基于PDCA循環(huán)的高溫爆破技術(shù)

謝錢斌

(宏大爆破工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣州 510623)

1 工程背景

大石頭煤礦位于賀蘭山北段汝箕溝礦區(qū)的大嶺井田內(nèi)，南北走向長992 m，東西走向?qū)?30 m，面積0.546 km2，基建區(qū)植被稀少，邊坡穩(wěn)定，山脈近南北向延伸，自東向西山勢(shì)逐漸增高，地形起伏較大，巖石多為砂巖，有少量泥巖，比較堅(jiān)硬。由于多年地下開采，各煤層均存在采空區(qū)，原煤自燃使得巷道多處存在火區(qū)和高溫區(qū)，由于資料和當(dāng)前技術(shù)限制，火區(qū)面積不詳。地下高溫限制了原有的井工礦開采，繼而轉(zhuǎn)為露天復(fù)采，井口封閉后仍有空氣進(jìn)入采煤巷道，加之放頂后進(jìn)一步加劇了氧氣滲入，與煤表面發(fā)生了物理化學(xué)反應(yīng)，放出熱量在通風(fēng)不暢的情況下造成熱量不斷聚集，煤層溫度隨之逐步上升；隨著煤溫上升，煤層及巖體內(nèi)的熱應(yīng)力逐漸增大，破壞了圍巖的穩(wěn)定性，使得煤層和巖石空隙率增大，地表裂隙逐漸增大，自由面增多，進(jìn)風(fēng)強(qiáng)度也隨之加大，加速了煤層自燃反應(yīng)形成了高溫火區(qū)，嚴(yán)重制約了露天復(fù)采的工程進(jìn)度[1]。在此之前，其他礦區(qū)基本上均以機(jī)械挖掘?yàn)橹?，成功進(jìn)行高溫爆破安全管理和施工的工程并不多見。

美國質(zhì)量管理專家戴明博士提出的PDCA循環(huán)質(zhì)量管理，通過計(jì)劃、執(zhí)行、檢查和效果處理，使任何一項(xiàng)符合邏輯的工作程序得到了有效進(jìn)行和優(yōu)化。炮孔降溫效果和網(wǎng)路安全是影響高溫爆破的重要因素，本工程將PDCA循環(huán)原理引入到安全管理工作中，并驗(yàn)證是一種有效的安全管理方法。

2 基于PDCA循環(huán)的爆破設(shè)計(jì)

2.1 工程難點(diǎn)

1)施工環(huán)境十分復(fù)雜，高溫火區(qū)分布區(qū)域不明確，經(jīng)常出現(xiàn)鉆孔注水降溫后孔溫?zé)o法達(dá)到安全爆破的情況。

2)安全要求極高，周圍露天復(fù)采基建剝離設(shè)備和人員較多需重點(diǎn)保護(hù)。

3)技術(shù)難度大，受地下自燃煤層影響，鉆孔后炮孔溫度高達(dá)100～300 ℃，普通爆破器材和爆破技術(shù)無法滿足安全生產(chǎn)的要求。

4)施工進(jìn)度要求高，受高溫火區(qū)影響，下部臺(tái)階無法正常推進(jìn)，大量設(shè)備閑置，現(xiàn)需每天約5 000 m3的火區(qū)爆破量才能按期完成生產(chǎn)任務(wù)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)布置探孔

大石頭煤礦井工開采年限較長，井下原煤自燃造成大量的保護(hù)礦柱坍塌，原有的地質(zhì)資料不能反映出準(zhǔn)確的高溫火區(qū)區(qū)域，為使工程進(jìn)度按照原計(jì)劃進(jìn)行，故在沒有完善的地質(zhì)資料的條件下，采取鉆鑿探孔的方式以了解開采范圍內(nèi)的高溫火區(qū)分布情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的施工設(shè)備情況，選擇直徑138 mm潛孔鉆機(jī)，分別在每個(gè)平臺(tái)沿東西走向和南北走向每隔50 m鉆1個(gè)深度約為15 m的鉆孔，成孔后用紅外線測(cè)溫儀記錄原始溫度并用鐵板進(jìn)行覆蓋加以保護(hù)，并設(shè)置安全告示。

2.3 降溫方案

2.3.1 孔溫現(xiàn)狀及降溫要求

對(duì)需要爆破的區(qū)域鉆鑿120個(gè)探孔后用紅外線測(cè)溫儀測(cè)溫，得知現(xiàn)開采區(qū)域內(nèi)70%探孔的溫度介于80～230 ℃之間，20%探孔溫度高于230 ℃，10%探孔溫度低于80 ℃；前期大量實(shí)驗(yàn)證明：乳化炸藥、電雷管、導(dǎo)爆索在100 ℃的環(huán)境中6 h內(nèi)爆炸性能稍有降低，但不會(huì)發(fā)生爆炸，因此將高溫火區(qū)的溫度降至100 ℃以內(nèi)，安全施工才有保障。通常情況下對(duì)炮孔采用輪流降溫，一段時(shí)間后對(duì)炮孔溫度進(jìn)行復(fù)測(cè)，檢測(cè)分析其中35個(gè)炮孔溫度合格， 65個(gè)炮孔溫度不合格。

2.3.2 原因分析

通過對(duì)鉆孔后的孔溫，降溫時(shí)間，降溫用水量，持續(xù)時(shí)間，孔壁完整情況等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出了降溫不合格的原因，并得出影響因素統(tǒng)計(jì)表(見表1)。

表1 炮孔降溫影響因素統(tǒng)計(jì)

2.3.3 目標(biāo)確認(rèn)

通過炮孔降溫影響因素分析確定：孔溫高于300 ℃、水量不足、降溫時(shí)間過短為A類問題，需要制定有效的對(duì)策進(jìn)行重點(diǎn)管理；將累計(jì)頻率80%～90%區(qū)間的定為B類問題,即次要問題，孔內(nèi)裂隙過多、管內(nèi)直接出水等問題應(yīng)照常規(guī)適當(dāng)加強(qiáng)管理。

2.3.4 對(duì)策制定

參考以往類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，炮孔溫度高于230 ℃高溫炮孔需持續(xù)降溫，且降溫時(shí)間保證在24 h以上，降溫效果明顯，停止注水15 min后，炮孔溫度不高于80 ℃。運(yùn)用此方法需保證2套及以上給水管線設(shè)備，1臺(tái)工作，1臺(tái)檢修備用，以保證降溫過程持續(xù)進(jìn)行。

溫度介于80～230 ℃之間的炮孔可采用2輛15 t的灑水車，外接消防軟管和分水器，輪流對(duì)炮孔進(jìn)行注水降溫，每隔3 h用熱電偶測(cè)溫儀對(duì)降溫后的炮孔進(jìn)行測(cè)溫并記錄。因本區(qū)域范圍內(nèi)的炮孔溫度跨度范圍大，故需通過分水器流量調(diào)節(jié)閥，及時(shí)調(diào)配每個(gè)炮孔的注水流量，合理利用水資源，保證每個(gè)炮孔在爆破前均降至80 ℃以下，可進(jìn)行安全爆破。

230 ℃以下的區(qū)域通常一次可爆破9個(gè)炮孔，故采用9口分水器，分水器進(jìn)水端頭連接消防軟管，給水管和灑水車都能與其進(jìn)行任意切換，以便縮短停水時(shí)間改善降溫效果；降溫過程中密切觀測(cè)炮孔內(nèi)水位情況，及時(shí)調(diào)整注水流量。

2.4 爆破方案

2.4.1 高溫火區(qū)爆破設(shè)計(jì)

高溫火區(qū)爆破作業(yè)嚴(yán)格遵守爆破安全規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，通過對(duì)諸多類似礦山開采爆破的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，為保證爆破質(zhì)量，提高臺(tái)階平整度，爆破一般采用三角形布孔方式，布孔參數(shù)為6.5 m×4.0 m，遇特殊情況，也用單排布孔、矩形布孔方式。巖石剝離鉆孔選用138 mm孔徑潛孔鉆機(jī)，所有的潛孔鉆機(jī)必須安裝除塵裝置方可作業(yè)。臺(tái)階高度10 m，考慮到注水降溫過程中會(huì)有部分碴料和孔壁碎石在水流的沖刷下進(jìn)入炮孔，沉積在孔底，故炮孔深度不小于13.5 m，實(shí)際裝藥前炮孔深度不大于13.0 m?，F(xiàn)場(chǎng)穿孔地形多為砂巖、頁巖、泥巖，鉆孔必須保證爆破最小抵抗線3.5 m，鉆孔過程中，遇到裂隙、坍塌、采空區(qū)等情況，應(yīng)及時(shí)匯報(bào)。鉆孔時(shí)如遇煤層應(yīng)立即停止鉆孔作業(yè)，并回填至煤層頂板上0.5 m才準(zhǔn)爆破，防止破壞煤層。

2.4.2 爆破參數(shù)

孔距6.5 m，排距4.0 m；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形布置2排梅花形鉆孔，布孔直徑138 mm;最小抵抗線W=3.5 m;孔深H=13 m;單孔裝藥量按下式確定[2-4]：

Q=qabH

(1)

式中 ：Q為單孔裝藥量，g；q為單位體積炸藥消耗量，一般取0.4～0.5 kg/m3；a為孔距，m；b為排距，m；H為炮孔深度，m。

根據(jù)理論公式計(jì)算和實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)確定，干孔選擇粉狀乳化炸藥裝藥：露天礦臺(tái)階高度h=10 m，超深h1=3.5 m，炸藥單耗q=0.40 kg/m3，單孔藥量Q1=100 kg。

全水孔裝藥：選擇直徑為110 mm膠狀乳化炸藥，延米裝藥量為11 kg/m，裝藥長度約為9.1 m，單孔裝藥量100 kg，炸藥單耗不變，仍能滿足爆破效果的要求。

對(duì)于含水量較少或孔底積水的炮孔，選擇膠狀乳化炸藥裝藥；無論選擇何種炸藥裝藥時(shí)填塞長度均不低于4 m，大于20倍炮孔直徑，以滿足安全需求。

2.4.3 爆破網(wǎng)路與現(xiàn)狀

此前的爆破網(wǎng)路多數(shù)采用導(dǎo)爆管雷管起爆地表主導(dǎo)爆索，繼而引爆與其“T”型連接的孔內(nèi)導(dǎo)爆索，起爆炸藥在延時(shí)方面，第1排采用MS1雷管，第2排采用MS3雷管，爆后檢查盲炮包含以下2種情況：①起爆雷管未起爆造成第1排未起爆，或第2排未起爆，或均未起爆；②起爆雷管已起爆，但出現(xiàn)部分炮孔未起爆。安全隱患大，排除比較困難。

2.4.4 原因分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察、收集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，造成盲炮的原因：①導(dǎo)爆管橫跨地表裂隙時(shí)，逸出的高溫蒸汽將導(dǎo)爆管燙斷，不能傳爆至雷管進(jìn)而未能起爆主導(dǎo)爆索；②主導(dǎo)爆索已起爆，但“T”型搭接處角度有誤，未能起爆支路導(dǎo)爆索；③孔內(nèi)填塞段導(dǎo)爆索直接與高溫巖石接觸被燙斷。

2.4.5 對(duì)策制定

參考以往類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)決定，采用孔外電雷管起爆導(dǎo)爆索的網(wǎng)路，導(dǎo)爆索下放至孔底，在施工中采取如下措施：

1)爆破網(wǎng)路為孔外延時(shí)導(dǎo)爆索網(wǎng)路。第1排孔孔外采用MS1電雷管，第2排孔孔外采用MS3電雷管，每孔外2發(fā)電雷管，選用同廠同批的電雷管，導(dǎo)通電阻差值不大于0.2 Ω并通過調(diào)節(jié)腳線長度，使其電阻值相等，檢測(cè)合格后并聯(lián)，將每個(gè)孔的起爆雷管與主網(wǎng)路串聯(lián)；

2)爆破母線的敷設(shè)要避開裝藥人員的撤離路線，以防撤離過程中踩壞網(wǎng)路；遵循“先導(dǎo)通后放線”的原則，并記錄電雷管和母線的總電阻，起爆前不間斷地檢測(cè)爆破網(wǎng)路情況，以防操作過程中的失誤造成高溫盲炮；

3)對(duì)距離孔口4 m的填塞段導(dǎo)爆索進(jìn)行隔熱防護(hù)即包裹隔熱玻璃纖維棉；與電雷管采用正向連接，用膠帶綁扎5～8層，孔內(nèi)使用導(dǎo)爆索連接起爆藥包，連接后形成簡單的單向傳爆起爆網(wǎng)路。

3 爆破安全防護(hù)措施

1)嚴(yán)格測(cè)溫：裂隙發(fā)達(dá)區(qū)的高溫炮孔降溫后最容易產(chǎn)生溫度升高反彈現(xiàn)象，經(jīng)過注水降溫的炮孔內(nèi)有大量水蒸氣，普通測(cè)溫儀無法準(zhǔn)確測(cè)溫，因此采用多點(diǎn)式熱電偶測(cè)溫儀嚴(yán)格準(zhǔn)確地測(cè)量孔溫；準(zhǔn)確記錄，確定可以進(jìn)行裝藥爆破的炮孔。

2)注水降溫：鉆孔后200 ℃以上的炮孔使用給水管，配備9孔分水器，根據(jù)孔溫變化情況調(diào)整每孔注水量，孔溫較高時(shí)可在水中加入適量的CaCl2、MgCl2改善降溫效果。

3)復(fù)測(cè)孔深：對(duì)降溫后的炮孔采用直徑130 mm的重錘繩進(jìn)行下放實(shí)驗(yàn)，復(fù)測(cè)孔深，掌握有無卡孔情況，根據(jù)孔深準(zhǔn)備每個(gè)炮孔所需要的炸藥量，如重錘能順利通過，則絕熱護(hù)套包裹的藥包也能順利裝入孔內(nèi)。

高溫炮孔降溫用水量大，降溫時(shí)間長，孔口的碴料易隨水流進(jìn)入炮孔造成堵塞，因此鉆孔后應(yīng)及時(shí)清理孔口周邊碴料，做好護(hù)孔工作。

4)隔熱防護(hù)：全水孔時(shí)，可將直徑110 mm的煤礦許用2#巖石乳化炸藥逐條放入炮孔，為了加快其下沉速率，可在藥卷中塞入2個(gè)小石塊，邊裝藥邊用竹木炮棍下壓，減少裝藥時(shí)間。

孔內(nèi)有部分積水的炮孔，可將直徑110 mm的煤礦許用2#巖石乳化炸藥裝進(jìn)直徑125 mm隔熱裝置，其外層與高溫孔壁、水等外界環(huán)境直接接觸，裝藥過程中受到上部藥卷的作用力、熱輻射、熱對(duì)流作用較強(qiáng)，故要求使用具有一定強(qiáng)度，且耐高溫、防水、柔性隔熱材料，大量實(shí)驗(yàn)表明以玻璃纖維為主材的海泡石能滿足要求，且可以在其外層涂覆一層聚氨酯改性氯丙樹脂反射型隔熱材料，以減少部分輻射熱的吸收。內(nèi)層材料選擇導(dǎo)熱系數(shù)較小的隔熱泡沫橡膠，并在其表面可涂覆1 層如紅外發(fā)射粉末類的輻射型隔熱材料，使得其內(nèi)部熱量能夠以熱發(fā)射的形式輻射出去，以保持炸藥低溫的特點(diǎn)[5]。

對(duì)降溫后孔內(nèi)無積水的干孔，可根據(jù)其深度下放對(duì)應(yīng)長度(比孔深長20 cm)的柔性伸縮鋼絲帆布管，外側(cè)涂有上述隔熱材料，直徑125 mm，在孔口位置用特制的 “井”字型卡具將其固定，以防滑落，可快速將導(dǎo)爆索和粉狀乳化炸藥裝入其中。

在高溫火區(qū)爆破中導(dǎo)爆索的傳爆性能是安全施工的必要保證，因此，本工程采用每孔雙股導(dǎo)爆索并聯(lián)后，填塞段加套隔熱保溫棉，下墜重物放置孔底。

每個(gè)孔口放置2個(gè)小沙包，電雷管與導(dǎo)爆索連接后，包裹隔熱保溫棉，用沙包一上一下壓緊，防止高溫蒸汽從地表裂隙逸出燙斷導(dǎo)爆索或加熱電雷管造成早爆、誤爆等安全事故。

5)反程序施工：在高溫火區(qū)爆破中，裝藥后，炸藥和導(dǎo)爆索急速受熱，是深孔高溫爆破的危險(xiǎn)期，最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全起爆是最大的安全保障；故在復(fù)測(cè)孔溫和孔深確定能進(jìn)行裝藥起爆前，必須對(duì)爆區(qū)300 m范圍內(nèi)進(jìn)行安全警戒，確定具備安全爆破的條件后，在炮孔周邊放置適量的填塞碴料，根據(jù)孔深和炮孔含水情況確定合適的炸藥類型、炸藥量以及絕熱措施。采用此方法施工具有工藝簡單、現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng)、施工安全系數(shù)高、施工成本低等特點(diǎn)[6]。

為了保證裝藥的速度，進(jìn)行深孔高溫爆破孔數(shù)不宜過多，一般為9 個(gè)，炮孔不宜太深，降溫后孔深不超過13 m，堅(jiān)持“少孔多爆”的原則，深孔高溫爆破必須嚴(yán)格按照爆破安全規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行爆破作業(yè)。

6)裝藥異常情況的處理：裝藥時(shí)每人負(fù)責(zé)一個(gè)炮孔的裝藥和填塞工作，爆破總指揮在爆區(qū)外持對(duì)講機(jī)和起爆站網(wǎng)路監(jiān)測(cè)人員保持溝通；裝藥過程中如遇網(wǎng)路斷路，爆破總指揮應(yīng)立即下令停止裝藥，采取安全措施后檢查網(wǎng)路，重新連接，檢測(cè)合格后方可繼續(xù)施工；遇到個(gè)別炮孔裝藥卡孔時(shí)，應(yīng)立即放棄裝藥，將剩余的炸藥搬至作業(yè)區(qū)外，盡快撤離至安全區(qū)域，等待起爆。

4 爆破施工與效果

高溫火區(qū)爆破需要經(jīng)驗(yàn)豐富的爆破從業(yè)人員進(jìn)行裝藥作業(yè)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安全技術(shù)交底：①按炮孔分配裝藥人員， 裝藥前理順導(dǎo)爆索，謹(jǐn)防下放過程中打結(jié)，并對(duì)準(zhǔn)備裝藥的全部炮孔進(jìn)行檢查。②從炸藥運(yùn)入現(xiàn)場(chǎng)開始，先確定警戒區(qū)范圍，后搬運(yùn)炸藥至爆破作業(yè)區(qū)；搬運(yùn)過程中應(yīng)輕拿輕放，沿孔壁緩慢下放，經(jīng)過絕熱加工的藥卷，裝藥填塞結(jié)束后，迅速撤至爆破警戒區(qū)外，嚴(yán)禁再進(jìn)入爆區(qū)進(jìn)行其他作業(yè)。③爆破作業(yè)前用GPS和RTK做好孔位坐標(biāo)和裝藥量原始記錄，如出現(xiàn)盲炮可根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行放樣，以便減少盲炮排除工作，提高其作業(yè)效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高溫火區(qū)安全高效爆破的目標(biāo)。④裝藥過程中發(fā)生卡堵，導(dǎo)爆索損壞，嚴(yán)禁用炮桿進(jìn)行處理，并及時(shí)向炮區(qū)負(fù)責(zé)人匯報(bào)，插上標(biāo)志，按盲炮處理。⑤裝藥時(shí)，每人負(fù)責(zé)一個(gè)炮孔，其他無關(guān)人員嚴(yán)禁入內(nèi)。⑥遵守勞動(dòng)紀(jì)律，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工。

本工程采用PDCA循環(huán)安全管理后未發(fā)生一起盲炮等安全事故，爆破效果良好，實(shí)現(xiàn)了高溫火區(qū)安全快速施工，爆后效果如圖1所示，可為今后類似工程提供參考。

圖1 爆后效果