基于PDCA循環的高溫爆破技術

謝錢斌

(宏大爆破工程集團有限責任公司，廣州 510623)

1 工程背景

大石頭煤礦位于賀蘭山北段汝箕溝礦區的大嶺井田內，南北走向長992 m，東西走向寬630 m，面積0.546 km2，基建區植被稀少，邊坡穩定，山脈近南北向延伸，自東向西山勢逐漸增高，地形起伏較大，巖石多為砂巖，有少量泥巖，比較堅硬。由于多年地下開采，各煤層均存在采空區，原煤自燃使得巷道多處存在火區和高溫區，由于資料和當前技術限制，火區面積不詳。地下高溫限制了原有的井工礦開采，繼而轉為露天復采，井口封閉后仍有空氣進入采煤巷道，加之放頂后進一步加劇了氧氣滲入，與煤表面發生了物理化學反應，放出熱量在通風不暢的情況下造成熱量不斷聚集，煤層溫度隨之逐步上升；隨著煤溫上升，煤層及巖體內的熱應力逐漸增大，破壞了圍巖的穩定性，使得煤層和巖石空隙率增大，地表裂隙逐漸增大，自由面增多，進風強度也隨之加大，加速了煤層自燃反應形成了高溫火區，嚴重制約了露天復采的工程進度[1]。在此之前，其他礦區基本上均以機械挖掘為主，成功進行高溫爆破安全管理和施工的工程并不多見。

美國質量管理專家戴明博士提出的PDCA循環質量管理，通過計劃、執行、檢查和效果處理，使任何一項符合邏輯的工作程序得到了有效進行和優化。炮孔降溫效果和網路安全是影響高溫爆破的重要因素，本工程將PDCA循環原理引入到安全管理工作中，并驗證是一種有效的安全管理方法。

2 基于PDCA循環的爆破設計

2.1 工程難點

1)施工環境十分復雜，高溫火區分布區域不明確，經常出現鉆孔注水降溫后孔溫無法達到安全爆破的情況。

2)安全要求極高，周圍露天復采基建剝離設備和人員較多需重點保護。

3)技術難度大，受地下自燃煤層影響，鉆孔后炮孔溫度高達100～300 ℃，普通爆破器材和爆破技術無法滿足安全生產的要求。

4)施工進度要求高，受高溫火區影響，下部臺階無法正常推進，大量設備閑置，現需每天約5 000 m3的火區爆破量才能按期完成生產任務。

2.2 現場布置探孔

大石頭煤礦井工開采年限較長，井下原煤自燃造成大量的保護礦柱坍塌，原有的地質資料不能反映出準確的高溫火區區域，為使工程進度按照原計劃進行，故在沒有完善的地質資料的條件下，采取鉆鑿探孔的方式以了解開采范圍內的高溫火區分布情況。根據現場現有的施工設備情況，選擇直徑138 mm潛孔鉆機，分別在每個平臺沿東西走向和南北走向每隔50 m鉆1個深度約為15 m的鉆孔，成孔后用紅外線測溫儀記錄原始溫度并用鐵板進行覆蓋加以保護，并設置安全告示。

2.3 降溫方案

2.3.1 孔溫現狀及降溫要求

對需要爆破的區域鉆鑿120個探孔后用紅外線測溫儀測溫，得知現開采區域內70%探孔的溫度介于80～230 ℃之間，20%探孔溫度高于230 ℃，10%探孔溫度低于80 ℃；前期大量實驗證明：乳化炸藥、電雷管、導爆索在100 ℃的環境中6 h內爆炸性能稍有降低，但不會發生爆炸，因此將高溫火區的溫度降至100 ℃以內，安全施工才有保障。通常情況下對炮孔采用輪流降溫，一段時間后對炮孔溫度進行復測，檢測分析其中35個炮孔溫度合格， 65個炮孔溫度不合格。

2.3.2 原因分析

通過對鉆孔后的孔溫，降溫時間，降溫用水量，持續時間，孔壁完整情況等進行統計分析，找出了降溫不合格的原因，并得出影響因素統計表(見表1)。

表1 炮孔降溫影響因素統計

2.3.3 目標確認

通過炮孔降溫影響因素分析確定：孔溫高于300 ℃、水量不足、降溫時間過短為A類問題，需要制定有效的對策進行重點管理；將累計頻率80%～90%區間的定為B類問題,即次要問題，孔內裂隙過多、管內直接出水等問題應照常規適當加強管理。

2.3.4 對策制定

參考以往類似工程的施工經驗，炮孔溫度高于230 ℃高溫炮孔需持續降溫，且降溫時間保證在24 h以上，降溫效果明顯，停止注水15 min后，炮孔溫度不高于80 ℃。運用此方法需保證2套及以上給水管線設備，1臺工作，1臺檢修備用，以保證降溫過程持續進行。

溫度介于80～230 ℃之間的炮孔可采用2輛15 t的灑水車，外接消防軟管和分水器，輪流對炮孔進行注水降溫，每隔3 h用熱電偶測溫儀對降溫后的炮孔進行測溫并記錄。因本區域范圍內的炮孔溫度跨度范圍大，故需通過分水器流量調節閥，及時調配每個炮孔的注水流量，合理利用水資源，保證每個炮孔在爆破前均降至80 ℃以下，可進行安全爆破。

230 ℃以下的區域通常一次可爆破9個炮孔，故采用9口分水器，分水器進水端頭連接消防軟管，給水管和灑水車都能與其進行任意切換，以便縮短停水時間改善降溫效果；降溫過程中密切觀測炮孔內水位情況，及時調整注水流量。

2.4 爆破方案

2.4.1 高溫火區爆破設計

高溫火區爆破作業嚴格遵守爆破安全規程的相關規定，通過對諸多類似礦山開采爆破的經驗總結，為保證爆破質量，提高臺階平整度，爆破一般采用三角形布孔方式，布孔參數為6.5 m×4.0 m，遇特殊情況，也用單排布孔、矩形布孔方式。巖石剝離鉆孔選用138 mm孔徑潛孔鉆機，所有的潛孔鉆機必須安裝除塵裝置方可作業。臺階高度10 m，考慮到注水降溫過程中會有部分碴料和孔壁碎石在水流的沖刷下進入炮孔，沉積在孔底，故炮孔深度不小于13.5 m，實際裝藥前炮孔深度不大于13.0 m。現場穿孔地形多為砂巖、頁巖、泥巖，鉆孔必須保證爆破最小抵抗線3.5 m，鉆孔過程中，遇到裂隙、坍塌、采空區等情況，應及時匯報。鉆孔時如遇煤層應立即停止鉆孔作業，并回填至煤層頂板上0.5 m才準爆破，防止破壞煤層。

2.4.2 爆破參數

孔距6.5 m，排距4.0 m；根據現場地形布置2排梅花形鉆孔，布孔直徑138 mm;最小抵抗線W=3.5 m;孔深H=13 m;單孔裝藥量按下式確定[2-4]：

Q=qabH

(1)

式中 ：Q為單孔裝藥量，g；q為單位體積炸藥消耗量，一般取0.4～0.5 kg/m3；a為孔距，m；b為排距，m；H為炮孔深度，m。

根據理論公式計算和實際施工經驗確定，干孔選擇粉狀乳化炸藥裝藥：露天礦臺階高度h=10 m，超深h1=3.5 m，炸藥單耗q=0.40 kg/m3，單孔藥量Q1=100 kg。

全水孔裝藥：選擇直徑為110 mm膠狀乳化炸藥，延米裝藥量為11 kg/m，裝藥長度約為9.1 m，單孔裝藥量100 kg，炸藥單耗不變，仍能滿足爆破效果的要求。

對于含水量較少或孔底積水的炮孔，選擇膠狀乳化炸藥裝藥；無論選擇何種炸藥裝藥時填塞長度均不低于4 m，大于20倍炮孔直徑，以滿足安全需求。

2.4.3 爆破網路與現狀

此前的爆破網路多數采用導爆管雷管起爆地表主導爆索，繼而引爆與其“T”型連接的孔內導爆索，起爆炸藥在延時方面，第1排采用MS1雷管，第2排采用MS3雷管，爆后檢查盲炮包含以下2種情況：①起爆雷管未起爆造成第1排未起爆，或第2排未起爆，或均未起爆；②起爆雷管已起爆，但出現部分炮孔未起爆。安全隱患大，排除比較困難。

2.4.4 原因分析

現場實地考察、收集數據發現，造成盲炮的原因：①導爆管橫跨地表裂隙時，逸出的高溫蒸汽將導爆管燙斷，不能傳爆至雷管進而未能起爆主導爆索；②主導爆索已起爆，但“T”型搭接處角度有誤，未能起爆支路導爆索；③孔內填塞段導爆索直接與高溫巖石接觸被燙斷。

2.4.5 對策制定

參考以往類似工程的施工經驗決定，采用孔外電雷管起爆導爆索的網路，導爆索下放至孔底，在施工中采取如下措施：

1)爆破網路為孔外延時導爆索網路。第1排孔孔外采用MS1電雷管，第2排孔孔外采用MS3電雷管，每孔外2發電雷管，選用同廠同批的電雷管，導通電阻差值不大于0.2 Ω并通過調節腳線長度，使其電阻值相等，檢測合格后并聯，將每個孔的起爆雷管與主網路串聯；

2)爆破母線的敷設要避開裝藥人員的撤離路線，以防撤離過程中踩壞網路；遵循“先導通后放線”的原則，并記錄電雷管和母線的總電阻，起爆前不間斷地檢測爆破網路情況，以防操作過程中的失誤造成高溫盲炮；

3)對距離孔口4 m的填塞段導爆索進行隔熱防護即包裹隔熱玻璃纖維棉；與電雷管采用正向連接，用膠帶綁扎5～8層，孔內使用導爆索連接起爆藥包，連接后形成簡單的單向傳爆起爆網路。

3 爆破安全防護措施

1)嚴格測溫：裂隙發達區的高溫炮孔降溫后最容易產生溫度升高反彈現象，經過注水降溫的炮孔內有大量水蒸氣，普通測溫儀無法準確測溫，因此采用多點式熱電偶測溫儀嚴格準確地測量孔溫；準確記錄，確定可以進行裝藥爆破的炮孔。

2)注水降溫：鉆孔后200 ℃以上的炮孔使用給水管，配備9孔分水器，根據孔溫變化情況調整每孔注水量，孔溫較高時可在水中加入適量的CaCl2、MgCl2改善降溫效果。

3)復測孔深：對降溫后的炮孔采用直徑130 mm的重錘繩進行下放實驗，復測孔深，掌握有無卡孔情況，根據孔深準備每個炮孔所需要的炸藥量，如重錘能順利通過，則絕熱護套包裹的藥包也能順利裝入孔內。

高溫炮孔降溫用水量大，降溫時間長，孔口的碴料易隨水流進入炮孔造成堵塞，因此鉆孔后應及時清理孔口周邊碴料，做好護孔工作。

4)隔熱防護：全水孔時，可將直徑110 mm的煤礦許用2#巖石乳化炸藥逐條放入炮孔，為了加快其下沉速率，可在藥卷中塞入2個小石塊，邊裝藥邊用竹木炮棍下壓，減少裝藥時間。

孔內有部分積水的炮孔，可將直徑110 mm的煤礦許用2#巖石乳化炸藥裝進直徑125 mm隔熱裝置，其外層與高溫孔壁、水等外界環境直接接觸，裝藥過程中受到上部藥卷的作用力、熱輻射、熱對流作用較強，故要求使用具有一定強度，且耐高溫、防水、柔性隔熱材料，大量實驗表明以玻璃纖維為主材的海泡石能滿足要求，且可以在其外層涂覆一層聚氨酯改性氯丙樹脂反射型隔熱材料，以減少部分輻射熱的吸收。內層材料選擇導熱系數較小的隔熱泡沫橡膠，并在其表面可涂覆1 層如紅外發射粉末類的輻射型隔熱材料，使得其內部熱量能夠以熱發射的形式輻射出去，以保持炸藥低溫的特點[5]。

對降溫后孔內無積水的干孔，可根據其深度下放對應長度(比孔深長20 cm)的柔性伸縮鋼絲帆布管，外側涂有上述隔熱材料，直徑125 mm，在孔口位置用特制的 “井”字型卡具將其固定，以防滑落，可快速將導爆索和粉狀乳化炸藥裝入其中。

在高溫火區爆破中導爆索的傳爆性能是安全施工的必要保證，因此，本工程采用每孔雙股導爆索并聯后，填塞段加套隔熱保溫棉，下墜重物放置孔底。

每個孔口放置2個小沙包，電雷管與導爆索連接后，包裹隔熱保溫棉，用沙包一上一下壓緊，防止高溫蒸汽從地表裂隙逸出燙斷導爆索或加熱電雷管造成早爆、誤爆等安全事故。

5)反程序施工：在高溫火區爆破中，裝藥后，炸藥和導爆索急速受熱，是深孔高溫爆破的危險期，最短的時間內實現安全起爆是最大的安全保障；故在復測孔溫和孔深確定能進行裝藥起爆前，必須對爆區300 m范圍內進行安全警戒，確定具備安全爆破的條件后，在炮孔周邊放置適量的填塞碴料，根據孔深和炮孔含水情況確定合適的炸藥類型、炸藥量以及絕熱措施。采用此方法施工具有工藝簡單、現場可操作性強、施工安全系數高、施工成本低等特點[6]。

為了保證裝藥的速度，進行深孔高溫爆破孔數不宜過多，一般為9 個，炮孔不宜太深，降溫后孔深不超過13 m，堅持“少孔多爆”的原則，深孔高溫爆破必須嚴格按照爆破安全規程的規定進行爆破作業。

6)裝藥異常情況的處理：裝藥時每人負責一個炮孔的裝藥和填塞工作，爆破總指揮在爆區外持對講機和起爆站網路監測人員保持溝通；裝藥過程中如遇網路斷路，爆破總指揮應立即下令停止裝藥，采取安全措施后檢查網路，重新連接，檢測合格后方可繼續施工；遇到個別炮孔裝藥卡孔時，應立即放棄裝藥，將剩余的炸藥搬至作業區外，盡快撤離至安全區域，等待起爆。

4 爆破施工與效果

高溫火區爆破需要經驗豐富的爆破從業人員進行裝藥作業，并進行現場安全技術交底：①按炮孔分配裝藥人員， 裝藥前理順導爆索，謹防下放過程中打結，并對準備裝藥的全部炮孔進行檢查。②從炸藥運入現場開始，先確定警戒區范圍，后搬運炸藥至爆破作業區；搬運過程中應輕拿輕放，沿孔壁緩慢下放，經過絕熱加工的藥卷，裝藥填塞結束后，迅速撤至爆破警戒區外，嚴禁再進入爆區進行其他作業。③爆破作業前用GPS和RTK做好孔位坐標和裝藥量原始記錄，如出現盲炮可根據測量數據進行放樣，以便減少盲炮排除工作，提高其作業效率，進而實現高溫火區安全高效爆破的目標。④裝藥過程中發生卡堵，導爆索損壞，嚴禁用炮桿進行處理，并及時向炮區負責人匯報，插上標志，按盲炮處理。⑤裝藥時，每人負責一個炮孔，其他無關人員嚴禁入內。⑥遵守勞動紀律，嚴格按設計要求進行施工。

本工程采用PDCA循環安全管理后未發生一起盲炮等安全事故，爆破效果良好，實現了高溫火區安全快速施工，爆后效果如圖1所示，可為今后類似工程提供參考。

圖1 爆后效果