馬瑞成，程 鵬，喬海平，李 方，陳 浩

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.國家能源集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300)

黑岱溝露天煤礦上覆巖體以砂巖、泥巖、粘土巖為主，層理、節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體可爆性整體屬易爆巖體[1]，但層理發(fā)育且層巖分布呈“中間軟，上下硬”的似“夾心餅”狀，爆破過程中，軟弱巖層易過渡破碎、提前卸能；較硬、節(jié)理不發(fā)育的泥巖韌性大，破碎塊度也大，易出現(xiàn)拉底現(xiàn)象，用高單耗爆破方案時(shí)，能量易從軟弱部位泄露，對于改善硬巖破碎效果有限，如何控制臺(tái)階松動(dòng)爆破效果是值得認(rèn)真探討的問題。黑岱溝煤礦露天15m臺(tái)階平整度在0～3m內(nèi)浮動(dòng)，松動(dòng)爆破的炮孔深度均按統(tǒng)一深度穿鑿，設(shè)計(jì)控制統(tǒng)一堵塞高度；另外，炮孔內(nèi)含水超過1m則裝填乳化炸藥，因此，松動(dòng)爆破的炸藥單耗、成本較高。本文力圖通過用空氣間隔裝藥和大密集系數(shù)爆破技術(shù)、控制堵塞高度和裝藥高度、空氣與水介質(zhì)耦合的松動(dòng)爆破精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案，在改善爆破效果的前提下，降低松動(dòng)爆破成本，提升生產(chǎn)技術(shù)及管理水平[2]。

1 軟硬互層巖體的爆破方案優(yōu)化

黑岱溝煤礦巖體構(gòu)造呈東北高、西南低，巖層平緩，傾角一般不大于10°，巖石松動(dòng)爆破臺(tái)階高度為15m。試驗(yàn)在兩片區(qū)域進(jìn)行，1#區(qū)范圍內(nèi)臺(tái)階上部為近3m的粗砂巖，中間2.5m左右深灰色軟弱的泥巖層+粉砂巖，臺(tái)階下部9m左右為致密泥巖；2#區(qū)以砂(頁)巖、泥(頁)巖為主，上部覆蓋近1m厚的絳紫色、紫色泥巖，巖層近水平分布，橫向?qū)永砗涂v向節(jié)理比較發(fā)育。

1.1 空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)

由于中部泥巖與粉砂巖軟弱部分相對上下部分的單一巖體整體強(qiáng)度和完整性差，若使用連續(xù)裝藥，爆壓峰值高，裂隙發(fā)展速度快，使其先于上下巖體發(fā)生破壞，破碎后使炮孔與前方自由面過早貫通，從而導(dǎo)致部分爆炸能量提前泄出。為解決這一問題，采用空氣間隔裝藥來實(shí)現(xiàn)均衡爆壓的目的[3]，避免中部軟硬互層巖體過度粉碎，改善破碎塊度。由于該礦年采煤計(jì)劃超過3400萬t，當(dāng)前生產(chǎn)剝采比處在上行階段，采掘節(jié)奏快，在不增加人力的條件下，需要考慮改進(jìn)的裝藥結(jié)構(gòu)能否和現(xiàn)行的生產(chǎn)習(xí)慣相適應(yīng)，因此選擇使用適量的底部間隔，探索能否可以在不影響整體爆破效果的基礎(chǔ)上減少藥量，降低生產(chǎn)成本。間隔高度根據(jù)臺(tái)階高度控制在2～3m，使用現(xiàn)場混裝銨油炸藥，裝藥高度8～10m，填塞高度6～7m。鉆孔采用DM-H與CDM-75牙輪鉆機(jī)，孔徑250mm，實(shí)際臺(tái)階高度14～15m，底盤抵抗線6.5～7.5m，超深主要取決于巖石的可爆性，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)選取2m超深，鉆孔深度16～17m，裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)與巖層關(guān)系

從圖1中可知，當(dāng)填塞長度取最小值6m時(shí)，中部軟弱層也與藥柱相頂部保持1～2m的距離，一定程度緩沖了爆炸沖擊。另外考慮工作破面坡度均在80°～90°，且臺(tái)階下部所堆積的是采掘后遺留的細(xì)碎渣土，底部適當(dāng)減少裝藥對底盤爆破的影響并不會(huì)過大，原先采用連續(xù)裝藥時(shí)炮孔底部2～3m處的炸藥被替換成空氣，可延長了爆壓作用時(shí)間，使巖體整體獲得更長時(shí)間的爆破沖量作用[4]，針對韌性大的致密泥巖是有益的。

1.2 大密集系數(shù)布孔技術(shù)

1.3 起爆相關(guān)參數(shù)

炮孔起爆方式和起爆網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)在該礦長期實(shí)踐中已改進(jìn)地較為合理成熟。采用導(dǎo)爆管雷管傳爆，在藥柱兩端2～3m位置各設(shè)起爆彈一個(gè)，同時(shí)反向起爆；孔間延期42ms，排間延期100ms，逐孔起爆，起爆網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。這樣的設(shè)計(jì)可以保證孔間聯(lián)動(dòng)貫通，從地表觀察可見明顯裂縫如圖3所示。

圖2 起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖3 孔間聯(lián)動(dòng)效果展示

2 依據(jù)實(shí)際工況逐炮孔精確爆破設(shè)計(jì)及控制

2.1 對不平整臺(tái)階表面進(jìn)行精細(xì)調(diào)整

現(xiàn)行松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)過程采用平均臺(tái)階高度來確定鉆孔深度，往往使爆破后同一平盤臺(tái)階高低起伏偏大，平整度差。為改善這一情況，運(yùn)用GPS逐一測出布孔后各點(diǎn)位的高程，以得出各炮孔的合理孔深。同時(shí)，鉆機(jī)實(shí)際鉆孔的孔深也必然會(huì)產(chǎn)生誤差，現(xiàn)場實(shí)測鉆孔平均超出設(shè)計(jì)值0.5～1.0m，當(dāng)炮孔數(shù)量多時(shí)，累積效應(yīng)對整體裝藥量的影響不可忽略。

對逐個(gè)炮孔的實(shí)際孔深進(jìn)行精確測量，可確定出裝藥和填塞高度此消彼長的變化范圍，控制填塞高度在6～7m以保證達(dá)到不發(fā)生沖孔，通過調(diào)整底部空氣間隔的長度，使裝藥量達(dá)到足夠合理的量；此外，當(dāng)由布孔和鉆孔誤差導(dǎo)致局部孔網(wǎng)疏密不均，炮孔負(fù)擔(dān)面積不一時(shí)，還可再進(jìn)一步協(xié)調(diào)相鄰孔的藥量。在不同工況需求下，既可實(shí)現(xiàn)逐孔精確裝藥，又可預(yù)防當(dāng)藥量整體增減時(shí)，個(gè)別孔的藥量逾越最高或最低限度而對爆破效果產(chǎn)生局部影響。

在本系列試驗(yàn)中，通過觀測發(fā)現(xiàn)，兩爆區(qū)不同巖性的分層巖體均位于自臺(tái)階頂面向下0～6m范圍之內(nèi)，另一方面結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，17～19m孔深，孔徑250mm時(shí)，為確保不發(fā)生大面積沖炮，填塞長度至少取到6m。那么，針對分層段在頂部6m內(nèi)的特點(diǎn)，巖粉始終將分層段覆蓋壓實(shí)，少量增加填塞高度對分層巖體破碎效果的影響僅是微小的量變過程，從結(jié)構(gòu)上不會(huì)改變分層巖體部分爆炸作用的主要受力形式，因此，針對該軟硬互層的特殊層狀結(jié)構(gòu)，控制填塞高度至少達(dá)到6m，調(diào)整個(gè)別炮孔的裝藥與填塞高度的大小以控制總藥量的方法，是合理而可行的。

2.2 準(zhǔn)確測量前排炮孔底盤抵抗線

由于巖石剝離持續(xù)向外采區(qū)外部推進(jìn)，對邊幫控制不做嚴(yán)格的要求，最后一排仍為90°的垂直孔，最終形成的臺(tái)階坡面角大多在80°～90°；電鏟抬鏟在近地面處有一定的死角盲區(qū)，經(jīng)過挖掘后坡面中下部會(huì)有部分渣土堆積，不同程度地增大了底盤抵抗線，致使坡面整體呈“上薄下厚”的形態(tài)，如圖4所示。另外因人工布孔-鉆機(jī)找位的鉆孔方式而產(chǎn)生的孔位偏移也難以把控，加之爆區(qū)輪廓不規(guī)則，致使前排炮孔實(shí)際抵抗線各不相同?！侗瓢踩?guī)程》要求，露天深孔臺(tái)階爆破個(gè)別飛散物對設(shè)備的安全允許距離應(yīng)按設(shè)計(jì)確定，針對露天礦至少應(yīng)保證不影響下一水平平臺(tái)的通行和運(yùn)輸；為避免臺(tái)階前排上部別飛石沖上道路，且保證下部破碎充分，不留根底，同時(shí)控制裝藥量成本，有必要對前排炮孔設(shè)計(jì)逐一進(jìn)行調(diào)整。

圖4 臺(tái)階坡面“上薄下厚”形態(tài)

使用英國MDL公司Quarryman@Pro巖石表面成像和三維激光掃描系統(tǒng)采集坡面空間信息，得到臺(tái)階的實(shí)際坡角情況；由于坡面從上薄到下厚的形態(tài)是非均勻過渡的，故取折中的角度用于計(jì)算底盤抵抗線，該折算的角度最終范圍多落在75°～80°之間。而后在鉆孔全部完成后，根據(jù)鉆孔作業(yè)安全條件[6]，逐孔計(jì)算前排孔的底盤抵抗線Wd。

Wd≤Hcotα+B

式中，α為臺(tái)階坡面角，取75°～80°；H為臺(tái)階高度，取15m；B為實(shí)測前排鉆孔中心至坡頂線的距離，m。

試驗(yàn)中許多前排孔Wd接近9m，對于超過Wd設(shè)計(jì)值上限(7.5m)的孔位，結(jié)合實(shí)際孔深情況，適當(dāng)降低，乃至取消空氣間隔，增加裝藥量保證達(dá)到9m，同時(shí)考慮上部薄的情況，增加填塞高度至7～7.5m；對個(gè)別Wd小于設(shè)計(jì)值下限(6.5m)的孔位，則適當(dāng)提高空氣間隔高度進(jìn)行協(xié)調(diào)。試驗(yàn)爆破的爆堆前沿正好落在刮路機(jī)推出的內(nèi)側(cè)隔墻之中，對前沖的控制恰到好處，也良好地控制了爆堆表面的巖塊塊度，爆堆前沖控制效果如圖5所示。

圖5 爆堆前沖控制效果圖

3 空氣與水介質(zhì)耦合裝藥爆破技術(shù)

爆區(qū)局部含少量巖層水和降雨導(dǎo)致炮孔積水短時(shí)間難以消散，水面高度通常在1m以下，個(gè)別達(dá)到2～3m，原作業(yè)習(xí)慣為含水孔一律使用乳化炸藥連續(xù)裝藥。正常無水孔使用的是現(xiàn)場混裝銨油炸藥，相比于乳化炸藥，首先在施工管理層面具有單耗成本低，裝藥速度快，便于出庫調(diào)運(yùn)的優(yōu)點(diǎn)；其次在破巖效能層面，同等體積的條件下，該礦自配的銨油炸藥的爆生氣體大于乳化炸藥，有助于巖體的裂隙拓展，提高松動(dòng)效果?？紤]這些條件，提出對水深小于1m的含水炮孔在距孔底2m處放置空氣間隔器，形成空氣與水介質(zhì)共存的耦合裝藥結(jié)構(gòu)。研究表明，水作為間隔介質(zhì)，其波阻抗要大于空氣，對巖體的作用過程更加均勻，加載時(shí)間更長[7]，對巖體的破碎作用有積極作用；炮孔中固液氣三相混合時(shí)產(chǎn)生的破碎圈半徑比單獨(dú)固液或固氣混合時(shí)也更大[8]。這種方法對孔內(nèi)少有積水和水位較低的生產(chǎn)環(huán)境具有很強(qiáng)的實(shí)用性和便利性，具有一定的推廣意義。

4 精準(zhǔn)化爆破效果

應(yīng)用空氣間隔裝藥、大密集系數(shù)和空氣與水耦合裝藥處理淺水孔的技術(shù)改進(jìn)措施，進(jìn)行了七次試驗(yàn)，實(shí)踐表明依據(jù)此法設(shè)計(jì)的爆破仍可保證良好的松動(dòng)破碎效果，測得松動(dòng)系數(shù)均在1.2以上，大塊率極低，未產(chǎn)生根底。同時(shí)使炸藥得到合理充分地利用，最大化地節(jié)約了爆破器材成本，將松動(dòng)爆破單耗從0.381降至平均0.28附近。進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)后，七次試驗(yàn)的主要參數(shù)和單耗控制的結(jié)果見表1。

另一方面，對炮孔參數(shù)的逐一調(diào)整使施工與設(shè)計(jì)的相符程度大大提高，使得爆破過程更加可控。表1中單耗偏離范圍中正值表示實(shí)際單耗高于設(shè)計(jì)單耗，負(fù)值表示實(shí)際單耗低于設(shè)計(jì)單耗。七次試驗(yàn)中單耗偏離設(shè)計(jì)的最大正值為4.12%，最大負(fù)值為-4.32%。作為對比，對該礦2018年6個(gè)月內(nèi)進(jìn)行的90次同參數(shù)不同規(guī)模，僅使用銨油炸藥的松動(dòng)爆破進(jìn)行單耗統(tǒng)計(jì)，實(shí)際單耗最大為0.476，最大偏離正值為24.9%，最小為0.294，偏離負(fù)值為-22.8%；偏離值超過10%的共有15次，占16.7%；負(fù)偏離值超過-10%的共有21次，占23.3%。可見精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)對單耗的控制起到了顯著作用。

表1 精細(xì)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)與效果

5 結(jié) 論

1)在軟硬互層復(fù)雜巖體條件下，運(yùn)用空氣間隔裝藥、大密集系數(shù)布孔和水氣耦合的水孔處理方式，在改善松動(dòng)爆破效果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減小單耗，大幅降低成本。借助測量與設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)，對不平整臺(tái)階和不均勻底盤抵抗線位置炮孔的精準(zhǔn)調(diào)整和控制，確保爆破達(dá)到良好預(yù)期效果。

2)針對該“中間軟，上下硬”的巖體結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步減小中間軟弱層泄能的風(fēng)險(xiǎn)，將炮孔密集系數(shù)設(shè)從2.17提升到2.33和2.81均是可行的，靠近2.33時(shí)更優(yōu)，在類似以砂巖，泥巖為主的巖體中，本方案有一定的參考價(jià)值。同時(shí)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需要，試用2～3m左右的空氣間隔裝藥，減小裝藥量換取更長的爆破作用時(shí)間和更均衡的孔內(nèi)爆壓，達(dá)到了在保證爆破效果的前提下降低單耗節(jié)約成本的目的。

3)精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)過程使設(shè)計(jì)意圖和控制目標(biāo)在施工時(shí)得到充分落實(shí)，令爆破的最終結(jié)果趨于穩(wěn)定化，給予技術(shù)人員更大的信心和把握，對生產(chǎn)管理水平的提高有重要的意義。