馬占一

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

高臺階拉鏟倒堆剝離拋擲爆破關(guān)鍵技術(shù)研究

馬占一

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

為了提高高臺階拉鏟倒堆剝離工藝中拋擲爆破效果，在爆破理論分析的基礎(chǔ)上，提出了“橫向不耦合氣囊式空氣間隔分段裝超低密度炸藥”深孔預(yù)裂爆破技術(shù)以及基于排間微差、孔間微差、傾斜深孔爆破的多排傾斜深孔微差拋擲爆破技術(shù)；經(jīng)過現(xiàn)場試驗，優(yōu)化確定了爆破孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序、延時間隔等爆破參數(shù)，取得了良好的預(yù)裂與拋擲爆破效果。

露天煤礦；倒堆剝離；預(yù)裂爆破；拋擲爆破

Abstract:In order to improve the high bench of draglines stripping technology in throwing blasting effect,based on the analysis of blasting theory,the article presents"lateral coupling air interval segment loading ultra low density explosive"method and the multi rows tilt deep holemillisecond throwing blast based on themillisecond blasting in rows,millisecond blasting in holes,tilt deep hole blasting,through the experimental study,the article determines parameters of drill hole network,charging structure,blasting sequence,delay interval which achieve the perfect pre-splitting and casting blasting effects.

Key words:open-pit coalmine;casting stripping;presplitting blasting;throwing blasting

0 引言

2007年，神華準(zhǔn)能公司黑岱溝露天煤礦從美國BUCYRUS公司引進(jìn)了斗容90 m3的BE8750-65型拉鏟，并將拋擲爆破-拉鏟倒堆剝離工藝應(yīng)用于6#復(fù)煤層頂板以上40～45 m厚度范圍的巖石剝離，極大地降低了開采成本，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。黑岱溝露天煤礦拋擲爆破-拉鏟倒堆剝離工藝在我國露天礦山開采工藝上尚屬首次，無應(yīng)用先例，在理論研究和技術(shù)設(shè)計等方面尚屬空白，需要在國外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國露天礦山實際情況，對相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步深入研究。

1 高臺階拋擲爆破關(guān)鍵技術(shù)

拋擲爆破技術(shù)直接影響拉鏟倒堆剝離工藝的整體效果。具體為臺階巖石在拋擲爆破后形成的爆堆為扁平拋物形，爆堆沉降率30%以上、有效拋擲率25%以上、預(yù)裂孔孔痕率高，拋擲爆破后的臺階坡面整齊穩(wěn)定，震動、后沖作用小，生產(chǎn)穩(wěn)定安全[1]。

拋擲爆破效果的好壞，直接影響著拉鏟倒堆剝離效率的發(fā)揮，關(guān)系到拉鏟倒堆工藝在我國能否實現(xiàn)高產(chǎn)、高效及成功應(yīng)用。為獲得良好的拋擲爆破效果，降低爆破震動對露天煤礦生產(chǎn)安全的影響，需進(jìn)一步研究影響拋擲爆破的各個因子[2]。

1.1 大孔徑橫向不耦合裝藥預(yù)裂爆破技術(shù)

預(yù)裂爆破是露天煤礦邊坡控制爆破的主要方式。其中預(yù)裂孔是設(shè)置在設(shè)計開挖邊線的1排孔徑，起爆先于主炮孔爆破，主要作用為爆破形成的裂縫可以有效降低主爆區(qū)爆破對邊坡臺階巖體的影響，控制主炮孔爆破形成的拉伸裂縫在邊坡內(nèi)。爆破后在布孔平面形成斷裂面，主爆孔爆破后，獲得較平整的邊坡輪廓。

針對預(yù)裂爆破成縫機(jī)理，目前有2種基本傾向性的觀點(diǎn)：①基于應(yīng)力波作用理論，確定預(yù)裂爆破的計算方法；②考慮應(yīng)力波和氣體(包括準(zhǔn)靜應(yīng)力場和“氣刃”效應(yīng))的共同作用，確定預(yù)裂爆破的計算方法[3]。

通過模擬試驗，發(fā)現(xiàn)在預(yù)裂爆破時，產(chǎn)生2種結(jié)果：①裂縫從2個孔中間開始，孔壁后開裂的，預(yù)裂縫是由中間裂紋和孔壁裂紋共同擴(kuò)展連接而成；②裂縫是由孔壁開始，繼而擴(kuò)展成頂裂縫。

炮孔中藥包爆炸時，應(yīng)力波向四周傳播開來，波圓周切向產(chǎn)生拉應(yīng)力，于是出現(xiàn)輻射狀的徑向裂紋。當(dāng)相鄰炮孔同時起爆或起爆時差極小，應(yīng)力波在孔連線中點(diǎn)或后爆孔附近相遇，準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場應(yīng)力也將相遇，相遇后使拉應(yīng)力疊加。當(dāng)拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度時，孔間裂紋由中間或另外相遇點(diǎn)向兩側(cè)發(fā)展，預(yù)裂縫形成，此為理想的狀態(tài)。實際上，在微差爆破中，同一段別的雷管其間隔時間有l(wèi)～2 ms誤差。設(shè)巖體中應(yīng)力波的速度為3 000～5 000 m/s（硬巖較高，軟巖較低）。當(dāng)乙孔起爆時甲孔爆炸應(yīng)力波早已通過該孔。由于鄰孔互為空穴利于導(dǎo)向和使孔壁應(yīng)力集中；其次由于此時有可能使甲孔的靜應(yīng)力和乙孔的動應(yīng)力相遇，利于裂縫的形成和貫通。所以，2種情況和條件都能產(chǎn)生貫通性的裂縫。在動靜應(yīng)力作用之后，高溫、高壓的爆炸氣體進(jìn)入裂縫內(nèi)，在裂縫尖端產(chǎn)生“氣刃”效應(yīng)，使原有或前期產(chǎn)生的裂縫延伸、貫通和擴(kuò)寬。故在預(yù)裂爆破中，應(yīng)力波及其應(yīng)力起著成縫的作用，而氣體的楔入起到了使裂縫擴(kuò)寬、延伸和連接的有效作用。

露天煤礦邊坡控制預(yù)裂爆破的特點(diǎn)：①預(yù)裂炮孔布置在開挖邊線上，其孔間距、抵抗線相對于主炮孔小得多；②預(yù)裂孔主要參數(shù)包含孔的間距、孔徑、堵塞長度、線裝藥密度等方面，該孔首先起爆；③預(yù)裂孔內(nèi)裝藥深度為不堵塞長度的3倍，孔口可敞開，在孔底部需增強(qiáng)裝藥力度；④預(yù)裂面與最靠近1排主炮孔間的長度為主炮孔排間距的1/2；⑤針對預(yù)裂爆破的設(shè)計主要包含工程類比法與經(jīng)驗法，再融合理論算法，做出符合實際的最佳設(shè)計；⑥預(yù)裂孔同時起爆效果較好。當(dāng)同時起爆的預(yù)裂孔過多時，為防止爆破震動過大，可采用分段微差起爆。

為了提高預(yù)裂爆破實施成效，采礦作業(yè)中一般采用低密度炸藥與徑向不耦合裝藥方式。低密度炸藥能有效減小爆炸速度與爆炸壓力對鉆孔避的影響；徑向不耦合裝藥為爆炸后物體在鉆孔避與炸藥柱體間提供了很好的環(huán)狀空間，有效減小了爆炸對鉆孔壁的影響；同時，該方式確保了炸藥是在無約束狀態(tài)下爆炸的，有效減小了爆炸速度與爆轟壓力，爆炸后有效提升了臺階邊坡的整齊性[4]。

不耦合裝藥技術(shù)大范圍應(yīng)用于小孔徑（直徑＜130 mm）預(yù)裂爆破的礦山生產(chǎn)作業(yè)實際。一般狀態(tài)下，導(dǎo)爆索放于小藥卷里部或外部，并起爆小藥卷，炸藥呈現(xiàn)連續(xù)側(cè)向起爆形勢，可杜絕由管道效應(yīng)導(dǎo)致傳爆不穩(wěn)定乃至拒爆情況的發(fā)生。在大直徑傾斜深預(yù)裂孔，因采用藥包質(zhì)量大，作業(yè)比較困難，故很難予以應(yīng)用。

通過對預(yù)裂爆破形成機(jī)理的深入研究，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場不斷試驗，神華準(zhǔn)能公司黑岱溝露天煤礦提出并采用了一種“橫向不耦合氣囊式空氣間隔分段裝超低密度炸藥”的方法進(jìn)行的高臺階預(yù)裂爆破裝藥。橫向不耦合是相對于徑向不耦合提出的一種裝藥結(jié)構(gòu)，即在鉆孔內(nèi)連續(xù)裝藥形成的炸藥柱體部分高度描述為“藥包直徑”，在填充炸藥應(yīng)用氣囊分段時形成了空氣柱體，鉆孔直徑即為“藥包直徑”與空氣柱體之和。該種裝藥結(jié)構(gòu)突破了過去一直使用的徑向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，間隔器采用充氣式氣囊，并應(yīng)用分段裝藥技術(shù)，分段裝藥部分采用超低密度炸藥品種（炸藥密度0.3～0.4 g/cm3，炸藥爆炸速度1 700～2 200 m/s），此種方式增加了藥柱高度，顯著提高了預(yù)裂爆破效果。

1.2 多排傾斜深孔微差拋擲爆破技術(shù)

露天煤礦拉鏟倒堆拋擲爆破為典型的多排傾斜深孔拋擲爆破。試驗研究表明：多排孔爆破時，最合理的拋擲爆破方式是前排的拋擲巖石不能妨礙后排巖石的拋擲；在前后排孔起爆時間相隔太長的情況下，前排孔爆破后產(chǎn)生的拉伸波將傳播到后排孔所在巖體深部，并產(chǎn)生張開裂隙，裂隙將吸收后排孔爆破巖體，造成拋擲能量大大減小，嚴(yán)重時后排孔將起爆不了。理想的前后排孔起爆間隔時間為前排孔爆破物體膨脹到大氣壓力還未結(jié)束，這樣后排的爆破能量還能對前一排的拋擲起到助拋?zhàn)饔?，從第一排開始順序起爆的排間微差爆破就可達(dá)到這個目的[5]。

1.2.1 排間微差爆破

每一排藥包之間的順序爆破最佳延發(fā)時間t（100～200 ms）是在前排孔爆破物體膨脹到大氣壓力結(jié)束的時間。

1）當(dāng)排間延發(fā)時間小于最佳延發(fā)時間t時，后排孔爆破能量傳遞至前一排巖體，導(dǎo)致第一排孔爆破拋擲的物體距離擴(kuò)大，依次各排拋擲物體逐漸縮短[6]。因重新分布每一排孔的爆炸能量，致使爆破拋擲巖體不佳，降低了巖體的有效拋擲率。

2）當(dāng)排間延發(fā)時間大于最佳延發(fā)時間t時，前排孔爆破后產(chǎn)生的拉伸波將傳播到后排孔所在巖體深部，并產(chǎn)生張開裂隙，該裂隙將吸收后排孔爆破巖體，大大降低拋擲能量。

3）最佳的排間間隔時間t是在前排孔爆破物體膨脹到大氣壓力未結(jié)束的時間，這樣后排的爆破能量還能對前一排的拋擲起到助拋?zhàn)饔谩８鶕?jù)每排的作用不同，確定最佳延時時間為：1～2排孔100 ms，2～3排孔150 ms，3～8排孔200 ms，8～9排孔150 ms，10排孔100 ms。

1.2.2 孔間微差爆破

露天煤礦深孔爆破威力大，為減小爆破震動，每一排間都要進(jìn)行微差爆破以外，各排炮孔間也應(yīng)微差延時。研究結(jié)果證明：①當(dāng)微差爆破各藥包延時時間間隔小于某極限值，巖石向遲發(fā)藥包一側(cè)拋擲；②微差爆破各藥包延時時間間隔大于某極限值，巖石向早發(fā)藥包一側(cè)拋擲；③當(dāng)微差爆破各藥包延時間隔等于或小于亞臨界時間（9～12 ms）間隔時巖石向徑向拋擲；④從巖石拋擲的機(jī)理，為確保拋擲爆破的最佳效果，即拋擲最大的完全性、密集性與定向性，其亞臨界延時間隔同向起爆群藥包微差爆破是最有效的，在亞臨界延時間隔內(nèi)（9～12 ms），如果炮孔第1排的抵抗相等或排間距相等，則爆破巖石向垂直于臺階走向方向拋擲[7]。

1.2.3 傾斜深孔爆破

根據(jù)彈道理論，炮彈向上傾斜打出，才能打的更遠(yuǎn)。露天煤礦拋擲爆破同樣適用該理論。

在垂直炮孔爆破中，炮孔底部破碎問題比較凸顯，炮孔底部炸藥產(chǎn)生的能量將損失1/2，另1/2能量先由壓縮波后到自由面轉(zhuǎn)為拉伸波在巖體內(nèi)傳播，拉伸波對巖體破壞最大。利用傾斜45°的炮孔，100%的炮孔底部炸藥能量被利用。炮孔傾角20°時，炮孔底部炸藥產(chǎn)生的能量將損失28%，72%被使用，經(jīng)計算，仍可增加30%的爆破量。雖然利用傾斜45°的炮孔有許多優(yōu)點(diǎn)，如100%的炮孔底部炸藥能量被利用，但存在難以改變的困難即在炮孔潮濕時炸藥很難裝到炮孔底部，故通常不利用傾斜45°的炮孔?？紤]到炸藥能量的利用和便于裝藥操作，結(jié)合露天煤礦現(xiàn)場工程實際，將炮孔傾角確定為拋擲爆破實體臺階坡面角。

2 爆破試驗與效果分析

黑岱溝露天煤礦拉鏟倒堆剝離拋擲爆破實體采寬60～80 m，倒堆剝離臺階高度為40～45 m，穿孔爆破采用預(yù)裂爆破+多排孔毫秒微差拋擲爆破技術(shù)。為了科學(xué)確定拋擲爆破及預(yù)裂爆破孔網(wǎng)參數(shù)、起爆順序、延時時間間隔等爆破參數(shù)，在拋擲爆破模擬設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行了4次大規(guī)模的現(xiàn)場拋擲爆破。通過4次拋爆試驗的不斷改進(jìn)和逐步完善，優(yōu)化確定了預(yù)裂爆破與拋擲爆破的炸藥單耗、延時間隔、起爆順序等參數(shù)因子[8]。神華準(zhǔn)能公司黑岱溝露天煤礦拋擲爆破試驗相關(guān)參數(shù)見表1，神華準(zhǔn)能公司黑岱溝露天煤礦拋擲爆破試驗效果見表2。

表1 神華準(zhǔn)能公司黑岱溝露天煤礦拋擲爆破試驗相關(guān)參數(shù)

表2 神華準(zhǔn)能公司黑岱溝露天煤礦拋擲爆破試驗效果

1）采掘帶高度H與寬度B的比例：H/B=0.43～0.58；采用斜線逐孔起爆方式，起爆順序與巖層裂隙發(fā)育方向相逆。雁行列孔間延期100～200 ms，控制排孔間延期17～42 ms，孔內(nèi)延時600 ms。設(shè)計起爆網(wǎng)絡(luò)按排間由前到后順序。

2）孔排間距4～11 m，孔直徑310 mm，孔間距6～8 m；孔間延時間隔通常為9～17 ms，最佳效果時間為9～13 ms；排間延時間隔通常為100～200 ms，其中1～2排孔100 ms，2～3排孔150 ms，3～8排孔200 ms，8～9排孔150 ms，9～10排孔100 ms，預(yù)裂孔早于主爆孔500～600 ms。

3）關(guān)于裝藥種類及結(jié)構(gòu)，前5排孔僅裝重銨油炸藥且逐一減少炸藥比重；第6排孔開始僅裝銨油炸藥，單孔漸漸減少裝藥量；倒數(shù)第1排和側(cè)面最后2排孔采用空氣間隔器分段裝藥的方式。

4）因煤層在剝離巖石臺階的底部，為避免拋擲爆破對煤層頂板的破壞，需在煤層頂板上部留一定的保護(hù)巖層，具體做法為回填鉆到煤層頂板傾斜炮孔的最底一部分，通?；靥铋L度1～3 m。

5）預(yù)裂爆破使煤層邊緣整齊并減少破壞，具體為：①鉆孔傾斜角度65°，整齊爆破，起爆早于倒堆作業(yè)臺階炮孔；②預(yù)裂孔設(shè)置為分布在臺階采寬80 m內(nèi)側(cè)的單排孔，采用大孔徑橫向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，炸藥品種為超低密度炸藥，其孔距3.5 m，孔徑310 mm；③預(yù)裂爆破炸藥單耗0.6 kg/m2（孔距×孔深），其中超低密度炸藥為1.1 kg/m2；④空氣間隔器分段法預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)，即每一鉆孔裝藥位置由下至上分3部分：第1部分距離煤層頂板1 m；第2部分位于臺階剝離巖層中部；第3部分距離鉆孔頂部開口14 m。關(guān)于銨油炸藥裝藥量，第1部分比第2部分、第3部分多20%，第2部分、第3部分均裝；在較硬巖體位置布置藥包位置；關(guān)于超低密度炸藥裝藥量，分3部分，其中第1部分最多，第2、3部分依次減少，且以60%的向上部分逐減。

由表1、表2可知，4次爆破試驗的采煤作業(yè)難度均滿足采煤工藝和開采強(qiáng)度要求，但前2次爆破試驗對臺階穩(wěn)定性影響較大，爆堆沉降率不滿足要求并且爆堆形狀不太理想。第3次、第4次的爆破試驗結(jié)果最好，臺階穩(wěn)定性好、爆堆沉降量滿足要求、爆堆形狀合適、拋擲率滿足要求、塊度合適、對煤層的破壞程度較小、不影響端幫道路、沒有側(cè)沖和后沖[5]。試驗證明采用大孔徑（310 mm）傾斜（65°～75°）深孔（35～80 m）、橫向不耦合氣囊式空氣間隔分3段裝低密度炸藥，上部不堵塞，一次起爆的預(yù)裂爆破方法，阻隔拋擲爆破區(qū)部分爆轟波、降低了振動強(qiáng)度、減少了后沖和側(cè)沖，使臺階坡面整齊穩(wěn)定。多排傾斜深孔微差拋擲爆破技術(shù)，提高了有效拋擲爆破率，使有效拋擲率達(dá)到30%以上、爆堆沉降率達(dá)到30%～35%、爆堆形狀為理想的扁平拋物形，拋擲效果達(dá)到了拉鏟倒堆作業(yè)的技術(shù)要求。

3 結(jié)論

神華準(zhǔn)能公司黑岱溝露天煤礦在采用拋擲爆破-拉鏟倒堆工藝過程中，對高臺階拋擲爆破相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了理論與試驗研究，取得了以下主要成績：

1）研究并應(yīng)用了一種“橫向不耦合氣囊式空氣間隔分段裝超低密度炸藥”的裝藥方法進(jìn)行預(yù)裂爆破，有效降低了振動強(qiáng)度、減少了后沖和側(cè)沖，且臺階坡面整齊、穩(wěn)定，獲得了最佳的邊坡預(yù)裂控制爆破效果。

2）通過優(yōu)化設(shè)置排間、孔間微差爆破延時，并合理設(shè)計炮孔傾角、起爆順序等，有效提高了高臺階拉鏟倒堆剝離工藝中的拋擲爆破效果，顯著降低了開采成本。

［1］神華準(zhǔn)格爾能源有限公司.大型露天煤礦高臺階拋擲爆破及拉斗鏟倒堆剝離關(guān)鍵技術(shù)研宄與應(yīng)用技術(shù)報告［R］，2007.

［2］GrippoA P.How to Get More Cast Per Blast［J］.Coal Age，1984，89（12）：63-69.

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［5］張幼蒂，傅洪賢，王啟瑞，等.拋擲爆破與剝離臺階開采參數(shù)分析——露天礦倒堆剝離開采方法系列論文之四［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，32（1）：27-30.

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［7］馬軍，李克民.拋擲爆破與拉斗鏟倒堆工藝研究［J］.中國礦業(yè)，2003，12（7）：44-46.

［8］傅洪賢，李克民.露天煤礦高臺階拋擲爆破參數(shù)分析［J］.煤炭學(xué)報，2006，31（4）：442-445.

【責(zé)任編輯：張 夙】

Research on the key technology of throw ing blasting in high bench dragline casting stripping

MA Zhanyi
(Shenhua Zhunneng Group Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

TD824.7

B

1671-9816（2017）10-0015-04

2017-04-11

馬占一（1983—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，碩士，2010年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)任神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司辦公室科長，主要研究方向為大型國有煤炭企業(yè)采礦技術(shù)、經(jīng)濟(jì)管理方面。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.10.005

馬占一.高臺階拉鏟倒堆剝離拋擲爆破關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（10）：15-18.