高寒地區煤礦采空區治理深孔爆破施工技術

徐雪原，羅國慶，李旺華，武佳順，廖新朝

(宏大爆破工程集團有限責任公司， 湖南 長沙 410011)

隨著我國經濟穩步快速發展，對礦產資源的需求不斷增加，礦產資源開發逐步向西部布局[1]。“一帶一路”倡議的貫徹實施，也促使中西部地區礦山基建項目規模不斷擴大。項目所在地地理位置較為復雜，多處于高寒地區，工程量大。大規模、高強度，冬季施工對爆破器材、施工設備及作業人員帶來極大挑戰[2-6]。

1 工程概況

內蒙古突泉縣牤牛海礦區由已關閉的 17座小煤礦整合而成，過去開采方式多為邊探邊掘、以掘代采、房柱式、巷柱式和高落式，未形成正規的開拓、提升、運輸、通風、排水、壓風系統，更未形成正規壁式回采工作面。不規范、不科學、亂采亂挖式的開采，導致礦區形成不同深度、不同范圍的采空區。2012年12月該礦區啟動了采空區災害治理項目。

治理區位于牤牛海煤盆地西緣，北段地層走向360°，傾向 90°。南段走向北東，傾向南東，傾角10°～45°，一般在 25°左右，呈單斜構造，沿走向及傾向均有不同程度的波狀起伏。據礦井采礦驗證該區小斷層特別發育，多為正斷層，落差在2～3 m，使煤層的連續性遭到破壞。治理區煤層頂底板以泥質巖類為主，穩定性差，而且受水的作用，易變形；剝離期硬巖以礫巖、中粒砂巖、細粒砂巖為主，普氏硬度系數為8～13。

2 爆破施工

2.1 總體方案

治理區地表境界面積為4.55 km2，底板界面積為1.98 km2，最大治理深度為180 m，根據礦區礦帶分布特點，將采場劃分為6～8個獨立的采剝區，形成多工作面作業。該施工方案可以采用小型采剝設備，保證大量設備有效地投入使用，生產能力得到保障。

2.2 深孔爆破方案

采用深孔爆破作業方式，膠狀乳化炸藥，導爆管雷管四通復式起爆網絡。

2.2.1 爆破參數

由于治理區表土松軟，剝離前期設備平整后易形成規整臺階，按設計臺階高度10 m進行臺階爆破，爆破參數見表1。

表1 深孔爆破參數

2.2.2 爆破網路

采用導爆管雷管起爆系統，排間起爆方式，孔內用2發ms10段雷管，孔間采用四通連接，排間用ms5段延期，爆破網絡如圖1所示。

圖1 導爆管逐排微差起爆網絡

3 冬季低溫對爆破施工的影響分析

礦區冬季較長，自10月至次年4月為冬季施工作業時期，平均氣溫-10℃，最低溫度達-28℃。嚴寒氣候會導致炸藥性能下降、鉆機效率較低、作業人員操作困難等。

3.1 低溫對炸藥的影響

（1）乳化炸藥是借助乳化劑的乳化作用和敏化劑的敏化作用而制成的一種油包水型乳脂狀混合炸藥[7]，在-30℃環境中能穩定爆轟，但爆速、猛度、殉爆距離等各項性能指標均存在不同程度的下降。資料顯示[8]，當環境溫度在-25～30℃時， 從水相氧化劑中析出的硝酸銨細晶粒含量為 16%～23%，此時的爆速在3500～4000 m/s，較常溫時的爆速，EL系列下降了10%～12.5%。當結晶量達到氧化劑含量質量數的50%時，結晶體刺破界面膜，結晶量增高，氣泡逸出，使乳化炸藥失去雷管感度，造成安全隱患。

（2）冬季施工過程中，乳化炸藥易上凍硬化，藥卷變形后無法恢復，裝藥時易卡孔，給施工帶來困難。

3.2 低溫對導爆管起爆網絡的影響

塑料導爆雷管內部裝藥為黑索金（95%）和鋁粉（5%）[7]，其內在結構穩定，在-40℃以內時能穩定傳爆，國產普通塑料導爆管為單層結構，應用高壓聚乙烯塑料為管材，耐溫性能為-40～50℃，常溫下抗拉強度為19.6 N。

負溫對塑料導爆雷管和導爆管傳爆性能指標不會產生影響，但是低溫會導致塑料導爆管硬化，增加工人操作難度。

3.3 低溫對工人裝藥、網路連接操作的影響

長時間的低溫作業環境會使人體組織產生凍僵、凍痛和凍傷。溫度太低會使作業人員肌肉僵硬，興奮度下降，骨骼肌的協調能力降低，關節的靈活性下降，手的靈敏度降低，體力降低，以至于工作效率降低，有時只能達到正常狀態下的 25%～40%[9]。長時間在10℃以下低溫潮濕環境工作時，人體的皮膚容易出現凍痛凍傷的情況，牤牛海項目部最低溫度達到了-28℃及以下，所以要特別注重采取低溫防護措施。起爆網絡連接必須由爆破員手動操作，一般10 min后手便會凍麻，操作不靈便，網路連接效率低下。

3.4 低溫對起爆器的影響

脈沖起爆器材在-25℃環境下放置20 min以上，會造成充放電困難。

4 冬季低溫爆破施工應對措施

4.1 炸藥及裝藥環節

（1）合理安排各爆破分區的炸藥裝卸及爆破作業，減少炸藥暴露在外的時間。從炸藥配送到現場至裝藥完成，時間控制在2 h以內；-25℃以下溫度時，每批次炸藥均要進行爆炸試驗，確保具有雷管感度；

（2）提前做好炮孔的測量、驗收，防止因炮孔質量造成裝藥卡孔、炮孔堵塞，精確分配每孔的裝藥量，提高裝藥速度從而縮短炸藥暴露高寒天氣時間。

4.2 起爆網路連接環節

低溫天氣下工人必須做好防寒保暖，所有作業必須佩戴手套。為此，項目部制定了專項培訓方案，培訓爆破員在低溫環境下戴手套進行導爆管復式起爆網路連接，做到熟練、快速完成網路連接，每個爆破分區至少配備2名操作熟練的爆破員，網路連接時間控制在20 min以內。

各分區的爆破網路統一起爆時間，獨立起爆，現場的起爆器存放在皮卡車內，使用棉被或棉大衣覆蓋保溫，裝藥完成后分發至各區，警戒后盡快起爆。

4.3 其他措施

統籌安排各爆破分區的爆破計劃，嚴寒條件下，可適當縮小爆區規模，單個爆破作業區裝藥量以不超過5000 kg為宜。

5 結論

（1）采用分區同步爆破作業的方式，保證了施工設備的投入和效率，確保采礦區治理項目順利實施；

（2）通過嚴格控制現場裝藥時間，保證了冬季嚴寒氣候條件下乳化炸藥的感度和性能；

（3）通過開展對工人佩戴勞保手套進行網路連接訓練，保證了起爆網路連接的可靠性。

針對高寒地區采空區治理項目的實際情況，采用以上各項措施及方法，實現了采空區年爆破方量達5000萬m3以上，成功解決了冬季嚴寒氣候下的爆破施工難題，滿足了施工質量和安全的要求。