工程水壓爆破在煤層爆破中的應用

溫 珊 胡 葵

（1.山西潞安民爆器材有限責任公司，山西 長治 047506；2.北京安聯國科科技咨詢有限公司，北京 101312）

1 工程概況

黑岱溝露天煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗，設計生產能力10Mt/a。表土剝離采用連續開采工藝，采用4臺輪斗挖掘機。下部采用單斗卡車和吊斗鏟開采工藝。采煤采用2500t/h半移動式破碎站，輪斗挖掘機連續開采工藝系統。煤層厚度57.33～73.52m，密度1.19t/m3，抗拉、抗剪斷能力較低，易自燃。黑岱溝露天煤礦在煤層爆破中進行了工程水壓爆破技術的試驗，意在減少爆破引起煤層著火和確保煤層爆破塊度要求。

2 工程水壓爆破原理及特點

2.1 工程水壓爆破的原理

水壓爆破與以空氣為耦合介質的普通爆破相比，在介質的破碎機理上沒有太大的區別，但是在爆破作用特征上，由于兩者的物理性質不同，表現出明顯的差異。

（1）在不耦合系數相同的條件下，水壓爆破的應變波強度和變形勢能比以空氣為耦合介質爆破的大。這說明爆破同樣一個物體時，前者所消耗的能量和炸藥量都比后者低。

（2）水壓爆破和空氣爆破的應變波強度隨不耦合系數的增大皆呈指數函數衰減。但是，前者的衰減速度比后者要慢，兩者相差幾乎接近1倍。這是水的密度較大所致。

緩沖爆破的效果除了與緩沖介質的性質有關以外，不耦合裝藥是形成緩沖爆破的關鍵技術措施，因此不耦合系數是影響緩沖爆破效果的關鍵參數。選取不耦合系數時必須考慮介質的性質、炸藥的性能及爆破條件和要求。選取的不耦合系數過小，則起不到抑壓和緩沖的作用；選取的值過大，則破碎不了介質。

2.2 工程水壓爆破特點分析

大量工程實踐和試驗研究證明，不堵塞炮孔爆破炸藥的能量會以“沖炮”形式泄出，而爆轟波傳到炮孔不同部位時，由于空氣的可壓縮性極大，應力波大部分能量衰減消失，極大削弱了對炮眼巖壁的破碎力。利用炮泥回填堵塞炮孔，可以加強膨脹氣體的破巖作用，但炮泥也是可壓縮的，只不過與空氣相比壓縮性小，應力波能量損失相對比空氣少。如果以水作為應力波的傳播介質，水是不可壓縮的，吸收的爆炸能量小，這就解決了應力波傳播過程中的能量損失問題。但如果全用水堵塞，水對膨脹氣體沒有約束能力，試驗表明，全用水袋堵塞，也會發生“沖炮”現象，起不到提高炸藥能量利用率的作用。

3 工程水壓爆破的實踐

3.1 爆破試驗

（l）主要爆破參數

孔深H：根據臺階高度及業主方要求，孔深有9.5m、6.0m、15m三種主要參數，如圖1所示。

圖1 孔深切面圖

孔徑d：采用現有的CM-351鉆機，孔徑d=115mm。

最小抵抗線w：w=3.0m。

炸藥消耗量q：根據長期生產實踐，q=0.1kg/m3。

孔距、排趴：a=8.0m，b=5.0m 采用梅花形布孔方式，如圖2所示。

單孔裝藥量Q：Q=qabH=31.2～46.8kg。

堵塞長度L：L=H-Q/Qm=2.4～3.5m。

同樣利用圖1實驗平臺，還測試了薄膜對出射功率為8.4 W的CO2連續激光的透過率和反射率隨輻照時間的變化情況.發現薄膜對10.6 μm遠紅外連續激光的透過率接近于0，在受輻照的60 s內幾乎保持不透，而反射率則會有一定幅度變化，結果如圖9所示.

（2）水瓶的加工

水瓶為長20cm、直徑6.0cm的聚乙烯塑料瓶，瓶中充滿水后，將瓶蓋擰緊。水瓶放置、運輸時有輕微變形，不影響裝填及最后的爆破效果。

圖2 炮孔布置圖

（3）炮孔裝藥結構

炮孔的裝藥結構如圖3所示，炮孔的裝藥結構依次為炸藥、水瓶、砂土。裝藥量根據煤層條件按常規爆破的鉆爆設計計算。水瓶、砂土的裝填比例根據各孔裝藥后的剩余空間，現場試驗確定。砂土的裝填長度不宜太短，以免發生沖炮現象。

圖3 裝藥結構圖

（4）起爆網路

孔內下導爆索，地表采用高精度雷管-導爆索起爆網路，如圖4所示。

圖4 起爆網路示意圖

（5）試驗數據采集

① 篩分法每次試驗炮爆破后，隨時抽取長×寬×高= 20m×5m×10m斷面爆渣，經挖機裝車后過磅，然后經篩分系統進行篩分，將各類粒徑的煤塊分別稱后計算出塊煤率，填寫試驗報告后存檔。

② 影像法。采用影像設備（數碼相機、DV等）記錄爆破過程及爆后效果，為試驗留下直觀的原始資料。

③ 測量法。使用RDK對取樣的爆堆方量進行測量，以校核斷面法相關數據的準確性。利用便攜式紅外線測溫儀測量每次爆破試驗煤層爆破前地表溫度、孔底溫度和爆破后地表溫度、裂隙溫度，并記錄。

④ 目測法。通過對試驗炮的爆后質量跟蹤，對爆堆表層的塊煤情況進行形象描述。

3.2 爆破效果分析

經過分析爆破效果，爆破后煤層大塊率有較明顯增加，塊度較均勻，易于挖裝。孔深15.0m爆破區域，塊度基本達到礦方要求，塊度均勻。孔深9.5m爆破區域，表面塊度明顯增加。試驗數據表明，采用工程水壓爆破技術對提高爆破后塊煤率（大塊和中塊）有明顯效果。

爆破后溫度變化：孔深9.5m爆破區域爆破前孔內平均溫度為4℃，爆破后為7℃；孔深6.0m爆破區域爆破前孔內平均溫度為10℃，爆破后為24℃。數據基本證明，采用工程水壓爆破技術，爆破后對降低孔內溫度有一定效果。

4 應用效果

（1）在煤層爆破中，采用工程水壓爆破可以實現不耦合裝藥，減小細煤粒的產生，提高塊煤率。

（2）工程水壓爆破可以提高炸藥能量利用率，爆破后煤渣的塊度均勻度增加，降低炸藥單耗量，節約開采成本。

（3）利用廢棄的塑料瓶裝水，作業過程簡單、環保、操作方便，工作人員容易掌握。如果露天煤礦大規模使用，可以進行訂制，在煤層中應用可取代空氣間隔器。

（4）減少爆破危害，降低爆破振動速度，工程水壓爆破無飛石，噪聲明顯減少。