大南湖二號露天煤礦燒變巖石爆破試驗

沈君東，李 超，王 瑋

（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）

燒變巖石區(qū)巖體巖石密度較小，呈紅褐色，屬易碎裂巖石，耐凍性差，抗風(fēng)化能力弱。巖體裂隙、孔隙相對發(fā)育，結(jié)構(gòu)面粗糙，巖體完整性差，同時巖石中存在大量燒變程度較高，較硬的孤石，巖段巖石質(zhì)量以極劣為主，巖體破碎，穩(wěn)固性差。

巖石的爆破破碎主要是炸藥爆炸應(yīng)力波和爆炸氣態(tài)產(chǎn)物膨脹共同作用的結(jié)果，要保證燒變巖石爆破質(zhì)量，就必須保證鉆孔質(zhì)量、裝藥質(zhì)量和填塞質(zhì)量。大南湖二號露天煤礦前期燒變巖石區(qū)采用金科590型潛孔鉆機、恒特HT150 型一體化潛孔鉆機、SWD138R 型一體化潛孔鉆機進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

由于燒變巖石性脆易碎，前期鉆孔過程中風(fēng)機吹渣壓力加大導(dǎo)致炮孔吹成空洞，提桿后炮孔下部坍塌，孔深達(dá)不到裝藥要求，無法有效裝藥[1]；風(fēng)機吹渣壓力減小會導(dǎo)致孔內(nèi)碎渣太多，無法取出，提桿后碎渣滑落，無法成孔；綜合造成現(xiàn)場鉆孔成孔率低，孔深達(dá)不到設(shè)計要求，無法裝藥，爆破效果差[2]。目前燒變巖石區(qū)正位于采場推進(jìn)方向，無法解決鉆孔爆破質(zhì)量問題，將直接影采場剝離及采煤工作，為此，開展燒變巖石爆破實驗研究勢在必行。

1 礦山概況

大南湖二號露天煤礦位于新疆哈密市，屬哈密市南湖鄉(xiāng)管轄，距哈密市區(qū)約84 km，位于大南湖煤田的西部，哈密市南-西南方向，直線距離50～70 km，設(shè)計能力為1 000 萬t／a，境界內(nèi)最大采深670 m。

大南湖二號露天煤礦位于殘丘臺地區(qū)，殘丘山體低而散亂，山頂渾圓，相對高差不大，干谷寬闊，臺地臺面較平坦，地表被殘積、坡積的巖屑層所覆蓋，通稱戈壁（南湖戈壁）。礦區(qū)及其周邊50 km 范圍內(nèi)無地表水系，礦田內(nèi)為無地表植被的荒漠區(qū)。

燒變巖石區(qū)（燒變巖石區(qū)域）位于大南湖二號礦田中北部及礦田東部。燒變巖石是煤層自燃導(dǎo)致煤層上覆巖系及圍巖燒變、烘烤，使變形特性原本塑性的巖石變的性脆易碎，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體呈片狀、板狀、碎塊狀、楔形、菱形體等。愈鄰近燃燒煤層的頂板，巖貌顯現(xiàn)為熔融巖，以局部發(fā)育微小的氣孔構(gòu)造為特征。總體燒變巖段巖貌以紅色色調(diào)為主，次為淺黃、黃、灰白等雜色。

燒變巖石區(qū)東西長約3 800 m，南北寬約1 800 m，火燒面積大約為7.06 km2，該巖段在三維空間的分布形態(tài)較為復(fù)雜，燒變巖厚為0～87.55 m，最深為87.55 m。

根據(jù)采樣鉆孔巖石測試成果統(tǒng)計，采區(qū)內(nèi)以粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，剝離物強度小于6 MPa的巖石比例約為7.5%，介于6～15 MPa 的巖石占66%，大于15 MPa 的巖石占26%，煤系地層巖性多以泥巖、泥質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖為主。剝離物強度不均一，巖層對比較困難，巖石強度在平面上變化較大。

大南湖二號露天煤礦剝離開采工藝采用單斗-卡車間斷開采工藝，采煤開采工藝采用單斗-卡車-半移動式破碎站-帶式輸送機半連續(xù)開采工藝，煤系地層上覆剝離及層間厚層剝離的標(biāo)準(zhǔn)臺階高度10 m，即燒變巖石區(qū)正常臺階高度為10 m。

2 燒變巖石爆破試驗

2.1 燒變巖石區(qū)臺階分層爆破試驗

針對現(xiàn)有潛孔鉆機進(jìn)行燒變巖石區(qū)鉆孔作業(yè)時，成孔率低，孔深達(dá)不到設(shè)計要求情況，研究決定將燒變巖石區(qū)爆破臺階由原來的10 m 臺階調(diào)整為5 m，各臺階分層進(jìn)行爆破[3]，減少炮孔深度、增加鉆孔成功率，以達(dá)到良好爆破效果，同時滿足現(xiàn)場采剝設(shè)備分層采剝要求。上層5 m 爆破采剝后將作業(yè)面平整完畢再次進(jìn)行鉆孔、爆破及剝離作業(yè)，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)要求。

單純采用臺階分層爆破，減少了單個炮孔深度，鉆孔成功率有所增加，但增加有限，而且此方法將10 m 臺階分為兩次爆破，增加作業(yè)程序，單次爆破量較低，采剝效率不高，且局部焦結(jié)塊由于孔網(wǎng)參數(shù)較大[4]，未進(jìn)行有效鉆孔爆破，挖運后仍形成孤石、大塊，需液壓破碎錘二次處理。

2.2 孔網(wǎng)參數(shù)和孔徑調(diào)整爆破試驗

根據(jù)大南湖二號露天煤礦采場巖石性質(zhì)及日常爆破經(jīng)驗，現(xiàn)用燒變巖石區(qū)爆破孔網(wǎng)參數(shù)為排距5 m，孔距9 m 或者排距5 m，孔距7 m，鉆孔直徑138 mm，但通過臺階分層爆破試驗發(fā)現(xiàn)局部焦結(jié)塊由于孔網(wǎng)參數(shù)較大，未進(jìn)行有效鉆孔爆破，挖運后仍形成孤石、大塊[5]，且部分炮孔為實現(xiàn)有效鉆孔深度必須加大風(fēng)壓，吹出碎渣，138 mm 鉆孔直徑加大風(fēng)壓后直接導(dǎo)致炮孔被吹成150 mm 甚至180 mm 直徑炮孔，或底部直接形成空洞，無法裝藥。

針對此情況，進(jìn)行孔網(wǎng)參數(shù)調(diào)整，孔排距調(diào)整為排距5 m，孔距5 m，增加鉆孔密度；同時縮小鉆孔直徑[6]，孔徑由138 mm 降低為120 mm，在鉆孔過程中適當(dāng)加大風(fēng)壓，提高鉆孔成功率、合格率。

采用臺階分層爆破，同時將孔距、排距由原來的9、5 m 和7、5 m 調(diào)整為5、5 m，鉆孔直徑調(diào)整為120 mm，鉆孔成孔率增加的同時，增加了鉆孔密度，有效對未知焦結(jié)塊進(jìn)行鉆孔，但同時出現(xiàn)新的問題，鉆孔密度增加后[7]，每到焦結(jié)塊區(qū)域鉆孔時，現(xiàn)有潛孔鉆機仍無法有效成孔，形成部分孤石，需破碎錘二次處理，無法根本解決燒變巖石區(qū)鉆爆問題。

2.3 合金套管和PVC 管護(hù)壁成孔試驗

通過前期試驗中對燒變巖石區(qū)臺階高度、孔網(wǎng)參數(shù)、孔徑等方面進(jìn)行調(diào)整試驗，可知受鉆機設(shè)備限制，無法從根本上解決燒變巖石區(qū)鉆孔問題，爆破效果仍無法保證，對現(xiàn)有鉆機設(shè)備進(jìn)行改造調(diào)整。

具體工藝改裝方案如下：①擬改裝1 臺φ70 mm鉆桿的鉆機；②將現(xiàn)有φ120 mm 沖擊鉆頭改裝成φ156 mm 偏心鉆頭；③將現(xiàn)有φ120 mm 的定位套改裝成φ170 mm 定位套；④為鉆機準(zhǔn)備4 根外徑φ168 mm 的高強度合金套管，套管長度為1.5 m，以及φ120 mmPVC 管（防靜電）若干。

作業(yè)過程：鉆機進(jìn)行第1 根長3 m 鉆桿鉆進(jìn)前，將高強度長1.5 m 合金套管套在鉆桿上，套管隨鉆頭鉆進(jìn)沉入炮孔內(nèi)部。鉆孔深度達(dá)到1.5 m，進(jìn)行提鉆、卸鉆桿作業(yè)，加上第2 根套管，以此類推，直至4根套管增加完畢，鉆孔深度達(dá)到6 m。然后進(jìn)行提鉆、卸鉆桿、鉆頭作業(yè)，此時套管上部掛住孔口，臨時支護(hù)孔壁，將φ120 mm 的PVC 管放入炮孔中，然后將合金套管固定在鉆架上，提鉆拉出合金套管。

通過進(jìn)行鉆機設(shè)備改裝調(diào)整，現(xiàn)場選取作業(yè)區(qū)域進(jìn)行鉆孔試驗，但此次鉆機改造，現(xiàn)場實際操作復(fù)雜、效率低下，未能達(dá)到預(yù)期試驗效果，且各項材料使用成本較高，不具備大規(guī)模應(yīng)用條件[8]。

2.4 適合燒變巖石的鉆機設(shè)備改造試驗

通過前期燒變巖石區(qū)爆破試驗，為從根本上解決燒變巖石區(qū)鉆孔、成孔及爆破問題，又聯(lián)系鉆機廠家生產(chǎn)人員，經(jīng)多方研究，結(jié)合相關(guān)資料，以及對燒變巖石區(qū)巖性進(jìn)一步分析，最終決定使用2 臺山工170 改裝型鉆機進(jìn)行燒變巖石區(qū)鉆孔作業(yè)，該鉆機安設(shè)有除塵設(shè)施及注漿設(shè)施，可根據(jù)不同地層選擇注漿或填土造孔（漿水中有高度黏合劑），以此達(dá)到鉆孔完整穩(wěn)定的目的。結(jié)合燒變巖石區(qū)實際情況，計劃在鉆機鉆孔過程中，減小風(fēng)壓，通過注漿設(shè)施不斷向孔壁注入防塌劑，防塌劑通過鉆桿旋轉(zhuǎn)及吸附作用吸附在孔壁表面，形成1 層良好的吸附層，抑制巖石的碎裂分散，以此達(dá)到保護(hù)炮孔、提高成孔率的作用。

現(xiàn)場采用山工170 改裝型鉆機進(jìn)行鉆孔作業(yè)，通過添加黏合劑護(hù)孔，鉆孔成孔率大大提高，且遇到堅硬焦結(jié)塊也可正常鉆孔，鉆孔深度也全部在5 m以上，深度均勻，臺階面鉆孔作業(yè)能按照鉆孔設(shè)計開展，作業(yè)效率雖有降低，但基本滿足燒變巖石區(qū)挖運進(jìn)度，同時爆破質(zhì)量提高，大塊、孤石大大減少，配合免爆，輕松平整作業(yè)面，為二次5 m 鉆爆作業(yè)提供作業(yè)條件，從根本上解決了燒變巖石區(qū)鉆爆問題。

3 結(jié)語

1）通過對燒變巖石區(qū)臺階高度、孔網(wǎng)參數(shù)、孔徑及鉆機設(shè)備等方面的不斷試驗探索，單一調(diào)整無法從根本上解決燒變巖石鉆爆破問題，單一調(diào)整存在效果差、效率低、經(jīng)濟花費高等明顯缺點。最終采用分臺階爆破，臺階高度調(diào)整為5 m、鉆孔直徑定為120 mm、孔網(wǎng)參數(shù)調(diào)整為孔距5 m 排距5 m，同時使用山工170 改裝型鉆機進(jìn)行鉆孔作業(yè)，多措并舉，進(jìn)行爆破實驗總結(jié)。

2）半臺階調(diào)整后，結(jié)合現(xiàn)有改裝鉆機特點，鉆孔效率和普通臺階鉆孔相比無變化，滿足現(xiàn)場施工進(jìn)度要求；經(jīng)濟效益方面，山工170 改裝型鉆機新增注漿、注水部，成本增加較小，在合理范圍內(nèi)；爆破效果方面，相較于以往燒變巖石區(qū)作業(yè)從根本上改善了爆破質(zhì)量，無高大孤石遺留，爆破產(chǎn)生大塊在可控范圍內(nèi)，作業(yè)面及邊幫平整度大大改善，滿足標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)要求，同時也為類似性質(zhì)巖石鉆爆開采作業(yè)提供參考。