急傾斜露天煤層高溫火區爆破安全技術實踐

萬小龍，蘭小平

（新疆天河爆破工程有限公司，新疆庫車 842000）

露天煤礦急傾斜煤層由于其煤層賦存的特點，煤層間相互的垂直作用力相對較小，層間存在著更多的原生裂隙，使得空氣較容易進入，且自然發火的煤層由于層間垂直方向上的較大裂隙，火苗會在較短時間沿著垂直向的煤層間裂隙向上快速發展，這就給火區治理工作帶來了更大難度，火區爆破安全風險增大，本文在國內現有露天煤礦高溫火區爆破技術的基礎上，采用快速滅火和注水爆破等綜合技術，實現了急傾斜煤層高溫火區的安全治理，為同行提供依據。

1 工程概況及研究現狀

1.1 工程簡介

新疆大宛其煤礦位于新疆阿克蘇市至拜城縣約180km 處，拜城縣北東45km，屬于新疆庫拜煤田，新疆庫拜煤田位于阿克蘇市，分布在庫車縣、拜城縣及溫宿縣，呈近似東西走向的長條狀，地層總體為近東西走向，向南傾斜，傾角一般52°～83°，具有西部緩、中部陡（局部直立倒轉）、東部緩的特征[1]，煤炭變質程度高、煤質好，煤層傾角大、局部近似直立，煤層露頭長度大，為稀缺煤炭資源。

大宛其煤礦共有可采—局部可采煤層16 層，可采煤層平均總厚度為40.92m。目前施工區域為礦區東西邊界向中部延伸。礦區共劃分4 個施工區，分別為第一、二、三、五施工區，項目部承接的區段為第二、三施工區。地形主要以山地為主，北部為天山山脈，南部為沖積扇溝壑谷地。地質條件較為復雜。首先巖層傾角83°，巖層走向為東西走向，巖層傾向南偏西10°。其次地質構造以層狀發育為主，巖層構造復雜。巖石種類主要以砂巖為主，也存在片巖、泥巖，巖石普氏硬度在6～8左右。

大宛其煤礦火區主要位于二工區1750～1680m 東山頭區域，臺階高度10m，目前共形成開采臺階7個，均不同程度存在高溫火區，溫度從55℃～400℃之間，現場具體情況見圖1。

圖1 大宛其煤礦火區現場照片

圖2 徠卡全自動監測機器

圖3 拓普康固定翼測繪無人機

圖4 手持式熱成像測溫儀

圖5 火區分區

1.2 國內近年來露天煤礦高溫火區爆破研究現狀

國內在內蒙、山西、寧夏等地，對于露天煤礦高溫火區的爆破技術和組織管理方式實踐已較為豐富和成熟，大多數主要采取的測溫、滅火降溫和爆破綜合技術，選用耐高溫爆破器材、藥包隔熱防護和特殊起爆方法等綜合防治技術，但這些研究往往忽視了不同煤層賦存對于火區降溫爆破的影響程度，針對急傾斜煤層高溫火區爆破安全技術的研究均較少，由于急傾斜煤層露天火區存在著回溫速度快、降溫難度大等特點，值得爆破同行們共同努力。

1.2.1 炮孔測溫方面

高溫孔測溫一般均使用手持式紅外熱成像測溫儀，近年來，有些單位采用全孔深測溫裝置能夠便捷、快速、準確地檢測炮孔全孔深的溫度[4]，有效克服常規測溫手段的不足。

1.2.2 滅火降溫方面

高溫孔滅火降溫方面主要采用注水降溫法進行高溫孔澆水降溫工作，在寧煤大峰露天煤礦研發出了水中加CaCl2、MgCl2的炮孔注水降溫方法[2]，均取得了較好的效果。束學來、鄭炳旭等在寧夏寧煤汝箕溝火區注液氮、液態二氧化碳可以使炮孔快速降溫，可以在炮孔溫度極高或者降不下來的情況下使用，注水降溫方法經濟方便，效果優良，可以在火區爆破炮孔降溫中大量使用[7]。

1.2.3 爆破技術方面

目前國內高溫孔裝藥一般一次性裝藥爆破規模控制孔數10 個左右，易普力在寧夏大峰礦達到45 個，均采用在裝藥前先連接好網路并做好安全警戒，最后進行裝藥爆破的反程序作業法，從炸藥到起爆時間控制在10min之內，爆后檢查時間不少于15min。

張杰、郝新民等在鄂爾多斯鄂托克旗以及烏海周邊地區露天煤礦高溫爆破時，針對少數難以降溫或降溫回溫很快的炮孔，就必須使用隔熱材料進行隔離裝藥。目前使用的隔熱材料有PVC管、竹筒、石棉類隔熱材料以及海泡石等。海泡石制作隔熱被筒里外溫差可達到100℃以上，價格只是一般石棉類的2/3。使用PVC管間隔裝藥，操作量較小且簡單方便，裝藥密度均衡，對于中、低溫炮孔不需要專門制作起爆藥包，保證了爆破器材起爆的可靠性[9]。

1.2.4 施工組織方面

從組織管理模式方面，一般均采用定人定責任，加強培訓和技術交底，嚴格控制作業現場人員的數量，有些單位采用成組炮孔和雙人制的爆破作業組織方式[3]，避免了爆破裝藥現場組織管理混亂，縮短了裝藥和起爆的時間，提高了爆破作業的安全保障能力。謝錢斌等在寧夏大石頭礦高溫火區爆破中采用PDCA 循環管理與高溫火區爆破鉆孔、裝藥、聯網及起爆、爆后檢查各工序施工結合起來，對促進高溫爆破施工管理起到了推動作用[9]。

2 急傾斜煤層開采特點與火區治理的難點

急傾斜煤層在我國已探明的儲量中占4%，全國有70 個煤田開采急傾斜煤層，主要開采急傾斜煤層的礦井有100多個，與緩傾斜煤層相比，急傾斜煤層在進行火區治理時存在以下難點：

（1）急傾斜煤層的傾角大于巖石安息角，急傾斜煤層都經歷過強烈的地質變動，地質構造較復雜，賦存不穩定；

（2）急傾斜煤層在開采過程中比緩傾斜煤層和傾斜煤層更加容易自燃發火，且火速和回溫速度較快，火區治理更加困難；

（3）當采空區已經發火，也往往難以隔離處理，災情難以一次性消除[5]。

為了加強急傾斜煤層開采的安全管理，針對目前急傾斜煤層安全開采和火區治理存在的問題，2007年3月份和2015 年5 月，原國家煤礦安全監察局和新疆煤礦安全監察局分別下發了有關急傾斜煤層安全開采的指導意見（煤安監技裝[2007]5號）和加強急傾斜煤層安全管理的緊急通知。

3 高溫火區爆破綜合安全技術

3.1 高溫火區爆破總體方案

根據大宛其煤礦高溫火區特點及相關規定，大宛其煤礦高溫火區爆破作業總體方案，采用鉆孔前采用火區勘測與分區技術，鉆孔后采用火區綜合滅火與降溫技術，爆破作業采用反程序爆破工法即：清場警戒—聯網—裝藥—起爆—爆后檢查的工藝方案。

3.2 火區勘測與分區

為了全面掌握和控制高溫火區分布與溫度，大宛其煤礦采用徠卡全自動監測機器人對邊坡進行全天候在線監測，拓普康固定翼無人機航測技術對塌陷區勘測與定位技術火區精確定位，采用海康威視H36 型熱了火區高溫孔降溫效率，減少了傳統由于只靠幾根主管道澆水，水壓和水量過大造成毀孔嚴重的問題，“樹杈狀多管路三級注水法”第三級小軟管成本低，爆破前可不予撤離，也保證了在裝藥前每個炮孔均能澆上水，第三級注水采用小的塑料軟管，現場操作方便，減少了澆水人員，加快了高溫火區爆破及剝離的整體進度，保證了安全，具體見圖6。

圖6 樹杈狀多管路三級注水法

3.3 滅火與降溫技術

為了對高溫火區進行滅火與降溫，保證爆破作業的正常進行，大宛其煤礦采用精細化炮孔注水降溫與剝挖法配合，對高溫火區進行滅火與降溫工作，從剛開始的“粗放式注水降溫”到最后采用精細化的“樹杈狀多管路三級注水法”，取得了較好的效果。“樹杈狀多管路三級注水法”，第一級是采用一根120mm的主供水管路供水，第二級是采用多路60mm區間的水管將水引至各個爆破區域，第三級是采用30mm的多路軟管將水引至各個炮孔，為了保證注完水和裝藥完成后快速撤離，第一級主管路和第二級區間管理設置在爆破飛石飛散距離之外，通過實施“樹杈狀多管路三級注水法”，提高成像測溫儀對火區表面和炮孔溫度進行測量，根據火區溫度高低和分布，將火區分為三個區域，分別為低溫區（炮孔溫度在60℃以下且保持穩定區域）、高溫區（炮孔溫度在60℃～80℃且注水后溫度能快速將至80℃以下且回溫超過30min的區域）、異常高溫區（炮孔溫度在80℃～90℃或者炮孔溫度超過80℃且溫度變化異常區域），具體見圖2～圖5。

3.4 爆破參數與施工技術

（1）孔傾角、孔徑和孔深的選擇。大宛其煤礦爆破參數的具體選擇見表1。

表1 爆破參數表（單位：m）

（2）爆破器材的選擇。

①炸藥的選擇：根據相關試驗和研究，2#巖石乳化炸藥能在90℃高溫環境下保持4h 后仍然能正常起爆，周新利等用巖石乳化炸藥進行試驗，發現乳化炸藥在251.19℃度高溫時才快速發生分解[6]。

②起爆器材的選擇：根據相關試驗和研究，普通導爆索能在100℃高溫下保持2～10d 后仍然正常起爆，故根據《爆破安全規程》GB6722相關規定，孔內起爆器材選擇導爆索起爆。

③孔外傳爆器材：根據現場經常性測溫，地表溫度均保持低于50℃，普通導爆管在90℃的高溫下能夠保證正常傳爆[10]，故孔外采用高強度導爆管雷管進行傳爆能夠保證安全。

（3）警戒與網路連接。為了保證能夠在最短時間了完成高溫孔的裝藥和爆破作業，采用反程序爆破作業法，即在裝藥前先進行網路連接和爆破安全警戒，由于高溫孔裝藥至撤離的時間原則上應為最短，所以大部分現場爆破作業均采取弱填塞或不填塞作業，所以應加大爆破警戒范圍至500m 且所有人員均應在避炮掩體下進行警戒和起爆工作，待網路連接和周圍無關人員和機械清除出安全范圍外后再進行裝藥工作。

（4）裝藥前的檢測與隔熱處理。針對低溫區和高溫區，經過多次現場試驗和實踐，一般能夠保證在鉆孔完成后24h將孔溫降到60℃以下，采用在裝藥前將孔內水注滿后進行裝藥；針對異常高溫區，一般很難在24h將孔溫降至60℃以下，個別孔回溫速度較快，故采用在裝藥前將80mm石棉管插入炮孔中，再在石棉管內和石棉管與孔的空隙內均注滿水，最后再裝藥，裝藥時，按照低溫區、高溫區、異常高溫區的先后順序裝藥，對于溫度超過90℃且回溫速度較快的孔，不得裝藥。通過采用本文高溫孔爆破方案，可保證一次可最多爆破60個孔，較大提高了高溫孔爆破作業的效率和規模，具體見圖7。

圖7 炮孔隔熱降溫示意圖及使用的石棉管

（5）裝藥與堵塞。在全部炮孔進行了裝藥前的檢測合格和隔熱處理后，按照先低溫區再高溫區的順序進行裝藥，裝藥時應根據炮孔數量多少（大宛其煤礦項目最多一次性爆破60個孔且多次作業）選擇多人現場同時裝藥，采用2#巖石乳化柱狀藥裝藥，從開始裝藥至全部炮孔裝藥完畢所有人員撤離現場的時間控制在10min之內，確保在15min之內進行起爆。填塞采用編織袋弱填塞或不填塞，加大安全警戒距離。

（6）起爆與爆后檢查。由于在裝藥前已經做好了周圍的安全警戒，待所有裝藥人員全部撤離至安全地點后，爆破指揮長下令進行起爆，起爆后超過15min 且確定安全后方可進入爆破現場進行爆破后檢查工作。

3.5 爆破施工組織

由于露天高溫火區爆破的特殊性，大宛其煤礦項目部采取了以下安全施工組織措施：

（1）作業前對作業人員進行專門篩選，并形成固定搭配，每個人分配爆破區域和炮孔，根據編號裝藥，以明確責任；

（2）提前安排專門人員進行爆區勘測和測溫，記錄炮孔溫度并分析，區域劃分，并準備爆破各項材料；

（3）為了盡量縮短從裝藥到起爆的時間間隔，高溫爆破基本都實施反程序爆破法[6]，即在裝藥前先進行周圍警戒和清場工作；

（4）遇到卡孔等裝藥異常或裝藥前測溫異常的孔等異常情況，應以安全第一的原則，放棄處理或不做處理，保證在預定的時間內快速完成裝藥和爆破工作；

（5）裝藥前專門確定好現場爆破作業人員車輛和司機，勘察和規劃好撤離路線，司機不參與裝藥，提前發動好車輛，待全部裝藥人員上車并點名后快速撤離至安全地點；

（6）每次作業后對爆破效果和周圍環境安全情況進行檢查，并做好爆破總結工作，盡力提高爆破作業安全、質量和效率。

4 結語

通過大宛其煤礦長期高溫火區爆破作業實踐，及以下高溫火區爆破方案和組織管理模式，可一次快速且較大規模地實施高溫火區爆破，提高了爆破作業效率和規模，能夠保證安全可靠。

（1）采用全自動監測機器人對邊坡進行監測、無人機航測技術、火區和塌陷區勘測與定位等等5G新型智能聯網技術；

（2）采用熱成像紅外測溫儀和接觸式電偶測溫儀在鉆孔后及裝藥前、裝藥過程中全過程測溫技術的應用；

（3）對于孔深超過10m深的孔，采取分層爆破和開挖，每層開挖孔深在控制6m以內；

（4）炮孔與防護套管直徑比不耦合系數大于1.37，裝藥直徑與防護套管的不耦合系數大于1.13；

（5）采用反程序爆破法，裝藥前首先下套管（套管底部封閉以利于存水），套管下到孔底后孔內和套管內同時注滿水，注水后立即進行裝藥（提前連接好網路），裝藥后采用塑料袋等對孔口進行弱填塞或不填塞；

（6）加大警戒距離（至少500m），人員全部立即有序撤離（司機提前選擇好撤退路線，車輛提前發動著）至安全的避炮掩體內或安全范圍以外，根據爆破指令進行起爆，待爆破15min后進行爆后檢查。