露天煤礦拋擲爆破緩沖孔爆破優化與效益分析

宋 日

(神華準格爾能源有限責任公司炸藥廠， 內蒙古鄂爾多斯 010300)

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露天煤礦拋擲爆破緩沖孔爆破優化與效益分析

宋 日

(神華準格爾能源有限責任公司炸藥廠， 內蒙古鄂爾多斯 010300)

摘要：黑岱溝露天煤礦高臺階拋擲爆破預裂孔前兩排緩沖孔一直沿用氣體間隔器分段裝填現場混裝多孔粒狀銨油炸藥，在5～10天的裝藥過程中易產生炮孔塌陷，增加爆破成本。通過對此問題進行分析，采取了在緩沖孔內連續裝填現場混裝低密度銨油炸藥，不僅提高了裝填效率，縮短了裝藥時間，而且提高了炮孔利用率；實現了炸藥能量在炮孔軸線上的均勻分布，對于預裂孔貫穿裂縫的形成及寬度的保持十分有利，也有利于邊坡的穩定。同時，降低了爆破成本，創造了良好的經濟效益，可為同類爆破提供參考。

關鍵詞：露天煤礦； 拋擲爆破； 緩沖孔； 爆破優化； 低密度銨油炸藥； 經濟效益

1引 言

拋擲爆破是指利用炸藥爆炸所釋放出的能量將巖體破碎的同時，還要將一部分破碎體(巖石)沿最小抵抗線方向拋到一定距離處，并堆積成一定形狀的爆破方法〔1〕。露天礦爆破拋擲效果取決于使用炸藥的類型、炸藥單耗、工程地質條件、預裂爆破效果及孔網參數等多個因素〔2〕。

2006年，黑岱溝露天煤礦引進了拋擲爆破技術。2007年3月1日～2016年3月7日，共進行了143次拋擲爆破，爆破量21 864.25萬m3，消耗銨油炸藥、重銨油炸藥、乳化炸藥合計154 451.2t，平均單耗0.739kg/m3，平均有效拋擲率33.76%，達到了預期目標。技術人員通過對核心技術的研究，自主研發了一種超低密度乳化炸藥及其制備方法，滿足了大型露天礦山深孔預裂爆破要求〔3〕。在此基礎上進一步研制了密度為0.4g/cm3～0.6g/cm3的低密度銨油炸藥。這兩種低密度炸藥的研制成功改善了黑岱溝露天煤礦高臺階預裂爆破效果，提高了邊坡的穩定性〔4〕。盡管如此，預裂坡面有時仍有局部片幫的現象，給作業的鉆機、電鏟、爆破工等帶來安全風險。同時，爆堆沉降高度偏低增加了輔助設備的工程量〔5〕。究其原因，主要是預裂孔的前兩排緩沖孔一直沿用氣體間隔器分段裝藥，炸藥能量分布不均，裝藥效率低，預裝藥時間長，炸藥的能量有較大的損失。實施拋擲爆破以來，在分段裝藥過程中，間隔器氣體泄漏而造成的塌孔，每次爆破都有3～5個，雨季更加嚴重，最多的一次塌孔達20多個。重新鉆孔裝藥，每孔不僅浪費近1萬元的炸藥與鉆孔費用，更主要的是改變了爆破參數，無法按計劃時間起爆。針對此問題，本文利用自主研制的低密度銨油炸藥、采取連續裝藥，孔內無間隔器等措施對緩沖孔爆破進行優化，并對經濟效益進行了分析。

2緩沖孔參數優化

2.1爆破參數優化條件

2.1.1巖石特性

在進行具體的爆破設計時，設計計算參數的選取與巖性有密切關系，其中包括炸藥品種的選擇、炸藥單耗的確定、各種巖石的爆后松散系數、拋擲系數和塌散系數〔6〕。黑岱溝露天煤礦巖石的種類主要為深灰色的砂巖、黑色的泥巖、黑灰色的砂質頁巖，比重為2.40g/cm3～2.81g/cm3，容重為2.12g/cm3～2.59g/cm3，天然含水率為0.47%～2.8%，普氏系數f為3～5，巖石的可爆性較好，對炸藥品種的選擇比較寬泛。

2.1.2炸藥品種及性能

炸藥的品種及性能如表1所示。

表1　現場混裝炸藥品種及性能

注：銨油炸藥的爆速測試用φ50mm×5mm鋼管約束；乳化炸藥、重銨油炸藥、低密度銨油炸藥均用φ150mm×3mmPVC管約束。

爆速既是炸藥的主要爆轟參數，又是衡量炸藥爆轟性能的一項重要指標，獲得爆速就可以估算出炸藥其他的爆轟參數〔7〕。例如，爆轟壓是爆速平方與密度的函數，爆速的大小直接影響炸藥爆轟壓的大小。

2.1.3裝藥結構

之前的裝藥結構為：拋擲孔前幾排底部裝重銨油炸藥，上部裝銨油炸藥，后幾排上下全部裝銨油炸藥，均采用連續裝藥結構；緩沖孔和預裂孔均采用氣體間隔器分段間隔裝藥。2016年3月7日開始實施的西區第2次拋擲爆破，緩沖孔采用了低密度銨油炸藥連續裝藥結構。

2.1.4起爆器材

利用數碼雷管將拋擲爆破排距、孔距參數由高精度非電雷管時的8m×11m優化為7m×12m，延時時間由100ms、150ms、200ms優化為330ms、280ms、220ms、180ms。數碼雷管的應用，提高了有效拋擲率，節約了吊斗鏟倒堆的生產成本。

2.2爆破設計

2.2.1孔網布置和目標要求

吊斗鏟技術改造后的露天煤礦上部工作線長度為2 200m，下部為2 100m〔8〕。2016年，西區第2次拋擲爆破炮區位于1130水平西部，長480m，寬85m，平均孔深41.4m，爆破量1 536 231m3。拋擲爆破孔網布置如圖1所示。

注：A-J為拋擲爆破孔，K、L為緩沖爆破孔，Y為預裂爆破孔圖1　拋擲爆破孔網布置Fig.1　Network layout of casting blastholes

設計采用K、L兩排緩沖爆破孔，要達到以下目標：①預裂爆破后形成大于10mm的完整縫隙；②預裂面不平整度應小于±15cm，殘留半孔率達到85%以上；③爆堆形狀理想，爆堆沉降>15m，盡可能減少推土機作業量，但也要符合電鏟刷幫高度；④拋擲爆破有效拋擲率保持2015年平均值(36.33%)，力爭略有提高，減少吊斗鏟倒堆量；⑤縮短預裝藥時間1天，爆破成本小幅下降；⑥爆破塊度均勻，滿足吊斗鏟倒堆要求。

2.2.2爆破參數的確定

(1)孔徑D：采用牙輪鉆機鉆孔直徑D=310mm。

(2)臺階高度H=34.0m～44.6m，取平均高度H=37.5m。

(3)孔深l：l=(H-h)/sinα，為了提高有效拋擲率，鉆傾斜孔，傾角α=65°，與臺階坡面一致。考慮到巖石層下部是煤，為了不破壞煤層，采取欠深的形式留一定的保護層h，做到既不破壞煤層，又不產生較大的根底。K、L兩排炮孔欠深為0.2m，孔深l=41.2m。

(4)底盤抵抗線W：采用經驗公式W=0.036D(dE/dR)1/3計算〔9〕。式中：D為炮孔直徑，mm；dE為炸藥的密度；dR為巖石的密度。W≈7.0m。

(5)孔距a：a=mW，m為炮孔密集系數，一般取1～2，a=1.7×7≈12.0m。

(6)排距b：對于拋擲爆破，排距不大于最小抵抗線，取b=7m。

(7)欠深：炮孔欠深由前往后逐排遞減，A排孔欠深3m，預裂孔欠深0m(圖1)。

(8)每米炮孔裝藥量〔9〕：q=0.785D2·dE=0.785×0.3102×0.50=0.038t/m；Y排預裂孔與L排緩沖孔間距一般為拋擲爆破孔排間距的1/2，取4.0m，L排每孔裝藥量1.320t，K排每孔裝藥量1.358t。

(9)填塞長度：采用公式l填=(1.0～1.5)b計算，取l填=7.0m。

3爆破效果與成本分析

3.1爆破效果分析

評價拋擲爆破的好壞首要參考拋擲率，這是采用拋擲爆破技術的原因〔10〕。有效拋擲率是指剝離臺階經過拋擲爆破后，拋擲到采空區的爆破量(拉斗鏟倒堆剝離和采煤作業時無需進行倒堆)與總爆破量的比值〔11〕。雖然有效拋擲率越大，拋擲到采空區的巖石量越多，相對減少吊斗鏟倒堆量，減少剝離成本，但是有效拋擲率也并非越高越好，還應綜合考慮爆破成本與吊斗鏟剝離倒堆成本，應使露天總剝離成本達到最小，因此，有效拋擲率存在一個合理的范圍。在爆破成本不提高或略有降低的前提下，通過優化炮孔孔網參數、炸藥品種配方、裝藥結構、起爆網路等技術，最大限度提高拋擲率。本次拋擲爆破在爆破成本降低的情況下，有效拋擲率達到了39.0%，較2015年的平均值提高了2.67%，爆破效果較為理想。有效拋擲率計算剖面如圖2所示。

圖2　有效拋擲率計算剖面圖Fig.2　Calculation profile of effective casting rate

爆堆形狀應有利于吊斗鏟倒堆作業，爆堆的沉降應大于15m，爆堆形狀接近梯形斷面，爆堆頂面平整，并盡量減少推土機平整工作量，同時兼顧電鏟刷幫的標高要求。

圖3　爆堆Fig.3　Blasting muckpile

本次拋擲爆破爆堆如圖3所示。爆堆沉降高度15m～17m。推土機平整工作量較以往下降。巖石塊度均勻，適合吊斗鏟倒堆作業。

預裂爆破縫隙清晰，如圖4所示，無后沖、片幫現象。經測算，邊坡殘留半孔率達到85%。

圖4　預裂爆破效果Fig.4　 Effect of presplitting blasting

K、L兩排緩沖爆破炮孔采用低密度銨油炸藥連續裝藥，密度為0.50g/cm3，單耗為0.44kg/m3；采用多孔粒狀銨油炸藥分段裝藥，密度為0.85g/cm3，單耗為0.49g/cm3，單耗降低了0.05g/cm3，降低率達10.2%。

3.2爆破成本分析

K、L兩排緩沖孔每排41個，共82個，分段裝多孔粒狀銨油炸藥的成本如表2所示，連續裝低密度銨油炸藥的成本如表3所示。

對比分析表2和表3可知，節約炸藥成本6 607.56元；節約間隔器成本11 480元；每孔少用1發起爆具，節約17元，少用1發數碼雷管，節約260元，起爆器材節約成本22 714元。本次緩沖爆破節約炸藥、間隔器、起爆器材合計40 801.56元。每年按18次拋擲爆破計算，一年可節約成本約73萬元。

表2　分段裝多孔粒狀銨油炸藥成本

表3　連續裝低密度銨油炸藥成本

據不完全統計，黑岱溝露天煤礦拋擲爆破，使用空氣間隔分段預裝銨油炸藥，因預裝藥時間長、雨季影響等原因，每年塌孔數約100個，浪費成本約100萬元。上述兩項，每年可為黑岱溝露天煤礦節約成本173萬元，有效降低了爆破成本。

4結 語

(1)在黑岱溝露天煤礦拋擲爆破緩沖孔采用低密度銨油炸藥、連續裝藥結構，提高了裝藥效率，縮短了預裝藥時間，有效地提高了炸藥能量的利用率，取得了良好的爆破效果。

(2)解決了拋擲爆破緩沖孔分段裝藥易塌孔的難題，提高了炮孔利用率和生產效率。

(3)在保證拋擲爆破有效拋擲率的前提下，降低了爆破材料成本，取得了良好的經濟效益。

(4)拋擲爆破緩沖孔采用連續裝藥結構的爆破孔網參數設計，需要綜合考慮拋擲孔、緩沖孔、預裂孔的共同作用，在以后的研究和實踐中進一步優化完善。

參考文獻(References)：

〔1〕 郭昭華. 露天煤礦無運輸倒堆開采技術及應用研究[M]. 北京:煤炭工業出版社，2012:111-174.

GUO Zhao-hua. Study and application of the technology for no transport and dragline in open pit coal mine[M]. Beijing:Coal Industry Press, 2012:111-174.

〔2〕 張兆亮,馬力,彭洪閣,等. 基于云模型的露天礦拋擲爆破效果綜合評價[J]. 工程爆破,2013,19(2)：40-43.

ZHANG Zhao-liang，MA Li，PENG Hong-ge,et al. Comprehensive evaluation of the casting blast effect in open-pit coal mine based on cloud model[J]. Engineering Blasting,2013,19(2)：40-43.

〔3〕 郭昭華,宋日,劉萬榮. 一種超低密度乳化炸藥及其制備方法: ZL 201010161873.2[P]. 2012-04-27.

GUO Zhao-hua，SONG Ri，LIU Wan-rong. A low density of emulsion explosive and its preparation method:ZL 201010161873.2[P]. 2012-04-27.

〔4〕 閆海勇. 散裝超低密度乳化炸藥在露天礦拋擲爆破中的應用[J]. 露天采礦技術，2015,30(10)：25-26.

YAN Hai-yong. Application of bulk ultra-low density emulsion explosive in open-pit mine casting blast [J]. Opencast Mining Technology,2015,30(10):25-26.

〔5〕 張勇. 黑岱溝露天煤礦高臺階拋擲爆破分析[J]. 露天采礦技術,2008,23(5):43-44.

ZHANG Yong. Analysis of high bench casting blast analysis for Heidaigou open pit coal mine [J]. Opencast Mining Technology,2008,23(5):43-44.

〔6〕 于亞倫. 工程爆破理論與技術[M]. 北京:冶金工業出版社,2007.

YU Ya-lun. Engineering blasting theory and technology[M]. Beijing:Metallurgical Industry Press,2007.

〔7〕 汪旭光. 乳化炸藥[M]. 2版. 北京:冶金工業出版社,2008:405-410.

WANG Xu-guang. Emulsion explosive[M]. 2nd ed. Beijing:Metallurgical Industry Press,2008:405-410.

〔8〕 張平寬,王桂林,王平亮. 拉斗鏟倒堆剝離工藝在黑岱溝露天煤礦的應用[J]. 露天采礦技術,2009,24(5):30-31.

ZHANG Ping-kuan, WANG Gui-ling, WANG Ping-liang. Application of dragline to stripping in Heidaigou open pit coal mine [J]. Opencast Mining Technology, 2009,24(5):30-31.

〔9〕 黃紹鈞. 工程爆破設計[M]. 北京:兵器工業出版社,2000.

HUANG Shao-jun. Engineering blasting design[M]. Beijing:Weapons Industry Press,2000.

〔10〕 康海江,許晨,李濤. 黑岱溝露天煤礦拋擲爆破效果綜合評價[J]. 露天采礦技術,2012,27(4):80-82.

KANG Hai-jiang,XU Chen,LI Tao. Comprehensive evaluation on the effect of casting blast for Heidaigou open pit coal mine[J]. Opencast Mining Technology,2012,27(4):80-82.

〔11〕 馬力,李克民,丁小華,等. 拋擲爆破巖體拋擲距離影響因素研究[J]. 工程爆破,2013,19(2):50-53.

MA Li, LI Ke-min，DING Xiao-hua,et al. Study on the influencing factors on casting distance of rock by casting blast[J]. Engineering Blasting,2013,19(2):50-53.

Design optimization and benefit analysis about cushion blastholes in cast blasting of open-pit coal mine

SONG Ri

(Explosive Plant， Shenhua Group Zhungeer Energy Co．， Ltd．， Ordos 010300, Inner Mongolia, China)

ABSTRACT：Gas spacer block and site mixed porous granular ANFO explosive were used in the first two rows of cushion blastholes with divided charge in high bench cast blasting of Heidaigou open-pit coal mine. The charging process would last about 5 to 10 days, so blastholes might be collapsed and the cost would be higher. Through the analysis of the problem，site mixed low-desity ANFO explosive was continuously charged in the cushion blastholes. The charging efficiency was improved, the charging time was shorten and the utilization of blastholes was improved. The aim of blasting energy uniform distribution in blastholes axes was achieved. It was good for formation of cracks in presplitting blastholes and maintaining the width. Meanwhile, the blasting cost was reduced and the good economic benefit was created. It could provide a reference for similar blastings.

KEY WORDS:Open-pit coal mine； Cast blasting； Cushion blasthole; Blasting optimization； Low-density ANFO explosives； Economic benefit

文章編號：1006-7051(2016)02-0034-04

收稿日期：2016-03-20

作者簡介：宋 日(1964-)，男，教授級高級工程師，主要從事現場混裝炸藥生產和露天礦山爆破工作。E-mail：Shznzycsr@163.com

中圖分類號：TD235.31； TD824.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.007