哈爾烏素露天煤礦深孔爆破根底控制方法

高富強

（國家能源集團準能集團公司 哈爾烏素露天煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

露天礦山穿孔爆破作業是露天開采環節的首要工序，露天礦場內的礦巖在采裝前一般需要預先破碎[1-2]，按照爆破類型爆破方法主要分為光面爆破、預裂爆破、深孔爆破、淺孔爆破等，按照爆破效果及裝藥量主要分為松動爆破和拋擲爆破[3]。大型露天煤礦尤其是采用單斗挖掘機作業的主要采用松動爆破，控制裝藥量使巖體進行預松碎，方便挖掘機采裝，拋擲爆破炸藥單耗較大，主要應用在拋擲倒堆工藝的露天礦中。哈爾烏素露天煤礦采用的是單斗卡車+地表半固定破碎站的組合工藝，煤巖臺階的主要爆破方法為松動爆破。露天礦山穿爆效果對其后各生產環節的設備安全和效率成本都有著直接的影響。礦巖破碎后不合格的大塊需進行二次破碎，不僅提高了穿爆成本，還影響裝車效率和安全[4-5]。而有用礦物的過度粉碎，則會影響產品質量，降低經濟效益。另外，爆堆幾何尺寸和形狀也會對采裝、運輸等生產環節產生較大影響[6-7]。高荏翔[8]通過優化孔網參數和裝藥結構有效改善了磁海鐵礦大塊與根底問題；陳寬[9]針對酒鋼西溝礦中深孔爆破根底問題，提出了合理炮孔超深、增大前排孔孔徑及炮孔孔底裝填重銨油炸藥的措施；許垅清[10]則根據現場施工實際情況，從施工的角度提出了現場孔口、孔底起爆的對比試驗，結果表明孔口起爆區域底板更為平整，根底情況得到有效控制。因此，爆破質量在露天礦山生產運營、成本控制和安全保障中至關重要。

1 露天礦爆破根底原因分析

哈爾烏素露天煤礦位于鄂爾多斯準格爾煤田，核定生產能力35 Mt/a，2017—2019 年均爆破巖石量8 134.31 萬m3，消耗炸藥31 979.67 t。根據哈爾烏素露天煤礦爆破過程中存在問題及現場勘查，現場存在爆破大塊和根底，主要原因為巖石臺階內部軟硬巖分布不均。

根據巖石破碎機理和爆破效果影響因素分析，深孔臺階爆破產生根底的原因是多方面的，結合現場勘查和工程經驗，經分析研究得出根底產生的具體原因如下：

1）巖石較硬的情況下，前排孔底盤抵抗線過大，爆破時爆破漏斗作用產生的炸藥能量到不了臺階根部，將會導致臺階根部產生根底。

2）炮孔裝藥過多，充填過小，充填質量差會導致炸藥能量過早向上泄露，不利于底部巖石的破碎，炮孔裝藥過少，炸藥能量不足，也易產生根底。

3）孔網參數不合理。由于穿孔和采場地質條件等因素的影響，使個別孔間距或排間距偏大。當孔間距偏大時，炮孔的間距遠遠大于最小抵抗線，此時2個炮孔裂隙區較遠，爆炸產生的裂隙不能貫通，尤其在臺階底部水平上無裂隙形成，導致根底的形成；當排間距偏大時，爆破效果同前排抵抗線偏大時也易產生根底。

4）因炮孔含水。現場在裝藥過程中下部裝空氣間隔，致使裝藥重心上移，有效裝藥超深量不足，使臺階下部超過爆破漏斗作用范圍。

2 爆破根底控制優化

2.1 加大超深，尤其保證含水孔超深部位裝藥

哈爾烏素露天煤礦巖石臺階爆破目前設計中采用超深為2 m，而當炮孔中含水時采用下部裝空氣間隔然后上部裝銨油炸藥，在此條件下，空氣間隔器占用0.8 m 的超深而無法裝藥，致使實際有效超深降低。而炮孔中含水是由含水巖層滲入，并不是由孔口標高水匯入，并不能通過增加孔深實現降低孔內水位的效果。因此，這種情況下，為保證爆破質量，唯有將原含水孔“下部空氣間隔上部裝銨油炸藥”調整為“下部含水部位裝乳化炸藥加空氣間隔上部裝銨油炸藥”，這樣能充分保證炮孔超深。同時，炮孔超深高度可以增加0.5～1 m，即將超深提高至2.5～3 m。含水炮孔裝藥結構調整示意圖如圖1。另一方面，在保證了下部裝藥重心以外，在臺階下部為硬巖條件下還應盡量控制使臺階坡底部分處于最下部藥包的最小抵抗線范圍以內，能充分保證在炸藥能量釋放前對底盤抵抗的作用時間和效果，克服前排根底。同時，在后排根底嚴重的情況下也應該適當增加后排炮孔超深。

圖1 含水炮孔裝藥結構調整示意圖

2.2 減小排距和底盤抵抗線

排距或底盤抵抗線過大也是產生根底的另一因素，因前排孔臨空面為傾斜坡面，最低裝藥部位的最小抵抗線方向下方容易產生根底。如果在保證同等炮孔長度和裝藥長度的條件下，減小前排孔至坡面的距離，則產生根底的部位和剖面上根底面積會明顯降低，因此，應在保證鉆機作業安全所需的最低安全距離條件下，減小鉆機至臺階坡頂線的距離。炮孔位置調整對應最小抵抗線方向示意圖如圖2。

圖2 炮孔位置調整對應最小抵抗線方向示意圖

另一方面，堅硬巖石間排距過大也是重要因素。因此，應針對易出現根底的爆區降低排距。

2.3 孔網參數調整方案

方案中主要涉及排距、單耗、超深的影響，從分析參數變化對爆破根底效果影響的角度出發進行方案設計。初步擬定設計排距減小和不變2 種情況、單耗不變和增大2 種情況、超深增大0.5 m 和增大1 m 2 種情況，按照正交試驗設計原則，擬定的3 因素2 水平正交試驗方案見表1。

表1 上軟下硬臺階穿爆參數L4（23）正交試驗方案

1）在增大超深0.5 m 且控制炸藥單耗0.38 kg/m3（炸藥密度850 kg/m3）不變的條件下，對下部硬巖產生根底情況進行排距和裝藥結構調整（排距減小、單耗不變，則單孔裝藥量降低），排距調整為6.5 m，裝藥結構改為間隔裝藥，孔徑250 mm，孔深17.5 m，孔間距11 m，堵塞長度6.0 m，超深2.5 m，總裝藥高度11.5 m，臺階高度15 m，孔數80 個，預計爆破量858 00 m3。

2）在增大超深1 m，同時改變炸藥單耗至0.40 kg/m3的條件下，對下部硬巖產生根底情況進行排距和裝藥結構調整，排距調整為6.5 m，裝藥結構改為間隔裝藥，孔徑250 mm，孔深18 m，孔間距11 m，堵塞長度6.0 m，超深3 m，總裝藥高度12 m，臺階高度15 m，孔數80 個，預計爆破量85 800 m3。

3）在增大超深1 m 且控制炸藥單耗0.38 kg/m3（炸藥密度850 kg/m3）不變的條件下，對下部硬巖產生根底情況進行裝藥結構調整，裝藥結構改為間隔裝藥，孔徑250 mm，孔深18 m，孔間距11 m，孔排距7 m，堵塞長度6.0 m，超深3 m，總裝藥高度12 m，臺階高度15 m，孔數80 個，預計爆破量92 400 m3。

4）在增大超深0.5 m，同時改變炸藥單耗至0.40 kg/m3的條件下，對下部硬巖產生根底情況進行裝藥結構調整，裝藥結構改為間隔裝藥，孔徑250 mm，孔深17.5 m，孔間距11 m，孔排距7 m，堵塞長度6.0 m，超深2.5 m，總裝藥高度12 m，臺階高度15 m，孔數80 個，預計爆破量92 400 m3。

出現根底面積與爆區面積比值定義為“根底率”，通過哈爾烏素露天煤礦現場實施以上4 種方案后，獲得各方案對應根底發生率，并以此進行極差分析，確定最各參數對根底發生的影響排序，進而提出預優化方案。

2.4 提高填充密實度

炮孔填充密實程度會影響炮孔內氣體封堵效果和有效作用程度，提高炮孔充填密實度能有效減小爆生氣體泄露并提高孔內作用時間，對提高破碎效率及降低根底情況具有明顯作用效果。現場填充僅采用炮孔填塞機夾取頂部炮孔巖粉1～2 次即完成炮孔填充，靠巖粉重力滑入孔中，受孔壁及空氣影響填充密實度，尤其是炮孔內含水裝完乳化炸藥后孔內水從孔中反出情況下，巖粉受水的浮托力影響使填充密實度進一步減小。因此，建議在采用炮孔填塞機在進行炮孔填充時，采用竹竿伸入炮孔適當搗實。

3 參數優化結果

依據前述提出實施方案及質量提升措施，現場實施后統計的相應各方案效果見表2。

對各方案進行極差R 分析：

表2 上軟下硬巖石臺階質量提升方案及效果統計表

式中：Ki為每個因素中各水平試驗結果之和；ki每個因素中各個水平的平均效果。

爆破參數優化方案結果分析如表3，從表3 中可以看出極差越大，表示該列因素的數值在試驗范圍內的變化，會導致試驗指標在數值上有更大的變化，所以極差最大的那一列，就是因素的水平對試驗結果影響最大的因素，也就是最主要的因素。

表3 爆破參數優化方案結果分析

因素水平時效果影響趨勢圖如圖3。

由圖3 可知，隨著炸藥單耗的增加，對巖石的松碎效果變好，根底率逐漸降低；隨著超深的增加，根底率在降低，效果較為明顯；而縮小炮孔排距也有益于降低根底率。

因此，結合極差分析結果和趨勢圖可以看出，在試驗范圍內，最優方案為A2B2C1，即對應方案2：增加炸藥單耗、加大超深和降低排距能夠有效起到降低根底率的效果。

4 結語

1）分析了底部硬巖巖石臺階產生根底的主要原因，主要包括：前排孔底盤抵抗線過大、充填質量差導致炸藥能量過早向上泄露、孔間距偏大及炮孔含水條件下底部裝空氣間隔致使裝藥重心上移。

圖3 因素水平對效果影響趨勢圖

2）在充分考慮爆破效果關鍵影響因素的基礎上，提出了基于炸藥單耗、超深及排距的3 因素2 水平正交試驗方案，通過現場實踐后統計相關的實驗結果，通過極差分析后表明根底范圍明顯區域增加炸藥單耗至0.4 kg/m3、加大超深至3 m 和降低排距至6.5 m 能夠有效起到降低根底率的效果。

3）當炮孔內含水條件下盡量采用乳化炸藥，避免在淺水孔下部加空氣間隔后裝銨油炸藥，如遇淺水孔則宜采用下部乳化-空氣間隔-上部銨油炸藥，能保證下部足夠超深和能量利用。