露天煤礦火區(qū)爆破安全作業(yè)技術(shù)

王君霞，郝亞飛，保天才，周桂松，朱 寬，曹進軍

(中國葛洲壩集團易普力股份有限公司，重慶 401121)

在我國新疆、內(nèi)蒙、寧夏、山西等煤層埋藏較淺地區(qū)，采用露天開采的煤礦越來越多[1]。由于露天煤礦的煤層露頭，以及大量存在的采空區(qū)和密閉不嚴(yán)的空巷進入空氣，易形成自燃區(qū)[2]。根據(jù)調(diào)查，我國北方煤田自燃區(qū)有50余處[3]，其中西北地區(qū)煤田自燃最為嚴(yán)重。煤層自燃區(qū)炮孔溫度較高，局部高達400～600 ℃。由于炸藥及爆破器材均有一定的熱感度，環(huán)境溫度達到熱感度臨界值時將引起早爆事故，危及爆破作業(yè)人員安全，煤層自燃對露天煤礦爆破構(gòu)成了極大的安全隱患。我國《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)明確規(guī)定[4]，在溫度高于60 ℃時，必須采取特殊爆破安全作業(yè)措施。

眾多爆破行業(yè)人員對煤礦火區(qū)爆破進行了研究和探索[5]，露天煤礦火區(qū)爆破仍然存在諸多問題。目前，露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)仍然是以炮孔注水降溫為主，以最快的速度裝藥、填塞、起爆，但無法從本質(zhì)上滿足爆破作業(yè)安全、進度、效益等需求。國內(nèi)外主要在滅火降溫[6]、爆破施工[7]、耐高溫爆破器材[8]和爆破器材隔熱防護[9-10]等4個方面開展了煤礦火區(qū)爆破的技術(shù)研究，并取得了一定的成果，對推動我國露天煤礦火區(qū)爆破技術(shù)的發(fā)展起到了一定的推動作用，但從使用現(xiàn)狀來看，多數(shù)成果存在成本過高、施工工藝復(fù)雜、作業(yè)效率低下等缺點。

針對上述問題，筆者圍繞炮孔溫度監(jiān)控、耐熱防護裝置、爆破施工工藝等方面進行研究，形成了一系列火區(qū)爆破耐熱控溫施工技術(shù)，具有安全可控、施工高效、成本低廉等特點，并在寧夏汝箕溝煤礦取得了成功應(yīng)用。

1 工程概況

寧夏汝箕溝無煙煤礦羊齒采區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)賀蘭山北部，采區(qū)盛產(chǎn)的“太西無煙煤”以其優(yōu)良煤質(zhì)在國內(nèi)外享有盛譽。但因歷史上小煤窯開采及煤層露頭較淺等原因在采區(qū)東西兩頭及南側(cè)形成了三面火區(qū)，其溫度異常區(qū)面積達29萬m2，溫度異常區(qū)強火帶面積達4.2萬m2，約占采區(qū)總面積的6.5%?；饏^(qū)邊緣裂隙明顯，火區(qū)內(nèi)沿裂縫有青煙冒出，火勢旺盛。在未采動情況下，火區(qū)燃燒速度沿煤層傾向每年延伸2～3 m；在采動情況下，火區(qū)燃燒速度沿煤層傾向每年延伸3～5 m，難以治理。由于無法從根本上防止煤層自燃，在羊齒采區(qū)進行爆破施工無法排除火區(qū)的影響。煤層自燃造成局部溫度可達300 ℃以上，對鉆爆工作造成很大的安全隱患，也嚴(yán)重影響工程施工進度。為了確保爆破安全，現(xiàn)場總結(jié)出一套“8個孔、9個人、3 min”的作業(yè)模式，且炮孔最高溫度不能超過50 ℃，爆破規(guī)模受到極大限制；若個別炮孔局部溫度升高過快，易發(fā)生安全事故。

若要提高煤礦火區(qū)爆破規(guī)模和施工效率，主要存在以下問題：

①常規(guī)高溫炮孔溫度測試儀器不能實現(xiàn)全孔深溫度測量，無法克服煤層自燃導(dǎo)致炮孔內(nèi)溫度場不規(guī)律的問題，在煤礦火區(qū)炮孔適用性較差；

②傳統(tǒng)露天煤礦火區(qū)爆破只是對裝藥前炮孔溫度進行測量，當(dāng)炮孔內(nèi)溫度達到安全爆破條件時開始裝藥，而在裝藥過程中及裝藥結(jié)束后對炮孔溫度的監(jiān)測存在盲區(qū)，實現(xiàn)露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)全過程炮孔溫度監(jiān)控是一個技術(shù)難點；

③常規(guī)的裝藥方式直接將炸藥裝入炮孔，炸藥與周圍介質(zhì)直接接觸，存在炸藥容易泄露、受煤層自燃影響升溫過快等問題，存在由于炮孔內(nèi)局部溫度異常區(qū)導(dǎo)致炸藥早爆的安全隱患；

④常規(guī)的施工工藝嚴(yán)格控制爆破規(guī)模和作業(yè)時間，由于缺乏一整套具備安全可控、施工高效、成本低廉的露天煤礦火區(qū)爆破施工作業(yè)程序，尚無成熟經(jīng)驗可供借鑒。

2 火區(qū)爆破施工方案

2.1 炮孔溫度監(jiān)測

裝藥前和裝藥過程中對炮孔溫度的準(zhǔn)確監(jiān)控是保證露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)安全的首要條件。采用炮孔全孔深測溫裝置和全過程溫度監(jiān)控裝置，可實現(xiàn)露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)炮孔溫度監(jiān)控。

1)全孔深測溫裝置。目前，在露天礦火區(qū)爆破作業(yè)施工現(xiàn)場，一般采用熱電偶測溫儀和便攜式紅外測溫儀檢測炮孔內(nèi)的溫度，均難以實現(xiàn)對全孔深溫度測量。采用全孔深測溫裝置能夠便捷、快速、準(zhǔn)確地檢測炮孔全孔深的溫度，有效克服常規(guī)測溫手段的不足。該測溫裝置包括主機、探頭、配重件、電纜、軟件、電池、報警裝置、無線傳輸裝置、絞盤、平板電腦，測溫范圍-40～975 ℃。該測溫裝置具有數(shù)據(jù)無線傳輸、存儲功能，可為后續(xù)炮孔注水后溫度反彈變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)支撐，對掌握整個炮區(qū)高溫孔的分布具有重要意義。另外，因其電纜線上標(biāo)有刻度，使用該裝置測量溫度的同時可實現(xiàn)孔深測量，提高了工作效率。某炮孔溫度隨深度的變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 炮孔溫度隨孔深的變化關(guān)系Fig.1 Relationship between temperature changing and blasting hole depth

2)裝藥前全過程溫度監(jiān)測裝置。在火區(qū)爆破作業(yè)過程中，存在炮孔局部溫度升高過快而危及施工作業(yè)安全的可能性。采用裝藥前全過程溫度監(jiān)測裝置，實現(xiàn)裝藥作業(yè)前施工全過程孔內(nèi)溫度的實時監(jiān)測與報警，對保證施工作業(yè)安全具有重要意義。該裝置包括溫度監(jiān)測器、溫度傳感器以及連接導(dǎo)線，其中溫度傳感器為柔性熱電偶，柔性熱電偶測溫范圍為-200～1 300 ℃，能夠快速測試火區(qū)炮孔內(nèi)各個監(jiān)測點的溫度，便于安裝，測試溫度精準(zhǔn)。該裝置能夠一次性采集炮孔中多個部位的溫度值，可對局部溫度反彈較快的炮孔進行長時間監(jiān)測，當(dāng)溫度超過安全閾值時，自動報警，從而為火區(qū)爆破施工安全提供保障。

2.2 耐熱防護裝置

耐熱防護裝置從內(nèi)到外分為3層，分別由外層耐熱裝置、內(nèi)層耐熱裝置和儲水裝置組成，裝置外徑與炮孔孔徑大致相同。儲水裝置用于存儲水，其熔點為120 ℃左右，在內(nèi)部為水介質(zhì)條件下不會發(fā)生破壞。耐熱防護裝置采用耐高溫材料，能在500 ℃高溫下整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，且表面具有一定的溫度反射作用，可延緩熱量傳遞速度，從而降低裝置內(nèi)升溫速度。

耐熱防護裝置使炸藥和起爆器材處于水介質(zhì)環(huán)境，通過延緩熱量傳導(dǎo)給炸藥和爆破器材的速度來增加安全作業(yè)時間，確保施工安全。耐熱防護裝置改變了常規(guī)的“巖體→炸藥”的熱量傳遞路徑，熱傳導(dǎo)路徑改變?yōu)椤皫r體→外層耐熱裝置→內(nèi)層耐熱裝置→儲水裝置→水→炸藥”，可以降低熱傳導(dǎo)效率，延緩裝置內(nèi)升溫速度。耐熱防護裝置具有耐熱控溫特性，可實現(xiàn)露天煤礦火區(qū)快速、安全裝藥。

2.3 施工作業(yè)程序

常規(guī)深孔爆破施工作業(yè)流程：鉆孔→裝藥→填塞→聯(lián)網(wǎng)→警戒→起爆，從裝藥到起爆要完成填塞、聯(lián)網(wǎng)和警戒等一系列工作，起爆器材和炸藥在孔內(nèi)滯留時間較長。基于露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)全過程炮孔溫度監(jiān)控相關(guān)儀器以及適合露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)的耐熱防護裝置，對常規(guī)施工工藝進行優(yōu)化，總結(jié)形成與之配套的火區(qū)爆破施工作業(yè)程序。

通過對施工作業(yè)程序的調(diào)整和施工組織的優(yōu)化，使炮孔裝藥溫度安全可控，而且縮短了起爆器材和炸藥在炮孔內(nèi)的滯留時間，從而減小危險時間段。優(yōu)化后的施工工藝程序合理，涵蓋爆破設(shè)計、驗孔、測溫、降溫、控溫、裝藥、填塞、起爆等方面，具有可操作性強、流程清晰、操作簡便、施工高效、安全可控等特點；并結(jié)合相關(guān)爆破施工工法和作業(yè)規(guī)程，為露天煤礦火區(qū)爆破形成了一整套的施工方法。

3 應(yīng)用效果

在露天煤礦臺階爆破中，高溫火區(qū)嚴(yán)重影響整體工作面施工進度，制約其他平臺的爆破施工。按照常規(guī)的作業(yè)模式，寧夏汝箕溝煤礦采用“8個孔、9個人、3 min”的方式進行爆破施工。即注水降溫后炮孔內(nèi)溫度在25～49 ℃為溫度異常區(qū)，要求裝藥時爆區(qū)作業(yè)人員不超過9人，從裝藥到起爆的作業(yè)時間不超過3 min，每次爆破炮孔總數(shù)不超過8個，炮孔溫度≥50 ℃時，禁止實施爆破作業(yè)，爆破作業(yè)規(guī)模受到極大限制。

通過對常規(guī)施工工藝技術(shù)的優(yōu)化，形成適合露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)的施工方法，作業(yè)時間延長至1 h，單次爆破炮孔可達45個，炮孔溫度允許范圍從50 ℃提高至100 ℃，大幅提高了火區(qū)爆破的炮孔適用范圍，突破了傳統(tǒng)作業(yè)模式下對爆破規(guī)模、溫度以及作業(yè)時間的限制，極大提高了爆破規(guī)模和施工效率。

優(yōu)化后的施工作業(yè)程序在羊齒采區(qū)+2040水平和+2060水平的改道施工以及其他平臺的高溫火區(qū)爆破施工中試用成功，爆破效果滿足挖運要求，達到了預(yù)期效果，有效擴大了火區(qū)爆破作業(yè)范圍，加快了高溫火區(qū)的剝離速度，促使常溫區(qū)快速暴露，提高了采區(qū)爆破生產(chǎn)總量；同時減少了炮孔注水降溫用水量，減少了煤炭資源的浪費，提高了爆破施工安全性，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益，在類似工程中具有極大的推廣應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

1)采用全孔深測溫裝置和裝藥前全過程溫度監(jiān)測裝置能克服常規(guī)測溫方法的缺陷，不僅能實現(xiàn)全孔深溫度的測量，還能實現(xiàn)裝藥前全過程的溫度監(jiān)控，有效防范因炮孔溫度測量不到位而導(dǎo)致的安全隱患，為保證火區(qū)爆破施工安全提供了重要支撐。

2)采用具有耐熱控溫特性的耐熱防護裝置，提高了適用的炮孔溫度范圍，實現(xiàn)了露天煤礦火區(qū)快速、安全裝藥，加快了爆破施工進度，可節(jié)省大量的水資源，同時具有材料來源廣泛、價格低廉等優(yōu)點，為火區(qū)爆破施工安全提供了重要保障。

3)采用適合露天煤礦火區(qū)爆破的施工作業(yè)程序，覆蓋爆破設(shè)計、驗孔、測溫、裝藥、監(jiān)控等方面，具有可操作性強、流程清晰、操作簡便、施工高效、安全可控等特點，可為露天煤礦火區(qū)爆破提供系統(tǒng)的解決方案，對露天煤礦火區(qū)爆破降本增效具有重要意義。