李 方，張引良

（神華準能集團有限責任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

提高黑岱溝露天煤礦塊煤率爆破參數(shù)研究

李 方，張引良

（神華準能集團有限責任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

為提高黑岱溝露天煤礦煤臺階爆破塊煤率，結合煤臺階地形條件、煤層分布、作業(yè)設備及施工效率等因素，在保證爆破質(zhì)量、確保鉆機效率的前提下，研究炮孔直徑、孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結構、炸藥性能等參數(shù)對爆破塊煤率的影響，為爆破參數(shù)的選擇提供方向。

塊煤率；破碎區(qū)；間隔裝藥；炸藥性能；波阻抗

0 引 言

2015年上半年，全國宏觀經(jīng)濟下行，煤炭產(chǎn)能過剩，需求不足。依據(jù)市場需求，及時調(diào)整產(chǎn)品結構，通過提高塊煤率，增加優(yōu)質(zhì)動力煤、無煙煤等效益產(chǎn)品產(chǎn)量，為實現(xiàn)效益最大化奠定基礎。

在煤的爆破、鏟裝、運輸、卸載及破碎過程中均對煤的塊度造成不同程度的影響，而煤臺階爆破作業(yè)作為產(chǎn)煤的第1道工序，首當其沖，成為提高爆破塊煤率的關鍵環(huán)節(jié)；煤臺階爆破的破壞區(qū)可分為破碎區(qū)，裂隙區(qū)，其中破碎區(qū)煤的粒度小，易在篩選過程中被篩下，破碎區(qū)越大，則篩下物越多，塊煤率則降低。因此，提高煤臺階塊煤率，需以減小爆破藥柱中心破碎區(qū)范圍、增大裂隙區(qū)范圍為切入點，針對孔徑、孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結構、炸藥性能等參數(shù)展開研究，提出合理的爆破設計參數(shù)。

1 工程概況

黑岱溝露天煤礦可采煤層為6號煤層，平均厚度31 m，煤質(zhì)為特低磷、低硫、中灰、高灰熔點長焰煤，分6上、6中、6下三層開采方式進行開采；其中6上10 m，6中16 m，6下5 m，優(yōu)質(zhì)煤集中于6中煤層，發(fā)熱量4 700～5 200 kcal。因此，提高6中煤層爆破塊煤率，有利于增加優(yōu)質(zhì)煤篩選率，從而為提高優(yōu)質(zhì)煤產(chǎn)量奠定基礎。

煤臺階橫向?qū)挾?5 m，工作線窄，電鏟推進速度快；受作業(yè)空間影響，穿孔設備僅設2臺；穿孔及爆破施工周期短（僅為3 d），對穿孔和爆破作業(yè)效率要求較高，因此，煤臺階爆破采用31 m臺階高度一次穿孔爆破方式，炮孔較深，自由面少，要求在保證爆破質(zhì)量的前提下提高爆破塊煤率，對爆破參數(shù)選擇及爆破效果要求較高。

2 提高爆破塊煤率的爆破參數(shù)

影響煤臺階爆破塊煤率的因素包括孔徑、孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結構及炸藥性能等參數(shù)，為便于計算研究，以其中一項參數(shù)為變量，其余參數(shù)不變，結合現(xiàn)場作業(yè)條件、鉆機作業(yè)效率、裝藥施工效率及爆破效果等綜合因素，對爆破參數(shù)進行選擇，達到保證爆破質(zhì)量、提高爆破塊煤率的目的。

2.1 炮孔直徑選擇

2.1.1 孔徑與單位體積爆量總的破碎區(qū)范圍的關系根據(jù)巖石爆破破碎機理可知，炸藥爆炸后，在爆炸沖擊波及爆生氣體的聯(lián)合作用下，炮孔周圍由內(nèi)向外依次形成破碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動區(qū)[1]，炸藥對巖石的破碎主要集中在破碎區(qū)和裂隙區(qū)，如圖1所示。

圖1 柱狀裝藥爆破分區(qū)示意圖

破碎區(qū)半徑計算如公式（1）[2]所示：

由公式（1）可知，當孔內(nèi)使用炸藥、裝藥結構及被作用巖石特性一定時，單孔爆破破碎區(qū)半徑與炮孔直徑成正比，即單孔裝藥量越多，單個炮孔周圍破碎區(qū)范圍越大；以黑岱溝露天煤礦所使用多孔粒狀銨油炸藥為計算依據(jù)，煤的特性為特低磷、低硫、中灰、高灰熔點長焰煤，根據(jù)炸藥性能及煤的特性得出以下參數(shù)：

ρ0為銨油炸藥密度，0.86g/cm3；D為銨油炸藥爆速，3 400m/s；n為爆炸產(chǎn)物膨脹碰撞孔壁時壓力增大系數(shù)，取10；Kd為裝藥徑向不耦合系數(shù)，取1；σcd為單軸動態(tài)抗壓強度，為10×106Pa

式中：μd為動態(tài)泊松比，為靜態(tài)泊松比的0.8倍，煤的靜態(tài)泊松比為0.33，則μd=0.264；b為側向應力系數(shù)，b=μd/（1-μd）=0.36；α為沖擊波載荷傳播衰減指數(shù)，α=2+b=2.36；lC：裝藥系數(shù)，lC=裝藥長度/（炮孔長度-填塞長度），采用連續(xù)裝藥結構時，lC=1；rb為炮孔半徑。

將上述數(shù)據(jù)代入公式（1）、公式（2）中，得：

由公式（3）可知，當采用連續(xù)裝藥結構時，單個炮孔破碎區(qū)半徑：

根據(jù)單個炮孔破碎區(qū)半徑可計算出單個炮孔破碎區(qū)體積

公式（5）中，V單孔為單個炮孔破碎區(qū)體積，L單孔為單個炮孔孔深；

根據(jù)孔距a、排距b可計算出單位體積爆量V的總進米量L總=V/（a·b）則單位體積爆量V總的破碎區(qū)體積V總=1.362πrb2·L總；因此，若計算單位體積爆量V總的破碎區(qū)體積，需計算出孔距a、排距b；

根據(jù)巴隆公式[3]

式（6）中：w1為底盤抵抗線；τ為裝藥系數(shù)；m為炮孔密集系數(shù)，取1.25；ρ0為裝藥密度;d為炮孔直徑；q為炸藥單耗。

由式（6）可知，當臺階高度、炸藥性能、巖性一定時，裝藥系數(shù)τ及炸藥單耗q可確定，此時底盤抵抗線w1僅與炮孔直徑d有關，成正比，公式（6）可簡化為w1=C·d，其中C為常數(shù)；則排距b=w1=C·d；孔距a=1.25b=1.25C·d。

根據(jù)計算得出的孔距a及排距b，可得出單位體積爆量 V總的破碎區(qū)體積 V總=1.362πrb2·L總= 1.362πrb2·V/（a·b）=1.362πrb2·V/（1.25C2·4rb2），簡化得：

由公式（7）可知，單位體積爆量V的總破碎區(qū)體積與炮孔直徑關系不大；因此，針對單個炮孔而言，其破碎區(qū)體積與炮孔直徑成正比，即炮孔直徑越大，單孔裝藥量越大，炮孔周圍破碎區(qū)體積越大；而針對單位體積爆量V多個炮孔而言，孔徑縮小，雖單個炮孔破碎區(qū)體積減小，但由于炮孔數(shù)目增多，單位體積爆量V總的破碎區(qū)體積隨之增多；反之亦然；因此，單位體積爆量V總的破碎區(qū)體積與炮孔直徑關系不大，而僅與炸藥性能、臺階高度、巖石特性參數(shù)有關。因此單是炮孔直徑的改變對煤臺階爆破塊煤率的提高作用不大。

2.1.2 孔徑與鉆機效率的關系

研究爆破塊煤率與孔徑關系時，雖孔徑的改變對提高爆破塊煤率作用不大，但選擇孔徑時，需考慮孔徑對鉆機效率的影響，鉆機能正常完成生產(chǎn)任務；鉆機數(shù)量N（臺）按下式：

式中：Q為煤年產(chǎn)量，按每年煤產(chǎn)量3 400萬t計算，Q=2 267萬m3；q為每米炮孔的爆量，即爆破率；p鉆機臺年生產(chǎn)效率，按黑岱溝露天礦露天礦鉆機平均年生產(chǎn)能力計算，207 630 m/a；e為費孔、加密孔百分比，10%。

煤臺階受工作空間影響，僅能布設2臺鉆機進行作業(yè)，當N≤2時，即爆破率時，方能滿足生產(chǎn)任務要求。

根據(jù)公式（6），以多孔粒狀銨油炸藥為計算標準，則裝藥密度ρ0為0.86g/cm3,裝藥系數(shù)τ取0.84，單耗q取0.24 kg/m3,代入公式（6）計算得w1= 4.347d；排距b=w1=4.347d，孔距a=1.25 b= 5.468d；

當q=a·b=23.767d2≥=60.658，即d≥ 160mm時，滿足生產(chǎn)要求；黑岱溝露天煤礦目前鉆機孔徑共有200、250、310 mm 3種類型，其中250 mm、310 mm孔徑鉆機為電鉆，煤上作業(yè)空間窄，爆破施工周期短，若使用電鉆，則供電電纜移設頻率高，工作量大；且電鉆設備較大，不利于煤上復雜環(huán)境條件下進行作業(yè)，因此，選用無需電纜供電、機動靈活的小型柴油鉆機，孔徑200 mm，滿足生產(chǎn)要求。

2.2 孔網(wǎng)參數(shù)選擇

煤臺階受地形變化及上層拋擲爆破影響，其頂板作業(yè)環(huán)境相對復雜，部分區(qū)域由于虛量多，經(jīng)履帶推土機清理后形成東西或南北走向的小臺階，如圖2所示。

圖2 東西走向小臺階

鉆機作業(yè)時，距坡頂線距離不得小于3 m，即A＞3 m；200 mm柴油鉆機寬度為4.88 m，為保證鉆機正常作業(yè)，鉆機距臺階坡底距離不小于2.5 m，即D＞2.5 m。B為坡頂線與坡底線間距，約為1 m，如圖3所示。

圖3 小臺階區(qū)域布孔示意

為使小臺階周圍炮孔能正常布設，在確保爆破質(zhì)量的同時使鉆機正常作業(yè)，在小臺階區(qū)域布孔時，排距b＞A+B+D＞7 m時，方能滿足鉆機作業(yè)要求。

煤頂板作業(yè)設備除鉆機外，還包括履帶推土機、炸藥車等設備，上述設備需在炮孔排間作業(yè)或行走，方能避免碾壓炮孔，確保炮孔質(zhì)量滿足要求；因此，設備行走道路寬度應大于設備履帶（輪胎）間距，避免設備碾壓炮孔導致孔深不足，確保爆破質(zhì)量，如圖4所示。

經(jīng)現(xiàn)場測量，臺階高度31 m時，鉆孔完成后炮孔周圍巖粉堆半徑R2=1.5 m。設備在炮孔排間行走時，其實際道路寬度D=b-2R2＞4 m，即排距b＞7 m時，滿足設備行走道路寬度需求。

圖4 炮孔巖粉與道路關系示意

表1 設備履帶（輪胎）間距

根據(jù)公式（6）—巴隆公式，以多孔粒狀銨油炸藥為計算標準，則裝藥密度ρ0為0.86g/cm3，裝藥系數(shù)τ取0.84，單耗q取0.24 kg/m3，代入公式（6）計算得w1=4.347 d；孔徑為200 mm時，w1=8.6 m，排距b =w1=8.6 m，為便于布孔，取b=8 m，則a=1.25 b=10 m。

綜上，為使煤頂板復雜地形條件下炮孔布設均勻，提高爆破質(zhì)量，且布孔完成后滿足鉆機、履帶推土機、炸藥車等設備行走道路的寬度需求，避免設備碾壓炮孔造成孔深不足，減少二次穿孔爆破造成煤的過度破碎，提高塊煤率，排距b選擇時應大于7 m，根據(jù)巴隆公式計算得，煤臺階排距b=8 m。

2.3 裝藥結構選擇

由公式（1）可知，當孔徑、炸藥性能一定時，破碎區(qū)半徑與徑向不耦合系數(shù)Kd、軸向裝藥系數(shù)lC有關，黑岱溝露天煤礦煤上爆破作業(yè)周期短，利用現(xiàn)場混裝車進行裝藥，對施工效率要求高，炮孔徑向采用耦合方式裝藥，即Kd=1；以銨油炸藥為計算標準，則公式（1）可簡化為因此，破碎區(qū)半徑僅與軸向裝藥系數(shù)有關，單孔裝藥量越多，破碎區(qū)半徑越大。

此時，采取分段裝藥結構，可在確保爆破質(zhì)量的同時減小單孔裝藥量，進而提高爆破塊煤率。利用分段裝藥結構，可減小爆破峰值壓力，延長應力波在孔內(nèi)的作用時間[4]，從而減小破碎區(qū)范圍，增加裂隙區(qū)范圍，提高總體爆破塊煤率。分段裝藥分為頂部間隔、中部間隔和底部間隔3種；由于黑岱溝露天煤礦優(yōu)質(zhì)煤主要集中于6中位置，即煤層縱向中部位置，厚度16 m，因此，采用中部間隔方式進行分段裝藥，有利于減小爆破對優(yōu)質(zhì)煤層的破碎，提高優(yōu)質(zhì)煤的爆破塊煤率。

根據(jù)上述孔網(wǎng)參數(shù)選擇計算研究，200 mm孔徑孔網(wǎng)參數(shù)為8 m×10 m，臺階高度31m時，超深3 m，孔深34 m；間隔長度為炮孔長度的15%～35%，間隔長度取8 m；由于間隔裝藥后單孔裝藥量降低，為避免爆破產(chǎn)生根底、硬幫，適當縮小孔網(wǎng)參數(shù)，由8 m×10 m調(diào)整為8 m×9 m；裝藥結構如圖5所示。

圖5 分段裝藥結構

根據(jù)單位體積爆量總的粉碎區(qū)體積計算，以10 000 m3為計算參照，分別對孔網(wǎng)參數(shù)8 m×10 m－連續(xù)裝藥和8 m×9 m－分段裝藥進行計算，通過計算結果對總的粉碎區(qū)體積進行比對分析，如表2所示。

表2 同一孔徑下不同裝藥結構粉碎區(qū)體積對比

由表2可知，煤層6中位置采用分段裝藥結構，間隔8 m，單孔破碎區(qū)半徑降低1.6 cm，單位體積爆量總的破碎區(qū)體積減少17.2%，采用分段裝藥結構，可明顯降低破碎區(qū)范圍，增加爆破塊煤率。

2.4 炸藥性能

炸藥性能包括物理性能，熱化學參數(shù)和爆炸性能，直接影響爆破作用及其效果的是炸藥密度、爆熱和爆速。炸藥的爆速越高，其猛度越高，爆破峰值壓力越大，對炮孔周圍煤的粉碎與破壞就越大。因此，合理選擇低威力炸藥，有利于減小炸藥對煤的過度粉碎，提高爆破塊煤率。

黑岱溝露天煤礦所使用銨油炸藥密度為銨油炸藥密度860 kg/m3，爆速3 400m/s，波阻抗2.92×106 kg/m2·s；露天煤礦的煤種屬于長焰煤，密度1 500kg/m3，普氏硬度系數(shù)f為1.5，縱波波速600 m/s，波阻抗0.9×106 kg/m2·s。

當煤上使用銨油炸藥爆破時，由于其波阻抗遠大于煤的波阻抗，炸藥能量大多消耗在炮孔周圍煤的破碎上，而煤的爆破裂隙區(qū)發(fā)展受限，不利于爆破能量利用和塊煤率的提高。

為減小炸藥猛度，縮小炮孔周圍破碎區(qū)、增加裂隙區(qū)，提高爆破塊煤率炸藥能量利用率，根據(jù)炸藥與煤的波阻抗相匹配原則，在已知煤的波阻抗前提下，選取密度和爆速低于銨油炸藥的低威力炸藥，可提高炸藥能量利用率，減小破碎區(qū)范圍，提高爆破塊煤率。

3 結 論

討論了提高黑岱溝露天煤礦煤臺階爆破塊煤率爆破參數(shù)研究，結合地形條件、鉆機效率、爆破效果等因素，為在保證爆破效果的同時提高爆破塊煤率提供了爆破參數(shù)選擇方向。

1）當炸藥性能、臺階高度、巖石特性一定時，單個炮孔破碎區(qū)范圍與炮孔直徑成正比，炮孔直徑越大，單孔裝藥量越多，單孔破碎區(qū)范圍越大，縮小孔徑有利于單孔破碎區(qū)范圍減小。

2）針對單位體積爆量V多個炮孔而言，孔徑縮小，雖單個炮孔破碎區(qū)體積減小，但由于炮孔數(shù)目增多，單位體積爆量V總的破碎區(qū)體積增多，炮孔直徑的改變對總的粉碎區(qū)體積影響不大，煤臺階爆破塊煤率的提高作用不大。

3）為使鉆機效率滿足生產(chǎn)要求，應選擇孔徑大于160 mm的鉆機，根據(jù)黑岱溝露天煤礦現(xiàn)有鉆機，選用無需電纜供電、機動靈活、孔徑為200 mm的小型柴油鉆機。

4）煤頂板布孔時，排距應大于7 m方能滿足特殊條件炮孔布設、鉆機效率和設備行走要求，使炮孔布設均勻、避免設備碾壓炮孔，從而提高爆破質(zhì)量，避免二次爆破造成煤的過度破碎，進而提高塊煤率；孔徑為200 mm時，選取排距為8 m。

5）采用分段裝藥結構，減小裝藥系數(shù)，降低爆破峰值壓力，延長爆生氣體的作用時間，從而縮小破碎區(qū)、擴大裂隙區(qū)，提高爆破塊煤率；間隔長度取8 m，孔網(wǎng)參數(shù)由連續(xù)裝藥時的8 m×10 m調(diào)整為 8 m ×9 m，可在保證爆破質(zhì)量的同時使破碎區(qū)總體積減小17.2%。

6）選用爆速及密度均低于銨油炸藥的低威力炸藥，使其波阻抗與煤相匹配，可在降低爆破能量的同時提高爆破塊煤率。

［1］于亞倫.工程爆破理論與技術［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

［2］羅勇，沈兆武，夏紅兵.炮孔裝藥量與炮孔間距關系的研究［J］.含能材料，2006（2）：151-154.

［3］王旭光.爆破設計與施工［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2015.

［4］王玉杰.爆破工程［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2009.

［5］劉愛華.分段裝藥的間隔長度計算［J］.爆破器材，1990（3）：22-23..

【責任編輯：陳 毓】

Researching on improving blasting parameter of lump coal rate in Heidaigou Open-pit Mine

LI Fang,ZHANG Yinliang
(Heidaigou Open-pit Mine,Shenhua Group Zhungeer Energy Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

To improve lump coal rate,in combination with terrain conditions,distribution of coal seam,the equipment and construction efficiency,under the premise of guaranteeing the blasting quality and ensuring the drilling efficiency,the article researches the effect of hole diameter,hole parameters,charging structure and performance of explosive on lump coal rate,which provide the direction for the selection of blasting parameters.

lump coal rate;broken area;interval charging;explosive performance;wave impedance

TD854.2

B

1671－9816（2017）03－0026－05

2016－11－16

李 方（1988—），男，助理工程師，畢業(yè)于安徽理工大學，現(xiàn)任職于神華準能集團黑岱溝露天煤礦，負責爆破設計及現(xiàn)場施工指導工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.008

李方，張引良.提高黑岱溝露天煤礦塊煤率爆破參數(shù)研究［J］.露天采礦技術，2017，32（3）：26－30.