黑山露天煤礦分層爆破實驗研究

梁 斌，張 哲，孫 靜

（新疆安順達礦山技術工程有限責任公司，新疆烏魯木齊 830000）

神新黑山露天礦二標段為2 490 m 標高以下臺階巖石剝離和煤層開采。由于巖層較為堅固，巖石巖性多樣，軟巖硬巖交叉分布，炮孔深度較大，最深達16.5 m，致使炮孔底部受巖石夾制作用較大，致使爆破完畢后采裝經常出現局部根底，常常需進行二次鉆孔爆破處理，導致實際單耗增加，不僅增加了鉆孔爆破成本，而且降低了鏟裝效率。為降低炸藥單耗，降低巖石剝離成本，進行了此次分層爆破實驗。

1 工程概況

神新黑山露天煤礦位于新疆吐魯番地區托克遜縣境內，位于托克遜縣硝爾布拉克（黑山）～梯匈溝普查勘探區中部，托克遜縣西北邊緣。北距烏魯木齊市約90 km，東距南疆鐵路魚兒溝車站約50 km。距黑山煤礦露天區東部8 km 的戈壁土路與103 省道相接，北可達烏魯木齊市，南可至艾維爾溝煤礦及南疆鐵路魚兒溝車站，東與至蘭新鐵路鹽湖車站公路相接。海拔高程＋2 570～＋2 760 m。礦區年平均氣溫1.2～2.3 ℃，降水多集中于每年的4—10 月，約占全年降水量90%以上。

黑山露天礦區春季多風，最大風速13 m/s，風向主要為西北風及東南風。凍結期一般在每年11 月至翌年的3 月。

該礦地質結構復雜，巖性變化較快，原生節理發育完善。主要巖石有泥巖、頁巖、砂巖，其中砂巖尤其是黃砂巖，堅硬致密，施工難度大。礦區內巖石物理力學指標見表1。

表1 礦區內巖石物理力學指標

2 分層爆破方案

2.1 數學模型和分層爆破方案

深孔爆破方量計算公式[1－4]為：

式中：V 為爆破總方量，m3；a 為孔距，m；b 為排距，m；H 為臺階高度，m。

裝藥量為：

式中：Qz為總裝藥量，kg；N 為爆破孔數；Qd為單孔裝藥量，kg；ρ 為炸藥密度，g/cm3；r 鉆孔直徑mm；Hy藥為裝藥高度，m；V 為爆破總方量，m3；a 為孔距，m；b 為排距，m；H 為臺階高度，m；L 為矩孔深度，m；Qm為每米裝藥量，kg；k 為炸藥單耗，kg/m3；Ht為填塞高度，m。

按深孔爆破鉆孔超深10%，填塞高度3.5 m 代入式（4）得：

根據黑山露天煤礦實際情況，現在礦山臺階高度15 m，鏟裝設備為2～3 m3挖掘機，鏟裝高度8 m，鏟裝巖石時分層作業。上式中臺階高度合理取值為15 m 和7.5 m，其中，臺階高度不同時，理論上孔徑、孔距、排距不變情況下炸藥單耗k 與臺階高度負相關，理論上7.5 m 臺階高度在保持孔距、排距、孔徑不變情況下炸藥單耗降低為15 m 臺階高度的72.4%，炸藥單耗降低了27.6%[5]。

為更好的服務于神新黑山露天煤礦，降低炸藥單耗，降低巖石剝離成本，進行該分層爆破實驗。具體實驗方案是在已有的爆破作業基礎上，將15 m 高臺階分成2 個7～8 m 臺階進行更進一步的爆破作業實驗，以保證在不同巖性下采用合適的臺階高度、孔距、排距、孔徑進行爆破作業，達到降本增效的目的。

2.2 分層爆破方案鏟裝效率

1）鏟裝隊鏟裝情況現狀。二標段爆破施工作業范圍為2 490 m 中段以下，共分為2 490、2 475、2 460、2 445、2 430、2 415、2 405 m 水平7 個臺階，每個臺階有2～3 個作業面，鉆孔和爆破輪流作業。現有巖石剝離鏟裝作業挖掘機24 臺，4 臺為輔助作業，實際鏟裝作業挖掘機20 臺，每個臺階有1 個工作面鉆孔，1 個工作面爆破作業，鏟裝作業面有7個，每個作業面長度不小于150 m，按每臺挖掘機工作線長度50 m 考慮，可布置3 臺挖掘機同時作業，挖掘機斗容量為5 m3，每臺挖掘機1 d 可裝車100車，每車裝30 m3，1 臺挖掘機1 d 可裝車3 000 m3，1年（年工作時間按260 d 計算）可裝車78 萬m3，年剝離巖石量為1 500 萬m3，需要20（臺）挖掘機，與現場實際相吻合。

2）有利因素。分層爆破方案實施后，原有道路保持不變，只是將15 m 臺階分成2 個7.5 m 臺階，每天爆破方量不變，在孔距和排距保持不變的情況下，只是爆破孔數增加1 倍，裝藥量減少約10%，由于臺階降低為7.5 m，巖石夾制作用減少，爆破效果好于現在15 m 臺階，巖石大塊率也降低萬分之1.7，提高挖掘機的裝車效率。在平面尺寸不變的情況下，擺放挖掘機數量不變，同時由于7.5 m 臺階爆破后爆堆高度約為8 m，更適宜裝車，不需要分層裝車，提高裝車效率[6]。根據第1 階段實驗數據，鏟裝效率提高了8.0%；大塊率降低了萬分之1.7；采裝結束后臺階平面未出現根底。在現有鏟裝條件下采用分層爆破比15 m 高臺階更為有利。從爆破和鏟裝綜合效率上來看，分層爆破綜合成本要低于15 m 高臺階。

3）不利因素。分層爆破實施后，臺階平整次數增加1 倍，由于分層爆破大塊率減低，臺階平整度要好于15 m 臺階爆破，臺階平整工程量增加50%。

綜上所述，考慮分層爆破后挖掘機鏟裝效率會有所提高，與平整臺階工程量增加的成本可以抵消，因此，分層爆破后挖掘機鏟裝綜合成本保持與15 m臺階持平。

3 實驗方案

為了全面分析臺階高度、孔距、排距、孔徑4 個因素對爆破單耗的影響，項目部采用實驗法進行分層爆破實驗，實驗選定上述4 個因素，每個參數選定1～2 個水平進行實驗，通過實驗結果確定各個參數與爆破單耗的關系。根據實驗來確定合理的爆破臺階高度、爆破參數及鉆孔直徑[7]。

礦區巖性從上向下排列依次為泥巖、頁巖、砂巖，越靠近煤層巖石越硬。因此，在下部2 430～2 415 m水平之間進行實驗，計劃將孔距由5.0～6.0 m 擴大為5.5～6.5 m，排距由4.5 m 擴大到4.7 m。在中部2 460～2 430 m 水平之間進行實驗,計劃將孔距由6.0～7.0 m 擴大為6.5～7.5 m，排距由4.5～4.7 m 擴大到4.7～5.0 m。在上部2 490～2 460 m 水平標高實驗時，將孔距由6.5～7.5 m 擴大到7.0～8.0 m，排距由4.7～5.0 m 擴大到5.0～5.5 m。

以上述實驗方案為依據進行爆破實驗，在爆破實驗過程中如發現爆破質量無法達標時應停止該因素的繼續增大，并退回上1 個參數進行下1 組因素的爆破實驗。在實驗過程中，爆破質量由黑山項目部、采剝單位及礦生產技術部共同進行評估，評估完成后再由項目部和礦生產技術部確定實驗因素的進一步推進[8]。

4 實驗結果

第1 階段實驗位于西幫＋2 430 m 水平降＋2 415 m 水平臺階，主體巖層為較為堅固的黃砂巖，巖石普氏系數為Ⅴ級，臺階高度為15 m。爆破實驗將15 m臺階分成2 個7.5 m 臺階進行分層爆破實驗。

4.1 爆破實驗數據對比

2020 年6 月9 日至7 月10 日進行了爆破實驗。

第1 次爆破上半層臺階，即西幫＋2 430 m 水平降西幫＋2 422.5 m 水平臺階，臺階高度為7.5 m，共計布設6 排炮孔，呈梅花形。考慮到為下半層臺階爆破時預留出施工道路，在鉆孔爆破時，修出1 條坡道，供下次爆破時使用。孔深具體分布如下：從南往北第1～第15 孔為修坡道，孔深依次為1～8 m；第16～第41 孔為正常臺階深度孔，孔深為8 m，超深為0.5 m。

第2 次爆破下半層臺階，即西幫＋2 422.5 m 水平降西幫＋2 415 m 水平臺階，臺階高度為7.5 m，共計布設6 排炮孔，呈梅花形。由于上半層爆破時預留出施工坡道，第2 次作業一次爆破到位。孔深具體分布如下：從南往北第1～第14 孔為坡道加臺階，孔距為6 m，孔深依次為16.5～8 m；第15～第34 孔為正常臺階深度孔，孔深為8 m，孔距為5.5 m；超深為0.5～1.5 m。

實驗數據如下：2 次分層總方量91 200 m3，總藥量40.4 t，平均單耗443 g/m3，大塊數20 個，大塊率萬分之2.2，爆破鏟裝后無根底，日均采剝方量為5 000 m3。

在實驗前同一臺階，相同部位進行整臺階爆破（15 m 臺階）時，統計數據為爆破方量104 490 m3，總藥量52.454 t，平均單耗502 g/m3，大塊數41 個，大塊率萬分之3.9，爆破鏟裝后出現根底。

4.2 爆破成本

1）整臺階爆破成本。整臺階爆破數碼電子雷管使用數量258 發，整臺階爆破母線使用量1 300 m，整臺階爆破鉆孔總進尺4 257 m，整臺階爆破方量104 490 m3，總藥量52.454 t。現在各種材料的價格為混裝炸藥7 000 元/t，數碼電子雷管價格為35.2元/發，爆破母線價格為0.6 元/m，鉆孔成本22 元/m。整臺階爆破總成本為470 693.6 元，爆破總方量為104 490 m3，則單位爆破成本為4.505 元/m3

2）分層爆破成本。分層爆破數碼電子雷管使用數量486 發，分層爆破母線使用量2 350 m，分層爆破鉆孔總進尺3 928 m，2 次分層總方量91 200 m3，總藥量40.4 t。分層爆破總成本為387 733.2 元，分層爆破總方量91 200 m3，則單位爆破成本為4.251元/m3。

4.3 實驗結果及鏟裝效率

上述數據對比發現分層爆破較之整臺階爆破：炸藥單耗下降了11.8%；大塊率降低了萬分之1.7；單位爆破成本下降了5.64%。采裝結束后臺階平面未出現根底。

根據礦方提供的采剝數據，2020 年2 季度中煤二班日均單機剝離量為5 152 m3，而分層爆破處日均單機剝離量為5 000 m3。由于分層爆破部位位于坑底西幫＋2 415 m 水平臺階，運距最長，故分層爆破后鏟裝效率與礦日均采剝效率大致持平。

5 結語

黑山露天煤礦現在露天剝離臺階高度15 m，由于巖層較為堅固，巖石巖性多樣，軟巖硬巖交叉分布，炮孔深度較大，最深達16.5 m，炮孔底部受巖石夾制作用較大，致使爆破完畢后鏟裝經常出現局部根底，常常需要進行二次鉆孔爆破處理，導致實際單耗增加，不僅增加了鉆孔爆破成本，而且降低了鏟裝效率。

通過第1 階段分層爆破實驗，降低了爆破作業炸藥單耗和爆破大塊率，消除了根底，達到了降低爆破成本和提高鏟裝效率的目的，取得了預期效果。為黑山露天煤礦下階段爆破實驗提供了實驗參考依據，也為類似露天礦山爆破作業降低炸藥單耗和爆破成本提供了參考。