大孔徑鉆孔炮眼法二次爆破大塊巖石技術(shù)在神山露天煤礦的應(yīng)用

摘 要：為了解決大塊巖石爆破效率低、成本高等問(wèn)題，提高露天煤礦爆破巖石的效率，推進(jìn)工作面的施工，神山露天煤礦爆破技術(shù)人員探索出了一套大孔徑炮眼法二次爆破大塊巖石的技術(shù)。實(shí)踐證明，該技術(shù)不僅取得了良好的爆破效果，而且提高了大塊破碎效率與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：大孔徑鉆孔炮眼法;二次爆破;大塊巖石

中圖分類(lèi)號(hào)：TD235.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）25-0087-03

1 工程背景

神山煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗的西部，行政隸屬準(zhǔn)格爾旗神山鎮(zhèn)所轄。煤礦所在位置東距薛家灣鎮(zhèn)約89km，距東勝市約23km。本礦田東西長(zhǎng)2.530km，南北寬1.420km，面積2.173km2，可采煤層3層，自上而下分別為3-1、4-1、5-1煤層。4-1煤以上土巖巖性主要為砂土、黃土、砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖，土巖強(qiáng)度低，無(wú)需爆破，少部分區(qū)域賦存細(xì)粒砂巖與中粒砂巖，需要爆破后方可采裝。4-1與5-1之間的土巖巖性為灰綠色粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖、夾灰綠色細(xì)粒砂巖及砂質(zhì)泥巖，巖石強(qiáng)度應(yīng)屬于半堅(jiān)硬巖。該巖石為中硬巖，全區(qū)需要爆破后方可采裝。另外，在該層圍巖中存在鈣質(zhì)結(jié)核狀構(gòu)造，即在砂巖及砂質(zhì)泥巖中存在異體包裹物（稱(chēng)結(jié)核）的構(gòu)造，爆破工程地質(zhì)條件復(fù)雜，爆破后常形成大量的孤石大塊，大塊率多達(dá)5%以上，甚至形成爆破拉底，影響工程質(zhì)量的同時(shí)，嚴(yán)重制約工作面的正常推進(jìn)。

2 爆破后形成大塊的原因

2.1 復(fù)雜、特殊工程地質(zhì)條件

4-1與5-1之間的圍巖中存在鈣質(zhì)結(jié)核狀構(gòu)造，鈣質(zhì)結(jié)核呈球狀、橢球狀、透鏡體狀和不規(guī)則狀的鈣質(zhì)結(jié)核沉積巖，大小不一，從數(shù)厘米到數(shù)十厘米甚至數(shù)米，分布呈層狀、順層的串珠狀或零星分布。結(jié)核常有清晰的邊界，圍巖層理與其邊緣相切或圓滑地繞過(guò)。

2.2 巖石的爆破破碎機(jī)理

首先，炸藥爆炸后產(chǎn)生的高壓沖擊波徑向壓縮炮孔周?chē)膸r石，在高達(dá)幾萬(wàn)兆帕壓力的沖擊波和溫度達(dá)3 000℃高溫作用下使炮孔周?chē)鷰r石在幾毫米到幾十毫米范圍內(nèi)熔融，隨著溫度的急劇下降，將巖石粉碎成微細(xì)的顆粒，把原來(lái)的炮孔擴(kuò)大成空腔，形成粉碎區(qū)，沖擊波通過(guò)粉碎區(qū)后衰減為壓縮應(yīng)力波，其強(qiáng)度已低于巖石的動(dòng)抗壓強(qiáng)度，不能直接壓碎巖石，但是，其可以使粉碎區(qū)外層的巖石遭到強(qiáng)烈的徑向壓縮，導(dǎo)致外圍巖石層中產(chǎn)生徑向擴(kuò)張和切向拉伸應(yīng)變，這種切向拉伸應(yīng)力超過(guò)了巖石動(dòng)抗拉強(qiáng)度，在外圍巖石層中產(chǎn)生徑向裂隙，沖擊波繼續(xù)向外層巖石傳播并繼續(xù)衰減，當(dāng)產(chǎn)生的切向拉伸應(yīng)力小于巖石的東抗拉強(qiáng)度時(shí)，徑向裂隙停止向前發(fā)展。此時(shí)，外層被壓縮的巖石像壓縮的彈簧突然松開(kāi)一樣，產(chǎn)生與壓縮應(yīng)力波作用相反的向心拉伸應(yīng)力，當(dāng)徑向拉伸應(yīng)力超過(guò)巖石的動(dòng)抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石中便會(huì)出現(xiàn)環(huán)向的裂隙。徑向裂隙與環(huán)向裂隙相互交錯(cuò)，將該片區(qū)的巖石割裂成塊。而后，炸藥爆炸產(chǎn)生的高壓氣體膨脹，巖石在高壓氣體膨脹氣楔作用下，使裂隙貫通、擴(kuò)大形成巖塊，脫離母巖。

2.3 形成大塊的原因

當(dāng)應(yīng)力波在介質(zhì)中傳播時(shí)，應(yīng)力波到達(dá)物體邊界或不同波阻抗材料的界面時(shí)，將發(fā)生反射和透射[1]。圍巖與鈣質(zhì)結(jié)核狀巖石波阻抗不同，且分界面清晰，藥包裝在圍巖中時(shí)，炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波從圍巖向結(jié)核狀硬巖傳播，到達(dá)圍巖與結(jié)核狀硬巖分界面時(shí)發(fā)生反射與投射，應(yīng)力波反射形成拉伸應(yīng)力波再次作用于軟巖加強(qiáng)對(duì)軟硬的破碎作用，投射的應(yīng)力波作用于硬巖，投射進(jìn)入鈣質(zhì)結(jié)核巖石的應(yīng)力波經(jīng)過(guò)衰減不足以使結(jié)核狀巖石的產(chǎn)生裂隙，后期的高壓膨脹氣體不能對(duì)結(jié)核狀硬巖產(chǎn)生氣楔作用，最終形成孤石大塊或拉底。

3 大塊巖石破碎方法及弊端

3.1 機(jī)械破碎法及弊端

該礦前期采用機(jī)械破碎法處理孤石大塊，配備2臺(tái)破碎錘。該設(shè)備是由斗山挖掘機(jī)改裝而來(lái)的，挖掘機(jī)馬力和破碎錘匹配不夠合理，挖掘機(jī)馬力為220，馬力不足，相當(dāng)于小牛拉大車(chē)，油泵配件容易疲勞損壞，設(shè)備故障率高，加之結(jié)核狀孤石大塊韌度大不易破碎，破碎錘在破碎過(guò)程中設(shè)備工效極低，造成大量孤石大塊堆積在工作面與臺(tái)階坡底，不僅影響采裝設(shè)備作業(yè)，大大降低采裝設(shè)備的生產(chǎn)能力，而且嚴(yán)重影響工作面的正常推進(jìn)。

3.2 裸露爆破法及弊端

該礦在設(shè)備故障時(shí)曾嘗試性地采用裸露爆破法破碎大塊巖石。該方法是將藥包放在需爆破大塊巖體的凹槽處、裂隙發(fā)育部位，或孤石、塊石的表面，并用黏土覆蓋后引爆，利用的炸藥猛度對(duì)被爆物體的局部產(chǎn)生壓縮、粉碎或擊穿作用，爆炸時(shí)產(chǎn)生的高壓氣體大部分逸散到大氣中損失掉，炸藥爆炸能量利用率極低。

雖然該破巖方法具備操作技術(shù)簡(jiǎn)單、工人易于掌握、無(wú)需輔助設(shè)備及工作靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其也存在諸多弊端：爆破炸藥單耗大，超過(guò)2kg/m3，經(jīng)濟(jì)上不合理;爆破效果不易控制，因此不宜破碎體量較大的巖石，一般不宜大于2m3;爆破的飛石易飛散較遠(yuǎn)，造成事故，在一次裸露爆破過(guò)程中，爆破飛石從工作面飛到內(nèi)排土場(chǎng)，飛行距離超過(guò)500m。綜合考慮安全與經(jīng)濟(jì)成本，不再使用裸露爆破法破碎大塊。

3.3 小孔徑鉆孔炮眼法二次爆破法及弊端

因機(jī)械破碎錘故障率高，設(shè)備維修期間，僅能采用小孔徑鉆孔炮眼法二次爆破大塊巖石，鉆孔機(jī)械一般采用手持式（氣腿式）鉆機(jī)鉆孔，孔徑35～50mm，鉆孔工作效率低，在鉆孔過(guò)程中需要人員爬上大塊巖石，在大塊巖石上進(jìn)行鉆孔，無(wú)任何安全防護(hù)措施，存在較大安全隱患。

此外，由于神山露天煤礦無(wú)手持式鉆機(jī)及配套空壓設(shè)備，且缺乏配備相關(guān)設(shè)備的操作人員，需要臨時(shí)聘請(qǐng)有關(guān)人員進(jìn)行施工。施工人員考慮到勞動(dòng)成本與經(jīng)濟(jì)效益，不能按照神山礦生產(chǎn)需要及時(shí)開(kāi)展鉆孔工作，工作面大塊累積到一個(gè)鉆孔臺(tái)班時(shí)間時(shí)，施工人員方才入場(chǎng)施工，嚴(yán)重制約了工作面的正常推進(jìn)、道路移設(shè)等工程。

4 大孔徑鉆孔炮眼法二次爆破的應(yīng)用

4.1 鉆孔設(shè)備選型

本著自力更生與勤儉節(jié)約的原則，鉆孔設(shè)備選型要達(dá)到降低成本、提高工效的目的。該礦爆破工程技術(shù)人員充分利用現(xiàn)有設(shè)備與操作人員，最終確定炮眼法二次爆破鉆孔設(shè)備采用HD451履帶式潛孔鉆機(jī)，該型鉆機(jī)鉆孔直徑為110mm。該款鉆機(jī)具備體型小、機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)生產(chǎn)需要快速到達(dá)任一工作面，具備靈活機(jī)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。

4.2 爆破方法

為了防止先起爆的大塊產(chǎn)生飛石砸斷未起爆的爆破網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致拒爆，孔內(nèi)起爆元件采用一段瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管，地面?zhèn)鞅捎靡欢嗡舶l(fā)雷管，在警戒安全距離外用導(dǎo)爆管起爆器激發(fā)傳爆導(dǎo)爆管，實(shí)現(xiàn)瞬（齊）發(fā)爆破。

4.3 爆破網(wǎng)絡(luò)連接方式

爆破網(wǎng)絡(luò)連接采用簇連法，即將各大塊巖石炮孔內(nèi)引出的導(dǎo)爆管就近分成若干束，每束導(dǎo)爆管捆連在一發(fā)（或2發(fā)）導(dǎo)爆管傳報(bào)雷管上，將這些導(dǎo)爆管傳報(bào)雷管在集束捆連接上一級(jí)傳爆雷管上，直至用一發(fā)起爆雷管擊發(fā)即可將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)起爆。

4.4 鉆孔參數(shù)

形狀較勻稱(chēng)，體積在8m3以下的孤石大塊只需鉆一個(gè)深至幾何中心的鉆孔，體量大的孤石可適當(dāng)增加炮孔數(shù)量，炮孔間距1.5～2m。

5 大孔徑鉆孔炮眼法二次爆破技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

5.1 經(jīng)濟(jì)效果顯著

通過(guò)利用大孔徑鉆孔炮眼法二次爆破技術(shù)，大大節(jié)約了大塊巖石破碎成本，為該礦創(chuàng)造了顯著經(jīng)濟(jì)效益。采用機(jī)械破碎法破碎大塊時(shí)，油耗和配件損耗核算成本為9.02元/m3，大孔徑鉆孔炮眼法破碎大塊時(shí)，鉆孔油耗、配件消耗及爆破器材消耗核算成本為7.68元/m3，根據(jù)該礦年生產(chǎn)計(jì)劃，爆破量約為500萬(wàn)m3/年，深孔爆破大塊率約為5%，大塊總方量為25萬(wàn)m3，采用大孔徑大塊二次爆破法破碎大塊比利用破碎錘破碎大塊一年可以節(jié)約成本不少于33.5萬(wàn)元/年，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.2 生產(chǎn)效率顯著提高

大孔徑鉆孔炮眼法二次爆破技術(shù)生產(chǎn)效率高，鉆孔設(shè)備臺(tái)班鉆進(jìn)米數(shù)超過(guò)200m/臺(tái)班，鉆孔效率高，上午鉆孔下午即可實(shí)施爆破，一個(gè)班爆破量相當(dāng)于機(jī)械破碎法三個(gè)班的破碎量，比機(jī)械破碎法高出2倍工效。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用大孔徑鉆孔炮眼法二次爆破技術(shù)，取得了良好的爆破效果。大塊巖石與爆破落底能得到及時(shí)有效處理，不僅有利于采裝設(shè)備發(fā)揮最大產(chǎn)能，還能保障工作面順利推進(jìn)，有效提高了生產(chǎn)效率。該項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用了2年半，直至企業(yè)重組整合，累計(jì)為該礦節(jié)約生產(chǎn)成本83.75余萬(wàn)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，值得積極推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢(qián)建平.基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)教程[M].北京：地質(zhì)出版社，2014.