王君霞，郝亞飛，保天才，周桂松，朱 寬，曹進(jìn)軍

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司，重慶 401121)

在我國(guó)新疆、內(nèi)蒙、寧夏、山西等煤層埋藏較淺地區(qū)，采用露天開(kāi)采的煤礦越來(lái)越多[1]。由于露天煤礦的煤層露頭，以及大量存在的采空區(qū)和密閉不嚴(yán)的空巷進(jìn)入空氣，易形成自燃區(qū)[2]。根據(jù)調(diào)查，我國(guó)北方煤田自燃區(qū)有50余處[3]，其中西北地區(qū)煤田自燃最為嚴(yán)重。煤層自燃區(qū)炮孔溫度較高，局部高達(dá)400～600 ℃。由于炸藥及爆破器材均有一定的熱感度，環(huán)境溫度達(dá)到熱感度臨界值時(shí)將引起早爆事故，危及爆破作業(yè)人員安全，煤層自燃對(duì)露天煤礦爆破構(gòu)成了極大的安全隱患。我國(guó)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)明確規(guī)定[4]，在溫度高于60 ℃時(shí)，必須采取特殊爆破安全作業(yè)措施。

眾多爆破行業(yè)人員對(duì)煤礦火區(qū)爆破進(jìn)行了研究和探索[5]，露天煤礦火區(qū)爆破仍然存在諸多問(wèn)題。目前，露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)仍然是以炮孔注水降溫為主，以最快的速度裝藥、填塞、起爆，但無(wú)法從本質(zhì)上滿足爆破作業(yè)安全、進(jìn)度、效益等需求。國(guó)內(nèi)外主要在滅火降溫[6]、爆破施工[7]、耐高溫爆破器材[8]和爆破器材隔熱防護(hù)[9-10]等4個(gè)方面開(kāi)展了煤礦火區(qū)爆破的技術(shù)研究，并取得了一定的成果，對(duì)推動(dòng)我國(guó)露天煤礦火區(qū)爆破技術(shù)的發(fā)展起到了一定的推動(dòng)作用，但從使用現(xiàn)狀來(lái)看，多數(shù)成果存在成本過(guò)高、施工工藝復(fù)雜、作業(yè)效率低下等缺點(diǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者圍繞炮孔溫度監(jiān)控、耐熱防護(hù)裝置、爆破施工工藝等方面進(jìn)行研究，形成了一系列火區(qū)爆破耐熱控溫施工技術(shù)，具有安全可控、施工高效、成本低廉等特點(diǎn)，并在寧夏汝箕溝煤礦取得了成功應(yīng)用。

1 工程概況

寧夏汝箕溝無(wú)煙煤礦羊齒采區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)賀蘭山北部，采區(qū)盛產(chǎn)的“太西無(wú)煙煤”以其優(yōu)良煤質(zhì)在國(guó)內(nèi)外享有盛譽(yù)。但因歷史上小煤窯開(kāi)采及煤層露頭較淺等原因在采區(qū)東西兩頭及南側(cè)形成了三面火區(qū)，其溫度異常區(qū)面積達(dá)29萬(wàn)m2，溫度異常區(qū)強(qiáng)火帶面積達(dá)4.2萬(wàn)m2，約占采區(qū)總面積的6.5%?；饏^(qū)邊緣裂隙明顯，火區(qū)內(nèi)沿裂縫有青煙冒出，火勢(shì)旺盛。在未采動(dòng)情況下，火區(qū)燃燒速度沿煤層傾向每年延伸2～3 m；在采動(dòng)情況下，火區(qū)燃燒速度沿煤層傾向每年延伸3～5 m，難以治理。由于無(wú)法從根本上防止煤層自燃，在羊齒采區(qū)進(jìn)行爆破施工無(wú)法排除火區(qū)的影響。煤層自燃造成局部溫度可達(dá)300 ℃以上，對(duì)鉆爆工作造成很大的安全隱患，也嚴(yán)重影響工程施工進(jìn)度。為了確保爆破安全，現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)出一套“8個(gè)孔、9個(gè)人、3 min”的作業(yè)模式，且炮孔最高溫度不能超過(guò)50 ℃，爆破規(guī)模受到極大限制；若個(gè)別炮孔局部溫度升高過(guò)快，易發(fā)生安全事故。

若要提高煤礦火區(qū)爆破規(guī)模和施工效率，主要存在以下問(wèn)題：

①常規(guī)高溫炮孔溫度測(cè)試儀器不能實(shí)現(xiàn)全孔深溫度測(cè)量，無(wú)法克服煤層自燃導(dǎo)致炮孔內(nèi)溫度場(chǎng)不規(guī)律的問(wèn)題，在煤礦火區(qū)炮孔適用性較差；

②傳統(tǒng)露天煤礦火區(qū)爆破只是對(duì)裝藥前炮孔溫度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)炮孔內(nèi)溫度達(dá)到安全爆破條件時(shí)開(kāi)始裝藥，而在裝藥過(guò)程中及裝藥結(jié)束后對(duì)炮孔溫度的監(jiān)測(cè)存在盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)全過(guò)程炮孔溫度監(jiān)控是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)；

③常規(guī)的裝藥方式直接將炸藥裝入炮孔，炸藥與周圍介質(zhì)直接接觸，存在炸藥容易泄露、受煤層自燃影響升溫過(guò)快等問(wèn)題，存在由于炮孔內(nèi)局部溫度異常區(qū)導(dǎo)致炸藥早爆的安全隱患；

④常規(guī)的施工工藝嚴(yán)格控制爆破規(guī)模和作業(yè)時(shí)間，由于缺乏一整套具備安全可控、施工高效、成本低廉的露天煤礦火區(qū)爆破施工作業(yè)程序，尚無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

2 火區(qū)爆破施工方案

2.1 炮孔溫度監(jiān)測(cè)

裝藥前和裝藥過(guò)程中對(duì)炮孔溫度的準(zhǔn)確監(jiān)控是保證露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)安全的首要條件。采用炮孔全孔深測(cè)溫裝置和全過(guò)程溫度監(jiān)控裝置，可實(shí)現(xiàn)露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)炮孔溫度監(jiān)控。

1)全孔深測(cè)溫裝置。目前，在露天礦火區(qū)爆破作業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)，一般采用熱電偶測(cè)溫儀和便攜式紅外測(cè)溫儀檢測(cè)炮孔內(nèi)的溫度，均難以實(shí)現(xiàn)對(duì)全孔深溫度測(cè)量。采用全孔深測(cè)溫裝置能夠便捷、快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)炮孔全孔深的溫度，有效克服常規(guī)測(cè)溫手段的不足。該測(cè)溫裝置包括主機(jī)、探頭、配重件、電纜、軟件、電池、報(bào)警裝置、無(wú)線傳輸裝置、絞盤、平板電腦，測(cè)溫范圍-40～975 ℃。該測(cè)溫裝置具有數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、存儲(chǔ)功能，可為后續(xù)炮孔注水后溫度反彈變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)掌握整個(gè)炮區(qū)高溫孔的分布具有重要意義。另外，因其電纜線上標(biāo)有刻度，使用該裝置測(cè)量溫度的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)孔深測(cè)量，提高了工作效率。某炮孔溫度隨深度的變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 炮孔溫度隨孔深的變化關(guān)系Fig.1 Relationship between temperature changing and blasting hole depth

2)裝藥前全過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)裝置。在火區(qū)爆破作業(yè)過(guò)程中，存在炮孔局部溫度升高過(guò)快而危及施工作業(yè)安全的可能性。采用裝藥前全過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)裝藥作業(yè)前施工全過(guò)程孔內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警，對(duì)保證施工作業(yè)安全具有重要意義。該裝置包括溫度監(jiān)測(cè)器、溫度傳感器以及連接導(dǎo)線，其中溫度傳感器為柔性熱電偶，柔性熱電偶測(cè)溫范圍為-200～1 300 ℃，能夠快速測(cè)試火區(qū)炮孔內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度，便于安裝，測(cè)試溫度精準(zhǔn)。該裝置能夠一次性采集炮孔中多個(gè)部位的溫度值，可對(duì)局部溫度反彈較快的炮孔進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，當(dāng)溫度超過(guò)安全閾值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警，從而為火區(qū)爆破施工安全提供保障。

2.2 耐熱防護(hù)裝置

耐熱防護(hù)裝置從內(nèi)到外分為3層，分別由外層耐熱裝置、內(nèi)層耐熱裝置和儲(chǔ)水裝置組成，裝置外徑與炮孔孔徑大致相同。儲(chǔ)水裝置用于存儲(chǔ)水，其熔點(diǎn)為120 ℃左右，在內(nèi)部為水介質(zhì)條件下不會(huì)發(fā)生破壞。耐熱防護(hù)裝置采用耐高溫材料，能在500 ℃高溫下整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，且表面具有一定的溫度反射作用，可延緩熱量傳遞速度，從而降低裝置內(nèi)升溫速度。

耐熱防護(hù)裝置使炸藥和起爆器材處于水介質(zhì)環(huán)境，通過(guò)延緩熱量傳導(dǎo)給炸藥和爆破器材的速度來(lái)增加安全作業(yè)時(shí)間，確保施工安全。耐熱防護(hù)裝置改變了常規(guī)的“巖體→炸藥”的熱量傳遞路徑，熱傳導(dǎo)路徑改變?yōu)椤皫r體→外層耐熱裝置→內(nèi)層耐熱裝置→儲(chǔ)水裝置→水→炸藥”，可以降低熱傳導(dǎo)效率，延緩裝置內(nèi)升溫速度。耐熱防護(hù)裝置具有耐熱控溫特性，可實(shí)現(xiàn)露天煤礦火區(qū)快速、安全裝藥。

2.3 施工作業(yè)程序

常規(guī)深孔爆破施工作業(yè)流程：鉆孔→裝藥→填塞→聯(lián)網(wǎng)→警戒→起爆，從裝藥到起爆要完成填塞、聯(lián)網(wǎng)和警戒等一系列工作，起爆器材和炸藥在孔內(nèi)滯留時(shí)間較長(zhǎng)?；诼短烀旱V火區(qū)爆破作業(yè)全過(guò)程炮孔溫度監(jiān)控相關(guān)儀器以及適合露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)的耐熱防護(hù)裝置，對(duì)常規(guī)施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，總結(jié)形成與之配套的火區(qū)爆破施工作業(yè)程序。

通過(guò)對(duì)施工作業(yè)程序的調(diào)整和施工組織的優(yōu)化，使炮孔裝藥溫度安全可控，而且縮短了起爆器材和炸藥在炮孔內(nèi)的滯留時(shí)間，從而減小危險(xiǎn)時(shí)間段。優(yōu)化后的施工工藝程序合理，涵蓋爆破設(shè)計(jì)、驗(yàn)孔、測(cè)溫、降溫、控溫、裝藥、填塞、起爆等方面，具有可操作性強(qiáng)、流程清晰、操作簡(jiǎn)便、施工高效、安全可控等特點(diǎn)；并結(jié)合相關(guān)爆破施工工法和作業(yè)規(guī)程，為露天煤礦火區(qū)爆破形成了一整套的施工方法。

3 應(yīng)用效果

在露天煤礦臺(tái)階爆破中，高溫火區(qū)嚴(yán)重影響整體工作面施工進(jìn)度，制約其他平臺(tái)的爆破施工。按照常規(guī)的作業(yè)模式，寧夏汝箕溝煤礦采用“8個(gè)孔、9個(gè)人、3 min”的方式進(jìn)行爆破施工。即注水降溫后炮孔內(nèi)溫度在25～49 ℃為溫度異常區(qū)，要求裝藥時(shí)爆區(qū)作業(yè)人員不超過(guò)9人，從裝藥到起爆的作業(yè)時(shí)間不超過(guò)3 min，每次爆破炮孔總數(shù)不超過(guò)8個(gè)，炮孔溫度≥50 ℃時(shí)，禁止實(shí)施爆破作業(yè)，爆破作業(yè)規(guī)模受到極大限制。

通過(guò)對(duì)常規(guī)施工工藝技術(shù)的優(yōu)化，形成適合露天煤礦火區(qū)爆破作業(yè)的施工方法，作業(yè)時(shí)間延長(zhǎng)至1 h，單次爆破炮孔可達(dá)45個(gè)，炮孔溫度允許范圍從50 ℃提高至100 ℃，大幅提高了火區(qū)爆破的炮孔適用范圍，突破了傳統(tǒng)作業(yè)模式下對(duì)爆破規(guī)模、溫度以及作業(yè)時(shí)間的限制，極大提高了爆破規(guī)模和施工效率。

優(yōu)化后的施工作業(yè)程序在羊齒采區(qū)+2040水平和+2060水平的改道施工以及其他平臺(tái)的高溫火區(qū)爆破施工中試用成功，爆破效果滿足挖運(yùn)要求，達(dá)到了預(yù)期效果，有效擴(kuò)大了火區(qū)爆破作業(yè)范圍，加快了高溫火區(qū)的剝離速度，促使常溫區(qū)快速暴露，提高了采區(qū)爆破生產(chǎn)總量；同時(shí)減少了炮孔注水降溫用水量，減少了煤炭資源的浪費(fèi)，提高了爆破施工安全性，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，在類似工程中具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

1)采用全孔深測(cè)溫裝置和裝藥前全過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)裝置能克服常規(guī)測(cè)溫方法的缺陷，不僅能實(shí)現(xiàn)全孔深溫度的測(cè)量，還能實(shí)現(xiàn)裝藥前全過(guò)程的溫度監(jiān)控，有效防范因炮孔溫度測(cè)量不到位而導(dǎo)致的安全隱患，為保證火區(qū)爆破施工安全提供了重要支撐。

2)采用具有耐熱控溫特性的耐熱防護(hù)裝置，提高了適用的炮孔溫度范圍，實(shí)現(xiàn)了露天煤礦火區(qū)快速、安全裝藥，加快了爆破施工進(jìn)度，可節(jié)省大量的水資源，同時(shí)具有材料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，為火區(qū)爆破施工安全提供了重要保障。

3)采用適合露天煤礦火區(qū)爆破的施工作業(yè)程序，覆蓋爆破設(shè)計(jì)、驗(yàn)孔、測(cè)溫、裝藥、監(jiān)控等方面，具有可操作性強(qiáng)、流程清晰、操作簡(jiǎn)便、施工高效、安全可控等特點(diǎn)，可為露天煤礦火區(qū)爆破提供系統(tǒng)的解決方案，對(duì)露天煤礦火區(qū)爆破降本增效具有重要意義。