經(jīng)常出現(xiàn)局部根底，常常需進(jìn)行二次鉆孔爆破處理，導(dǎo)致實(shí)際單耗增加，不僅增加了鉆孔爆破成本，而且降低了鏟裝效率。為降低炸藥單耗，降低巖石剝離成本，進(jìn)行了此次分層爆破實(shí)驗(yàn)。

1 工程概況

神新黑山露天煤礦位于新疆吐魯番地區(qū)托克遜縣境內(nèi)，位于托克遜縣硝爾布拉克（黑山）～梯匈溝普查勘探區(qū)中部，托克遜縣西北邊緣。北距烏魯木齊市約90 km，東距南疆鐵路魚(yú)兒溝車(chē)站約50 km。距黑山煤礦露天區(qū)東部8 km 的戈壁土路與103 省道相接，北可達(dá)烏魯木齊市，南可至艾維爾溝煤礦及南疆鐵路魚(yú)兒溝車(chē)站，東與至蘭新鐵路鹽湖車(chē)站公路相接。海拔高程＋2 570～＋2 760 m。礦區(qū)年平均氣溫1.2～2.3 ℃，降水多集中于每年的4—10 月，約占全年降水量90%以上。

黑山露天礦區(qū)春季多風(fēng)，最大風(fēng)速13 m/s，風(fēng)向主要為西北風(fēng)及東南風(fēng)。凍結(jié)期一般在每年11 月至翌年的3 月。

該礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖性變化較快，原生節(jié)理發(fā)育完善。主要巖石有泥巖、頁(yè)巖、砂巖，其中砂巖尤其是黃砂巖，堅(jiān)硬致密，施工難度大。礦區(qū)內(nèi)巖石物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 礦區(qū)內(nèi)巖石物理力學(xué)指標(biāo)

2 分層爆破方案

2.1 數(shù)學(xué)模型和分層爆破方案

深孔爆破方量計(jì)算公式[1－4]為：

式中：V 為爆破總方量，m3；a 為孔距，m；b 為排距，m；H 為臺(tái)階高度，m。

裝藥量為：

式中：Qz為總裝藥量，kg；N 為爆破孔數(shù)；Qd為單孔裝藥量，kg；ρ 為炸藥密度，g/cm3；r 鉆孔直徑mm；Hy藥為裝藥高度，m；V 為爆破總方量，m3；a 為孔距，m；b 為排距，m；H 為臺(tái)階高度，m；L 為矩孔深度，m；Qm為每米裝藥量，kg；k 為炸藥單耗，kg/m3；Ht為填塞高度，m。

按深孔爆破鉆孔超深10%，填塞高度3.5 m 代入式（4）得：

根據(jù)黑山露天煤礦實(shí)際情況，現(xiàn)在礦山臺(tái)階高度15 m，鏟裝設(shè)備為2～3 m3挖掘機(jī)，鏟裝高度8 m，鏟裝巖石時(shí)分層作業(yè)。上式中臺(tái)階高度合理取值為15 m 和7.5 m，其中，臺(tái)階高度不同時(shí)，理論上孔徑、孔距、排距不變情況下炸藥單耗k 與臺(tái)階高度負(fù)相關(guān)，理論上7.5 m 臺(tái)階高度在保持孔距、排距、孔徑不變情況下炸藥單耗降低為15 m 臺(tái)階高度的72.4%，炸藥單耗降低了27.6%[5]。

為更好的服務(wù)于神新黑山露天煤礦，降低炸藥單耗，降低巖石剝離成本，進(jìn)行該分層爆破實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)方案是在已有的爆破作業(yè)基礎(chǔ)上，將15 m 高臺(tái)階分成2 個(gè)7～8 m 臺(tái)階進(jìn)行更進(jìn)一步的爆破作業(yè)實(shí)驗(yàn)，以保證在不同巖性下采用合適的臺(tái)階高度、孔距、排距、孔徑進(jìn)行爆破作業(yè)，達(dá)到降本增效的目的。

2.2 分層爆破方案鏟裝效率

1）鏟裝隊(duì)鏟裝情況現(xiàn)狀。二標(biāo)段爆破施工作業(yè)范圍為2 490 m 中段以下，共分為2 490、2 475、2 460、2 445、2 430、2 415、2 405 m 水平7 個(gè)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階有2～3 個(gè)作業(yè)面，鉆孔和爆破輪流作業(yè)?，F(xiàn)有巖石剝離鏟裝作業(yè)挖掘機(jī)24 臺(tái)，4 臺(tái)為輔助作業(yè)，實(shí)際鏟裝作業(yè)挖掘機(jī)20 臺(tái)，每個(gè)臺(tái)階有1 個(gè)工作面鉆孔，1 個(gè)工作面爆破作業(yè)，鏟裝作業(yè)面有7個(gè)，每個(gè)作業(yè)面長(zhǎng)度不小于150 m，按每臺(tái)挖掘機(jī)工作線長(zhǎng)度50 m 考慮，可布置3 臺(tái)挖掘機(jī)同時(shí)作業(yè)，挖掘機(jī)斗容量為5 m3，每臺(tái)挖掘機(jī)1 d 可裝車(chē)100車(chē)，每車(chē)裝30 m3，1 臺(tái)挖掘機(jī)1 d 可裝車(chē)3 000 m3，1年（年工作時(shí)間按260 d 計(jì)算）可裝車(chē)78 萬(wàn)m3，年剝離巖石量為1 500 萬(wàn)m3，需要20（臺(tái)）挖掘機(jī)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相吻合。

2）有利因素。分層爆破方案實(shí)施后，原有道路保持不變，只是將15 m 臺(tái)階分成2 個(gè)7.5 m 臺(tái)階，每天爆破方量不變，在孔距和排距保持不變的情況下，只是爆破孔數(shù)增加1 倍，裝藥量減少約10%，由于臺(tái)階降低為7.5 m，巖石夾制作用減少，爆破效果好于現(xiàn)在15 m 臺(tái)階，巖石大塊率也降低萬(wàn)分之1.7，提高挖掘機(jī)的裝車(chē)效率。在平面尺寸不變的情況下，擺放挖掘機(jī)數(shù)量不變，同時(shí)由于7.5 m 臺(tái)階爆破后爆堆高度約為8 m，更適宜裝車(chē)，不需要分層裝車(chē)，提高裝車(chē)效率[6]。根據(jù)第1 階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，鏟裝效率提高了8.0%；大塊率降低了萬(wàn)分之1.7；采裝結(jié)束后臺(tái)階平面未出現(xiàn)根底。在現(xiàn)有鏟裝條件下采用分層爆破比15 m 高臺(tái)階更為有利。從爆破和鏟裝綜合效率上來(lái)看，分層爆破綜合成本要低于15 m 高臺(tái)階。

3）不利因素。分層爆破實(shí)施后，臺(tái)階平整次數(shù)增加1 倍，由于分層爆破大塊率減低，臺(tái)階平整度要好于15 m 臺(tái)階爆破，臺(tái)階平整工程量增加50%。

綜上所述，考慮分層爆破后挖掘機(jī)鏟裝效率會(huì)有所提高，與平整臺(tái)階工程量增加的成本可以抵消，因此，分層爆破后挖掘機(jī)鏟裝綜合成本保持與15 m臺(tái)階持平。

3 實(shí)驗(yàn)方案

為了全面分析臺(tái)階高度、孔距、排距、孔徑4 個(gè)因素對(duì)爆破單耗的影響，項(xiàng)目部采用實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行分層爆破實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)選定上述4 個(gè)因素，每個(gè)參數(shù)選定1～2 個(gè)水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定各個(gè)參數(shù)與爆破單耗的關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定合理的爆破臺(tái)階高度、爆破參數(shù)及鉆孔直徑[7]。

礦區(qū)巖性從上向下排列依次為泥巖、頁(yè)巖、砂巖，越靠近煤層巖石越硬。因此，在下部2 430～2 415 m水平之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)劃將孔距由5.0～6.0 m 擴(kuò)大為5.5～6.5 m，排距由4.5 m 擴(kuò)大到4.7 m。在中部2 460～2 430 m 水平之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn),計(jì)劃將孔距由6.0～7.0 m 擴(kuò)大為6.5～7.5 m，排距由4.5～4.7 m 擴(kuò)大到4.7～5.0 m。在上部2 490～2 460 m 水平標(biāo)高實(shí)驗(yàn)時(shí)，將孔距由6.5～7.5 m 擴(kuò)大到7.0～8.0 m，排距由4.7～5.0 m 擴(kuò)大到5.0～5.5 m。

以上述實(shí)驗(yàn)方案為依據(jù)進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)，在爆破實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)爆破質(zhì)量無(wú)法達(dá)標(biāo)時(shí)應(yīng)停止該因素的繼續(xù)增大，并退回上1 個(gè)參數(shù)進(jìn)行下1 組因素的爆破實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，爆破質(zhì)量由黑山項(xiàng)目部、采剝單位及礦生產(chǎn)技術(shù)部共同進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估完成后再由項(xiàng)目部和礦生產(chǎn)技術(shù)部確定實(shí)驗(yàn)因素的進(jìn)一步推進(jìn)[8]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第1 階段實(shí)驗(yàn)位于西幫＋2 430 m 水平降＋2 415 m 水平臺(tái)階，主體巖層為較為堅(jiān)固的黃砂巖，巖石普氏系數(shù)為Ⅴ級(jí)，臺(tái)階高度為15 m。爆破實(shí)驗(yàn)將15 m臺(tái)階分成2 個(gè)7.5 m 臺(tái)階進(jìn)行分層爆破實(shí)驗(yàn)。

4.1 爆破實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2020 年6 月9 日至7 月10 日進(jìn)行了爆破實(shí)驗(yàn)。

第1 次爆破上半層臺(tái)階，即西幫＋2 430 m 水平降西幫＋2 422.5 m 水平臺(tái)階，臺(tái)階高度為7.5 m，共計(jì)布設(shè)6 排炮孔，呈梅花形。考慮到為下半層臺(tái)階爆破時(shí)預(yù)留出施工道路，在鉆孔爆破時(shí)，修出1 條坡道，供下次爆破時(shí)使用?？咨罹唧w分布如下：從南往北第1～第15 孔為修坡道，孔深依次為1～8 m；第16～第41 孔為正常臺(tái)階深度孔，孔深為8 m，超深為0.5 m。

第2 次爆破下半層臺(tái)階，即西幫＋2 422.5 m 水平降西幫＋2 415 m 水平臺(tái)階，臺(tái)階高度為7.5 m，共計(jì)布設(shè)6 排炮孔，呈梅花形。由于上半層爆破時(shí)預(yù)留出施工坡道，第2 次作業(yè)一次爆破到位?？咨罹唧w分布如下：從南往北第1～第14 孔為坡道加臺(tái)階，孔距為6 m，孔深依次為16.5～8 m；第15～第34 孔為正常臺(tái)階深度孔，孔深為8 m，孔距為5.5 m；超深為0.5～1.5 m。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：2 次分層總方量91 200 m3，總藥量40.4 t，平均單耗443 g/m3，大塊數(shù)20 個(gè)，大塊率萬(wàn)分之2.2，爆破鏟裝后無(wú)根底，日均采剝方量為5 000 m3。

在實(shí)驗(yàn)前同一臺(tái)階，相同部位進(jìn)行整臺(tái)階爆破（15 m 臺(tái)階）時(shí)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為爆破方量104 490 m3，總藥量52.454 t，平均單耗502 g/m3，大塊數(shù)41 個(gè)，大塊率萬(wàn)分之3.9，爆破鏟裝后出現(xiàn)根底。

4.2 爆破成本

1）整臺(tái)階爆破成本。整臺(tái)階爆破數(shù)碼電子雷管使用數(shù)量258 發(fā)，整臺(tái)階爆破母線使用量1 300 m，整臺(tái)階爆破鉆孔總進(jìn)尺4 257 m，整臺(tái)階爆破方量104 490 m3，總藥量52.454 t。現(xiàn)在各種材料的價(jià)格為混裝炸藥7 000 元/t，數(shù)碼電子雷管價(jià)格為35.2元/發(fā)，爆破母線價(jià)格為0.6 元/m，鉆孔成本22 元/m。整臺(tái)階爆破總成本為470 693.6 元，爆破總方量為104 490 m3，則單位爆破成本為4.505 元/m3

2）分層爆破成本。分層爆破數(shù)碼電子雷管使用數(shù)量486 發(fā)，分層爆破母線使用量2 350 m，分層爆破鉆孔總進(jìn)尺3 928 m，2 次分層總方量91 200 m3，總藥量40.4 t。分層爆破總成本為387 733.2 元，分層爆破總方量91 200 m3，則單位爆破成本為4.251元/m3。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及鏟裝效率

上述數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)分層爆破較之整臺(tái)階爆破：炸藥單耗下降了11.8%；大塊率降低了萬(wàn)分之1.7；單位爆破成本下降了5.64%。采裝結(jié)束后臺(tái)階平面未出現(xiàn)根底。

根據(jù)礦方提供的采剝數(shù)據(jù)，2020 年2 季度中煤二班日均單機(jī)剝離量為5 152 m3，而分層爆破處日均單機(jī)剝離量為5 000 m3。由于分層爆破部位位于坑底西幫＋2 415 m 水平臺(tái)階，運(yùn)距最長(zhǎng)，故分層爆破后鏟裝效率與礦日均采剝效率大致持平。

5 結(jié)語(yǔ)

黑山露天煤礦現(xiàn)在露天剝離臺(tái)階高度15 m，由于巖層較為堅(jiān)固，巖石巖性多樣，軟巖硬巖交叉分布，炮孔深度較大，最深達(dá)16.5 m，炮孔底部受巖石夾制作用較大，致使爆破完畢后鏟裝經(jīng)常出現(xiàn)局部根底，常常需要進(jìn)行二次鉆孔爆破處理，導(dǎo)致實(shí)際單耗增加，不僅增加了鉆孔爆破成本，而且降低了鏟裝效率。

通過(guò)第1 階段分層爆破實(shí)驗(yàn)，降低了爆破作業(yè)炸藥單耗和爆破大塊率，消除了根底，達(dá)到了降低爆破成本和提高鏟裝效率的目的，取得了預(yù)期效果。為黑山露天煤礦下階段爆破實(shí)驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)參考依據(jù)，也為類(lèi)似露天礦山爆破作業(yè)降低炸藥單耗和爆破成本提供了參考。