大南湖二號露天煤礦燒變巖石爆破試驗

沈君東，李 超，王 瑋

（新疆安順達礦山技術工程有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

燒變巖石區巖體巖石密度較小，呈紅褐色，屬易碎裂巖石，耐凍性差，抗風化能力弱。巖體裂隙、孔隙相對發育，結構面粗糙，巖體完整性差，同時巖石中存在大量燒變程度較高，較硬的孤石，巖段巖石質量以極劣為主，巖體破碎，穩固性差。

巖石的爆破破碎主要是炸藥爆炸應力波和爆炸氣態產物膨脹共同作用的結果，要保證燒變巖石爆破質量，就必須保證鉆孔質量、裝藥質量和填塞質量。大南湖二號露天煤礦前期燒變巖石區采用金科590型潛孔鉆機、恒特HT150 型一體化潛孔鉆機、SWD138R 型一體化潛孔鉆機進行鉆孔作業。

由于燒變巖石性脆易碎，前期鉆孔過程中風機吹渣壓力加大導致炮孔吹成空洞，提桿后炮孔下部坍塌，孔深達不到裝藥要求，無法有效裝藥[1]；風機吹渣壓力減小會導致孔內碎渣太多，無法取出，提桿后碎渣滑落，無法成孔；綜合造成現場鉆孔成孔率低，孔深達不到設計要求，無法裝藥，爆破效果差[2]。目前燒變巖石區正位于采場推進方向，無法解決鉆孔爆破質量問題，將直接影采場剝離及采煤工作，為此，開展燒變巖石爆破實驗研究勢在必行。

1 礦山概況

大南湖二號露天煤礦位于新疆哈密市，屬哈密市南湖鄉管轄，距哈密市區約84 km，位于大南湖煤田的西部，哈密市南-西南方向，直線距離50～70 km，設計能力為1 000 萬t／a，境界內最大采深670 m。

大南湖二號露天煤礦位于殘丘臺地區，殘丘山體低而散亂，山頂渾圓，相對高差不大，干谷寬闊，臺地臺面較平坦，地表被殘積、坡積的巖屑層所覆蓋，通稱戈壁（南湖戈壁）。礦區及其周邊50 km 范圍內無地表水系，礦田內為無地表植被的荒漠區。

燒變巖石區（燒變巖石區域）位于大南湖二號礦田中北部及礦田東部。燒變巖石是煤層自燃導致煤層上覆巖系及圍巖燒變、烘烤，使變形特性原本塑性的巖石變的性脆易碎，巖體呈碎裂結構，結構體呈片狀、板狀、碎塊狀、楔形、菱形體等。愈鄰近燃燒煤層的頂板，巖貌顯現為熔融巖，以局部發育微小的氣孔構造為特征?？傮w燒變巖段巖貌以紅色色調為主，次為淺黃、黃、灰白等雜色。

燒變巖石區東西長約3 800 m，南北寬約1 800 m，火燒面積大約為7.06 km2，該巖段在三維空間的分布形態較為復雜，燒變巖厚為0～87.55 m，最深為87.55 m。

根據采樣鉆孔巖石測試成果統計，采區內以粉砂巖、泥巖、砂質泥巖為主，剝離物強度小于6 MPa的巖石比例約為7.5%，介于6～15 MPa 的巖石占66%，大于15 MPa 的巖石占26%，煤系地層巖性多以泥巖、泥質膠結的粉砂巖為主。剝離物強度不均一，巖層對比較困難，巖石強度在平面上變化較大。

大南湖二號露天煤礦剝離開采工藝采用單斗-卡車間斷開采工藝，采煤開采工藝采用單斗-卡車-半移動式破碎站-帶式輸送機半連續開采工藝，煤系地層上覆剝離及層間厚層剝離的標準臺階高度10 m，即燒變巖石區正常臺階高度為10 m。

2 燒變巖石爆破試驗

2.1 燒變巖石區臺階分層爆破試驗

針對現有潛孔鉆機進行燒變巖石區鉆孔作業時，成孔率低，孔深達不到設計要求情況，研究決定將燒變巖石區爆破臺階由原來的10 m 臺階調整為5 m，各臺階分層進行爆破[3]，減少炮孔深度、增加鉆孔成功率，以達到良好爆破效果，同時滿足現場采剝設備分層采剝要求。上層5 m 爆破采剝后將作業面平整完畢再次進行鉆孔、爆破及剝離作業，以達到標準化作業要求。

單純采用臺階分層爆破，減少了單個炮孔深度，鉆孔成功率有所增加，但增加有限，而且此方法將10 m 臺階分為兩次爆破，增加作業程序，單次爆破量較低，采剝效率不高，且局部焦結塊由于孔網參數較大[4]，未進行有效鉆孔爆破，挖運后仍形成孤石、大塊，需液壓破碎錘二次處理。

2.2 孔網參數和孔徑調整爆破試驗

根據大南湖二號露天煤礦采場巖石性質及日常爆破經驗，現用燒變巖石區爆破孔網參數為排距5 m，孔距9 m 或者排距5 m，孔距7 m，鉆孔直徑138 mm，但通過臺階分層爆破試驗發現局部焦結塊由于孔網參數較大，未進行有效鉆孔爆破，挖運后仍形成孤石、大塊[5]，且部分炮孔為實現有效鉆孔深度必須加大風壓，吹出碎渣，138 mm 鉆孔直徑加大風壓后直接導致炮孔被吹成150 mm 甚至180 mm 直徑炮孔，或底部直接形成空洞，無法裝藥。

針對此情況，進行孔網參數調整，孔排距調整為排距5 m，孔距5 m，增加鉆孔密度；同時縮小鉆孔直徑[6]，孔徑由138 mm 降低為120 mm，在鉆孔過程中適當加大風壓，提高鉆孔成功率、合格率。

采用臺階分層爆破，同時將孔距、排距由原來的9、5 m 和7、5 m 調整為5、5 m，鉆孔直徑調整為120 mm，鉆孔成孔率增加的同時，增加了鉆孔密度，有效對未知焦結塊進行鉆孔，但同時出現新的問題，鉆孔密度增加后[7]，每到焦結塊區域鉆孔時，現有潛孔鉆機仍無法有效成孔，形成部分孤石，需破碎錘二次處理，無法根本解決燒變巖石區鉆爆問題。

2.3 合金套管和PVC 管護壁成孔試驗

通過前期試驗中對燒變巖石區臺階高度、孔網參數、孔徑等方面進行調整試驗，可知受鉆機設備限制，無法從根本上解決燒變巖石區鉆孔問題，爆破效果仍無法保證，對現有鉆機設備進行改造調整。

具體工藝改裝方案如下：①擬改裝1 臺φ70 mm鉆桿的鉆機；②將現有φ120 mm 沖擊鉆頭改裝成φ156 mm 偏心鉆頭；③將現有φ120 mm 的定位套改裝成φ170 mm 定位套；④為鉆機準備4 根外徑φ168 mm 的高強度合金套管，套管長度為1.5 m，以及φ120 mmPVC 管（防靜電）若干。

作業過程：鉆機進行第1 根長3 m 鉆桿鉆進前，將高強度長1.5 m 合金套管套在鉆桿上，套管隨鉆頭鉆進沉入炮孔內部。鉆孔深度達到1.5 m，進行提鉆、卸鉆桿作業，加上第2 根套管，以此類推，直至4根套管增加完畢，鉆孔深度達到6 m。然后進行提鉆、卸鉆桿、鉆頭作業，此時套管上部掛住孔口，臨時支護孔壁，將φ120 mm 的PVC 管放入炮孔中，然后將合金套管固定在鉆架上，提鉆拉出合金套管。

通過進行鉆機設備改裝調整，現場選取作業區域進行鉆孔試驗，但此次鉆機改造，現場實際操作復雜、效率低下，未能達到預期試驗效果，且各項材料使用成本較高，不具備大規模應用條件[8]。

2.4 適合燒變巖石的鉆機設備改造試驗

通過前期燒變巖石區爆破試驗，為從根本上解決燒變巖石區鉆孔、成孔及爆破問題，又聯系鉆機廠家生產人員，經多方研究，結合相關資料，以及對燒變巖石區巖性進一步分析，最終決定使用2 臺山工170 改裝型鉆機進行燒變巖石區鉆孔作業，該鉆機安設有除塵設施及注漿設施，可根據不同地層選擇注漿或填土造孔（漿水中有高度黏合劑），以此達到鉆孔完整穩定的目的。結合燒變巖石區實際情況，計劃在鉆機鉆孔過程中，減小風壓，通過注漿設施不斷向孔壁注入防塌劑，防塌劑通過鉆桿旋轉及吸附作用吸附在孔壁表面，形成1 層良好的吸附層，抑制巖石的碎裂分散，以此達到保護炮孔、提高成孔率的作用。

現場采用山工170 改裝型鉆機進行鉆孔作業，通過添加黏合劑護孔，鉆孔成孔率大大提高，且遇到堅硬焦結塊也可正常鉆孔，鉆孔深度也全部在5 m以上，深度均勻，臺階面鉆孔作業能按照鉆孔設計開展，作業效率雖有降低，但基本滿足燒變巖石區挖運進度，同時爆破質量提高，大塊、孤石大大減少，配合免爆，輕松平整作業面，為二次5 m 鉆爆作業提供作業條件，從根本上解決了燒變巖石區鉆爆問題。

3 結語

1）通過對燒變巖石區臺階高度、孔網參數、孔徑及鉆機設備等方面的不斷試驗探索，單一調整無法從根本上解決燒變巖石鉆爆破問題，單一調整存在效果差、效率低、經濟花費高等明顯缺點。最終采用分臺階爆破，臺階高度調整為5 m、鉆孔直徑定為120 mm、孔網參數調整為孔距5 m 排距5 m，同時使用山工170 改裝型鉆機進行鉆孔作業，多措并舉，進行爆破實驗總結。

2）半臺階調整后，結合現有改裝鉆機特點，鉆孔效率和普通臺階鉆孔相比無變化，滿足現場施工進度要求；經濟效益方面，山工170 改裝型鉆機新增注漿、注水部，成本增加較小，在合理范圍內；爆破效果方面，相較于以往燒變巖石區作業從根本上改善了爆破質量，無高大孤石遺留，爆破產生大塊在可控范圍內，作業面及邊幫平整度大大改善，滿足標準化作業要求，同時也為類似性質巖石鉆爆開采作業提供參考。