露天煤礦拋擲爆破設(shè)計優(yōu)化

鄔永江，陳 需

（國能準能集團有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

拋擲爆破是指利用炸藥爆炸所釋放出的能量，將被爆破巖土體的一部分沿最小抵抗線方向拋出一定的距離的爆破方法[1]。拋擲爆破雖然應(yīng)用條件較為苛刻，但其能夠顯著降低露天礦生產(chǎn)中的剝離費用，常用于剝離煤層上部黃土臺階，且有效拋擲率最高可達37%[2]，因此通過研究爆破臺階高度、炸藥單耗、孔排距等技術(shù)參數(shù)對拋擲爆破效果的影響，并優(yōu)化露天礦拋擲爆破設(shè)計，對提高有效拋擲率、降低生產(chǎn)剝離成本有重要的意義[3-5]。

針對不同礦區(qū)的自然條件，學者們對拋擲爆破工藝的優(yōu)化方案也有著不同的側(cè)重點。趙景昌等[6]為消除黑岱溝露天煤礦二采區(qū)煤層斷陷帶對拋擲爆破的影響，根據(jù)斷陷帶區(qū)域地質(zhì)條件，提出了拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝參數(shù)優(yōu)化方案，保證了過斷陷帶期間煤礦的安全、高效生產(chǎn)；陳佳鵬等[7]對黑岱溝露天煤礦二采區(qū)斷陷帶拋擲爆破臺階參數(shù)進行了分析，基于煤層厚度，對拋擲爆破臺階高度進行優(yōu)化，得到了滿足現(xiàn)場作業(yè)條件的拋擲爆破臺階方案；馬力等[8]通過研究采掘帶寬度對拋擲爆破的影響，提出了拋擲爆破采掘帶寬度優(yōu)化的非線性數(shù)學規(guī)劃模型，并根據(jù)礦區(qū)實際進行了模擬，確定了最佳采掘帶寬度；杜國慶[9]對拋擲爆破方向和參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計；宋日[10]對拋擲爆破中緩沖孔的布置與裝藥進行了優(yōu)化設(shè)計。這些研究在提高拋擲爆破效率的同時，降低了生產(chǎn)剝離所需成本。

為此，在前人的基礎(chǔ)上，對拋擲爆破中緩沖孔裝藥環(huán)節(jié)提出了優(yōu)化設(shè)計方案，主要對比優(yōu)化前后拋擲爆破效果及所需成本，同時針對中間溝區(qū)域炮孔結(jié)構(gòu)和裝藥類型進行優(yōu)化，以擴大優(yōu)化方案前后的經(jīng)濟效益差距。

1 拋擲爆破發(fā)展現(xiàn)狀

露天礦拋擲爆破剝離技術(shù)最早于20 世紀60 年代初在美國McCoy Coal 礦進行嘗試，拋擲爆破能把約40 %的覆蓋物拋擲到采空區(qū)[11]。20 世紀80 年代初，美國、澳大利亞等國家的許多露天礦由于剝采比增加、剝離費用升高，同時煤價不斷走低，導致許多礦山盈利能力持續(xù)下降，因此礦山經(jīng)營者多措并舉來降低生產(chǎn)成本，首當其沖就是要千方百計降低剝離費用；由此，美國、澳大利亞等露天煤礦爭先恐后地試驗拋擲爆破技術(shù)，經(jīng)過20 多年的不懈努力，取得了許多可喜成果，形成了“拋擲爆破—拉斗鏟”、“拋擲爆破—推土機”、“拋擲爆破—電鏟—卡車”等多種剝離工藝。實踐經(jīng)驗表明，采用拋擲爆破剝離技術(shù)，可以將30%～65%的覆蓋物直接拋擲到采空區(qū)，剝離費用至少降低30%。利用拉斗鏟剝離露煤的露天礦占總產(chǎn)量的30%～60%，其生產(chǎn)成本降低到“單斗—卡車”工藝的40%～60%，“拋擲爆破—拉斗鏟”倒堆開采工藝也一躍成為露天開采工藝中最為成熟可靠和最具競爭力的開采工藝[12-13]。

現(xiàn)在拉斗鏟倒堆拋擲爆破剝離已進入成熟階段，在開采設(shè)計或技術(shù)改造設(shè)計中，?？紤]該工藝。采用以拉斗鏟倒堆拋擲爆破剝離開采工藝為主的綜合開采工藝將是我國露天開采工藝的主要發(fā)展方向之一。國能準能集團黑岱溝露天煤礦拉斗鏟工藝技術(shù)改造初步設(shè)計中，選用美國比塞洛斯公司生產(chǎn)的8750-65 型號拉斗鏟剝離6#煤層頂板以上45 m 厚的巖石。國能準能集團黑岱溝露天煤礦拋擲爆破采用了預(yù)裝藥工藝，使用大型鉆機按照設(shè)計方案先進行鉆孔，再使用混裝炸藥車將不同類型的炸藥混裝填入炮孔，最后進行爆破。為了有效提高煤炭生產(chǎn)效率，國能準能集團黑岱溝露天煤礦拋擲爆破的規(guī)模往往比較大，所使用的炸藥以銨油炸藥為主，平均每次消耗量約1 400 t，最多時可達到2 000 余t。

2 炸藥配套系統(tǒng)

1）銨油炸藥地面站準備系統(tǒng)。銨油炸藥地面站主要由多孔粒狀硝酸銨庫房、工藝用油箱式儲罐、附屬上料設(shè)施等組成。其中，硝酸銨的制藥上料準備包含2 臺斗式提升機、螺旋輸送機、2 個各為55 t 的硝酸銨儲存罐。

2）乳膠基質(zhì)地面制備系統(tǒng)。乳膠基質(zhì)地面站的作用是為多功能現(xiàn)場混裝炸藥車加裝乳膠基質(zhì)，即完成乳化炸藥生產(chǎn)原料的制備和加裝。乳膠基質(zhì)地面生產(chǎn)以流水線作業(yè)為主，包含油相準備、外來高濃度硝酸銨水溶液輸送、氧化劑溶液配制準備、敏化劑配制。

3）混裝炸藥車載制藥系統(tǒng)。混裝裝藥車根據(jù)需求的不同承載能力各有差異。國能準能集團炸藥廠的混裝裝藥車的特點是機動性好、環(huán)境適用能力強、機械損失低，能夠精準裝藥，承載能力強。在一個傳統(tǒng)的車底盤上增加不同的罐、料箱出料螺旋和控制系統(tǒng)。

3 拋擲爆破優(yōu)化設(shè)計

3.1 緩沖孔裝藥設(shè)計

孔內(nèi)炸藥的品種和裝藥結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 孔內(nèi)炸藥的品種和裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

拋擲爆破的預(yù)裂孔采用空氣間隔器分段裝低密度炸藥，每個炮孔由下至上分3 段進行裝藥：①第1段位于底部，裝藥位置高于煤層頂板約1 m；②第2段位于中部，裝藥位置在覆蓋巖層的中部；③第3 段位于頂部，裝藥位置在孔口以下14 m。拋擲爆破炮孔前5 排只填裝做功能力較強的重銨油炸藥，從第6 排孔開始填裝銨油炸藥，最后2 排填裝重銨油炸藥，且在炮孔內(nèi)裝藥量逐漸減少。對于部分潮濕或有水的炮孔，為防止水對銨油炸藥的破壞，炮孔內(nèi)改為填裝防水的乳化炸藥。

裝藥完成后，將表面雷管接頭進行有效連線，由于起爆點位置不同，連線方式采用“V”形和“雁”形，采用斜線逐孔起爆。起爆順序與巖層裂隙發(fā)育方向相逆，以減少沖擊波對自由面的破壞。“雁”形列孔間延期間隔時間為100～200 ms，控制排孔間延期為9～42 ms，孔內(nèi)延期為600 ms。按排間由前到后的順序設(shè)計起爆網(wǎng)絡(luò)。

拋擲爆破后2 排緩沖孔使用銨油炸藥，采用分段裝藥結(jié)構(gòu)，以降低爆破能量、減小爆破后沖，保護邊坡穩(wěn)定。銨油炸藥K 排、L 排分段裝藥結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 銨油炸藥K 排、L 排分段裝藥結(jié)構(gòu)

每孔使用2 個間隔器，分3 段裝藥，對每段裝藥量及間隔器下放位置要求嚴格；由于裝藥程序復雜繁多，導致施工效率降低，且施工質(zhì)量受到影響；自緩沖孔完成裝藥至炮孔起爆期間，間隔器易下沉、滑落，直接影響爆破質(zhì)量。針對上述問題，提出在保持炸藥單耗基本不變的基礎(chǔ)上，緩沖孔使用低密度炸藥，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)方案，其中低密度炸藥密度為0.6 g/cm3。低密度炸藥-連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 低密度炸藥-連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)

沖孔使用低密度炸藥，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥操作簡單，拋擲區(qū)裝藥平均周期由7 d 縮短至5 d，提高了施工效率；爆后預(yù)裂面整齊，無明顯后沖，巖石破碎均勻，爆堆表面無大塊，滿足電鏟采挖及推土機降段要求；爆堆沉降高度平均16 m，與銨油炸藥、分段裝藥結(jié)構(gòu)相比增加2 m，可有效提高推土機降段效率。

由于采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，每孔與分段裝藥結(jié)構(gòu)相比可節(jié)省4 支間隔器、1 發(fā)數(shù)碼雷管及1 個起爆具。材料成本分析對比見表1。

表1 材料成本分析對比表

由表1 可知：銨油炸藥—分段裝藥結(jié)構(gòu)平均每孔爆破器材成本4 149 元；低密度炸藥—連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)平均每孔爆破器材成本4 051 元，與分段裝藥結(jié)構(gòu)相比每孔節(jié)約爆破材料成本98 元，按全年18次拋擲爆破1 900 個緩沖孔計算，可節(jié)約爆破成本18.62 萬元。

緩沖孔使用低密度炸藥，其有效拋擲率與銨油炸藥—分段裝藥結(jié)構(gòu)相比平均增加1%。平均每次拋擲爆破量按180 萬m3計算，可多拋出有效量1.8萬m3，多拋出的有效量無需單斗卡車剝離，每立方米單斗—卡車成本按2022 年平均17.9 元計算，每次可節(jié)約成本32.22 萬元；每年拋擲爆破按18 次計算，可節(jié)省成本579.96 萬元。

綜上，拋擲爆破緩沖孔使用低密度炸藥，每年可節(jié)約爆破及單斗卡車成本629.62 萬元。

3.2 拋擲區(qū)中間溝區(qū)域拋擲爆破設(shè)計優(yōu)化

實際應(yīng)用中北部拋擲區(qū)中間溝區(qū)域臺階高度平均為42 m，設(shè)計方案中采用前6 排裝重銨油炸藥—連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，爆破能量偏高，造成過多的無效量拋向中間溝6下運煤通道，增加了開切口區(qū)域電鏟剝離成本，且無效量占據(jù)了運煤道路，影響運煤卡車通行；炸藥單耗高，造成不必要的炸藥浪費，增加了爆破成本?，F(xiàn)調(diào)整開切口區(qū)域爆破設(shè)計方案。調(diào)整后炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 調(diào)整后炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖

中間溝區(qū)域長120 m，共12 排炮孔，區(qū)域內(nèi)前6排孔裝藥結(jié)構(gòu)由重銨油炸藥調(diào)整為銨油炸藥，降低炸藥單耗，減少無效拋擲量。炸藥單耗降低，爆堆沉降高度隨著減小，為確保爆后爆堆仍有一定沉降，使爆堆高度仍滿足生產(chǎn)要求，設(shè)計前6 排銨油炸藥裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，其余不變。中間溝區(qū)域臺階上部為泥頁巖，下部為砂巖，且受裂隙影響呈含有破碎帶，整體巖石較軟，據(jù)此，孔網(wǎng)參數(shù)由7 m×12 m擴大至7 m×13 m，充填高度由6 m 增加至7 m。炸藥單耗降低，巖石向前位移量隨著減小，為避免側(cè)向及后方能量過大造成側(cè)沖及后沖，于側(cè)向及后方各增加1 列緩沖孔，提高邊坡穩(wěn)定性。受巖性及裂隙變化影響，為提高邊坡穩(wěn)定性，側(cè)向緩沖孔炸藥單耗由0.50 kg/m3調(diào)整為0.45kg/m3。

孔網(wǎng)參數(shù)由7 m×12 m 擴大至7 m×13 m 后，平均每排孔可減少1 個炮孔，開切口12 排炮孔可供減少炮孔12 個，炮孔平均孔深46 m，減少穿孔進米數(shù)552 m，310 mm 電鉆進米單價按90 元/m 計算，可節(jié)約鉆孔成本4.97 萬元。原開切口區(qū)域拋擲爆破使用重銨油炸藥153.0 t，銨油炸藥166.2 t，炸藥總成本140.37 萬元；調(diào)整后，不使用重銨油炸藥，銨油炸藥215.56 t，炸藥成本93.12 萬元；每次拋擲爆破可節(jié)約爆破成本47.25 萬元。調(diào)整后，開切口區(qū)域平均炸藥單耗由0.71 kg/m3降低至0.48 kg/m3，單耗降低0.23 kg/m3；每次爆破共節(jié)約穿孔及炸藥成本52.22萬元，每年開切口區(qū)域爆破5 次，1 年可節(jié)約成本261.1 萬元。

4 結(jié)語

通過研究緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)對拋擲爆破效果的影響，提出在保持炸藥單耗基本不變的基礎(chǔ)上，使用低密度炸藥的連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)方案；以有效拋擲率為衡量標準，綜合考量爆破效果和生產(chǎn)成本。結(jié)果表明：采用連續(xù)裝藥方案后有效拋擲率同比增加了1%，可節(jié)約爆破及單斗卡車成本629.62 萬元。現(xiàn)場應(yīng)用中，根據(jù)實際情況對優(yōu)化方案進行了調(diào)整并應(yīng)用，區(qū)域內(nèi)前6 排孔裝藥結(jié)構(gòu)由重銨油炸藥調(diào)整為銨油炸藥，降低炸藥單耗，減少了無效拋擲量，通過成本核算得知，1 年可節(jié)約成本261.1 萬元。