將軍戈壁二號露天煤礦剝離臺階爆破大塊產(chǎn)生的原因及解決措施

甘懷軍

（新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100）

目前，深孔臺階爆破是露天煤礦巖石爆破中普遍采用的爆破方法[1]。但在露天煤礦深孔臺階爆破時普遍存在大塊率偏高的問題，爆破大塊率高直接影響挖掘機采裝作業(yè)效率，制約露天礦剝離進度，增加露天礦剝離成本，同時增加二次破碎大塊的工程量和成本；另外，爆破大塊裝入礦用卡車后，在運輸過程中存在大塊掉落的風險，進入排土場后還有導致礦用卡車排卸困難、車頭上翹甚至滑下排土臺階的風險，所以爆破大塊的產(chǎn)生嚴重影響露天礦開采的工作效率、采礦成本及生產(chǎn)安全[2]。因此，分析露天礦爆破大塊產(chǎn)生的部位和原因，提出切實可行的解決措施具有十分重要的意義。

1 工程概況

將軍戈壁二號露天煤礦地處準東煤田內(nèi)，產(chǎn)能為20.00 Mt/a，剝離采用單斗－卡車間斷生產(chǎn)工藝，主要采用的設(shè)備為5～10 m3的單斗液壓反鏟和80～100 t 的礦用卡車，剝離量約6 000 萬m3/a，屬特大型露天煤礦。礦田地層主要以泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，夾少量的砂巖，＋485～＋515 m 水平賦存部分含水砂巖，巖石中軟硬夾層較多，巖石強度小于6 MPa 的軟巖類比例約為1.88%，介于6～15 MPa 的中硬巖類比例約為37.22%，大于15 MPa 的硬巖類比例約占60.9%。為了提高采裝設(shè)備作業(yè)效率，除第四系表土外，其余巖石需進行預先松動爆破，結(jié)合該礦設(shè)備選型，將爆破大塊尺寸限定為≤1 500 mm，大塊率限定為每1 萬m3不超過3 塊。根據(jù)設(shè)計，巖石爆破臺階高度H＝15 m，工作幫巖石臺階坡面角為75°，到界幫巖石臺階坡面角為65°，鉆機選用金科JK810、JK730 型履帶式液壓潛孔鉆機，鉆孔直徑D＝115 mm，起爆方法采用高精度數(shù)碼電子雷管起爆法和導爆索起爆法，起爆藥包為2 號巖石乳化炸藥，炸藥采用混裝乳化炸藥、混裝多孔粒硝酸銨油炸藥。

2 大塊分布及產(chǎn)生原因

1）礦巖石具有軟硬夾層多。硬巖分布不均勻，部分巖石含水等特點，巖石結(jié)構(gòu)比較復雜。經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計分析，爆破大塊產(chǎn)生的部位主要集中在下列區(qū)域：①靠近孔口爆破填塞段部位；②最前排炮孔臨空面；③含水巖層區(qū)域；④局部硬巖賦存區(qū)域；⑤地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜區(qū)域，如軟硬夾層結(jié)合區(qū)域，結(jié)構(gòu)面發(fā)育的區(qū)域；⑥底盤抵抗線過大的區(qū)域；⑦爆破最后1 排孔拉裂的位置；⑧相鄰爆破區(qū)域交界處。

2）爆破大塊產(chǎn)生的原因。①炮孔填塞段過長，炸藥爆破時能量集中在下部巖石，爆破能量傳輸至填塞段時不足以對巖石進行充分破碎；②最前排炮孔臨空面在上一循環(huán)爆破時因爆破后沖作用產(chǎn)生了爆破裂隙和結(jié)構(gòu)面，造成爆破泄能，炸藥爆炸時產(chǎn)生的爆轟波和爆轟氣體未能充分作用于巖石，同時由于最前排巖石處于臨空側(cè)，爆破后相互擠壓碰撞的作用減弱；③自由面臺階坡面平整度較差，導致前排抵抗線不均勻，爆破作用力朝抵抗線小的方向泄能，作用力不均衡；④對于含水巖石爆破臺階，鉆孔完畢后孔內(nèi)積水，和巖粉混合形成泥漿糊于孔壁，導致裝藥不連續(xù)，炸藥不能穩(wěn)定傳爆，填塞時就近取用巖粉填塞，巖粉和水混合形成泥漿填塞段，和孔壁摩擦力減小，填塞施工質(zhì)量不高會導致填塞物料浮于積水之上，使得填塞長度不足，造成爆破沖孔；⑤孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計針對性不強，局部硬巖區(qū)域孔網(wǎng)參數(shù)選取過大，爆破產(chǎn)生的能量不能充分破碎巖石[3]；⑥部分巖石構(gòu)造復雜，存在結(jié)構(gòu)面和軟弱夾層，導致爆破產(chǎn)生的爆轟波衰減或阻斷，同時爆轟氣體沿裂隙處逸出，致使被爆巖體得不到足夠的爆炸能量[4]；⑦爆破時孔邊距選擇過大或爆破自由面臺階坡面角偏小，底盤抵抗線偏大，導致被爆巖體不能充分破碎產(chǎn)生大塊[5]；⑧最后1 排炮孔爆破時產(chǎn)生后沖作用，導致在未爆巖體交界處產(chǎn)生爆破裂隙形成大塊；⑨相鄰爆區(qū)交界處，先爆破區(qū)域爆破時導致相鄰爆區(qū)未爆巖體產(chǎn)生后沖裂隙，后爆破時在裂隙區(qū)域產(chǎn)生爆破大塊。

3 降低大塊率的解決措施

3.1 選擇合理的爆破參數(shù)

1）炮孔直徑、孔排距及布孔方式。為了取得良好的爆破效果，選用115 mm 直徑的鉆孔，采用“梅花形”布孔方式，并適當加密孔排距，通?？拙酁?～7 m，排距為4～5 m，現(xiàn)場根據(jù)孔深和巖石地質(zhì)條件進行靈活調(diào)整，加密孔排距后，爆破漏斗交叉更密集，就能更有效的破碎巖石，減小大塊率。

2）鉆孔角度。鉆孔布置示意圖如圖1，采掘帶寬度為32 m，每次布置7 排炮孔，通常前6 排炮孔角度為90°，最后1 排炮孔角度為75°，最后1 排炮孔采用傾斜孔，可以減小最后1 排炮孔底盤抵抗線長度，從而減弱爆破時對未爆巖體的后沖拉裂作用，進而減少最后1 排炮孔拉裂大塊數(shù)量，另外還能增加采裝后臺階坡面的平整度，為下1 個爆破循環(huán)創(chuàng)造良好的自由面和均勻的底盤抵抗線，減少自由面爆破大塊。

圖1 鉆孔布置示意圖

3）底盤抵抗線。根據(jù)鉆孔作業(yè)的安全條件：Wd≥Hcota＋B。式中：Wd為底盤抵抗線；H 為爆破臺階高度，m；a 為臺階坡面角，（°）；B 為炮孔中心至臺階坡頂線的安全距離，通常B≥2.5～3 m。在保證鉆機作業(yè)安全條件下，同時為后排孔創(chuàng)造良好自由面保證爆區(qū)順利推出，應相對減小底盤抵抗線，根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)，Wd取6.5～7 m，巖石結(jié)構(gòu)較完整時取6.5 m，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育時取7 m。

4）超深。超深是指炮孔超過臺階底盤水平的深度，其主要作用在于降低裝藥中心以克服底盤的阻力。通常h＝（8～12）D，式中:h 為超深，m；D 為炮孔直徑，mm；根據(jù)實際情況，超深h 取值范圍為1～1.5 m，當?shù)妆P抵抗線較小或被爆巖體較軟、節(jié)理裂隙發(fā)育時取1 m，當?shù)妆P抵抗線較大或被爆巖體硬度大、含水時取1.5 m。

5）裝藥結(jié)構(gòu)。根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場根據(jù)每個爆區(qū)巖石特點采取集中裝藥和軸向不耦合裝藥的裝藥方式，裝藥結(jié)構(gòu)圖如圖2。當巖石結(jié)構(gòu)均質(zhì)單一時，采取集中裝藥的方式，起爆藥包位于藥柱下部；當巖石中含有軟弱夾層時，采取軸向不耦合裝藥方式，在軟弱夾層位置放置空氣間隔器，起爆藥包位于藥柱下部。爆破時采用反向起爆法，延長爆轟氣體對孔壁的作用時間，提高能量利用率[6]。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)圖

6）起爆網(wǎng)絡及微差時間間隔。為提高爆破質(zhì)量，采用高精度數(shù)碼電子雷管斜線逐孔爆破網(wǎng)絡[7]，孔間微差時間為17 ms，排間微差時間為43 ms，逐孔起爆可增強炮孔之間的爆破擠壓作用，起到加強破碎的效果，提高爆破質(zhì)量，降低大塊率。逐孔爆破網(wǎng)絡圖如圖3。

圖3 逐孔爆破網(wǎng)絡圖

3.2 降低不均勻硬巖爆破大塊率措施

1）加密孔排距和增加炸藥單耗。針對爆區(qū)中間夾雜的硬巖，采取局部加密孔排距和增加炸藥單耗的措施，達到對硬巖破碎的目的，針對爆破臺階高度為15 m 的情況，通常采用的孔網(wǎng)參數(shù)為：孔距6 m，排距5 m，炸藥單耗0.3 kg/m3，當遇到中間有局部硬巖時，將孔距縮小至4～5 m，炸藥單耗增加至0.33～0.35 kg/m3。

2）增加輔助孔。針對爆破臺階頂部有硬巖的情況，采取在深孔之間增加輔助孔的措施[6]，輔助孔孔徑為115 mm，輔助孔和深孔呈三角布置，輔助孔布置示意圖如圖4，對淺部大塊進行加強破碎，解決頂部局部硬巖爆破大塊率高的問題，輔助孔孔深根據(jù)現(xiàn)場硬巖厚度進行確定，炮孔底部距硬巖底部留1 m左右的距離，避免爆破能量泄露，通常孔深為3～5 m。

圖4 輔助孔布置

3.3 降低水孔爆破大塊率措施

1）水孔臺階分層爆破。將15 m 臺階分7 m 和8 m 2 次爆破，一方面可以減小爆破底盤抵抗線和夾制作用，另一方面更有利于控制水孔裝藥質(zhì)量和填塞質(zhì)量，避免藥柱不連續(xù)和爆破沖孔產(chǎn)生大塊。

2）水孔快鉆快爆。由于水孔放置時間過長會出現(xiàn)積水增加、孔底泥漿沉積、孔壁坍塌等問題，為減少這些不利因素對爆破的影響，采取快鉆快爆的措施，通常水孔區(qū)域在前1 d 完成鉆孔后，第2 d 就必須進行爆破，間隔時間不超過24 h。

3）對水孔積水進行抽排。為了避免積水對爆破質(zhì)量的影響，在裝藥前利用取水器將孔內(nèi)積水進行抽排。

4）選取戈壁料作為填塞物料。該礦礦田地層主要以泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，該類巖石巖粉遇水后容易泥化形成泥漿，作為填塞物料和孔壁間摩擦力較小、易和藥柱分離導致爆破沖孔，選用密度大、遇水不泥化的戈壁料作為填塞物可增加填塞物和孔壁的摩擦力、避免填塞物和藥柱分離，進而避免爆破沖孔，降低大塊率。

3.4 降低相鄰爆區(qū)交界處爆破大塊率措施

鉆孔采用“梅花形”布孔方式，相鄰爆區(qū)交界處炮孔數(shù)量為4 個，炮孔數(shù)量較少，容易產(chǎn)生大塊，采取在相鄰炮區(qū)交界處加密布孔、交界處鉆75°傾斜孔減小交界處炮孔底盤抵抗線、爆破時交界處炮孔預先起爆形成一條預裂線，減弱先爆破爆區(qū)對后爆破爆區(qū)的后沖作用，進而減少爆破大塊的產(chǎn)生。

3.5 嚴格設(shè)計及現(xiàn)場施工管理

為了提高爆破質(zhì)量，減少大塊，在設(shè)計和現(xiàn)場施工管理方面主要采取了以下措施：①設(shè)計前進行現(xiàn)場踏勘，結(jié)合現(xiàn)場爆破巖石結(jié)構(gòu)，有針對性地進行鉆孔和爆破設(shè)計；②利用RTK 現(xiàn)場布孔，精準地確定每個鉆孔的位置和孔深并現(xiàn)場標記；③嚴格鉆孔質(zhì)量管理，做到“一孔三檢”，分別是鉆孔時檢查、爆破前檢查、裝藥前檢查，對存在問題的鉆孔及時處理，保證鉆孔質(zhì)量[8]；④做好鉆孔和爆破設(shè)計交底，嚴格按照設(shè)計進行鉆孔、裝藥、填塞、連線；⑤做好爆破質(zhì)量跟蹤，對存在的問題及時進行總結(jié)、分析、提高；⑥嚴格采裝工程質(zhì)量管理，分層刷幫，做到幫齊底平，不超挖、不欠挖，創(chuàng)造良好的鉆孔工作面和爆破自由面；⑦加強教育和培訓，提高作業(yè)人員操作水平。

4 結(jié)語

結(jié)合將軍戈壁二號露天礦實際工程情況，對產(chǎn)生大塊的部位和原因進行了深入分析，并結(jié)合爆破理論和現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，通過采取優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破網(wǎng)絡、增加輔助孔、水孔分層爆破、嚴格設(shè)計及現(xiàn)場施工管理等技術(shù)和管理措施，爆破大塊率降低了約50%，提高了露天礦生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)水平。