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        大南湖二號(hào)露天煤礦燒變巖石爆破試驗(yàn)

        2021-12-28 08:58:53沈君東
        露天采礦技術(shù) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:南湖炮孔臺(tái)階

        沈君東,李 超,王 瑋

        (新疆安順達(dá)礦山技術(shù)工程有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000)

        燒變巖石區(qū)巖體巖石密度較小,呈紅褐色,屬易碎裂巖石,耐凍性差,抗風(fēng)化能力弱。巖體裂隙、孔隙相對(duì)發(fā)育,結(jié)構(gòu)面粗糙,巖體完整性差,同時(shí)巖石中存在大量燒變程度較高,較硬的孤石,巖段巖石質(zhì)量以極劣為主,巖體破碎,穩(wěn)固性差。

        巖石的爆破破碎主要是炸藥爆炸應(yīng)力波和爆炸氣態(tài)產(chǎn)物膨脹共同作用的結(jié)果,要保證燒變巖石爆破質(zhì)量,就必須保證鉆孔質(zhì)量、裝藥質(zhì)量和填塞質(zhì)量。大南湖二號(hào)露天煤礦前期燒變巖石區(qū)采用金科590型潛孔鉆機(jī)、恒特HT150 型一體化潛孔鉆機(jī)、SWD138R 型一體化潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

        由于燒變巖石性脆易碎,前期鉆孔過程中風(fēng)機(jī)吹渣壓力加大導(dǎo)致炮孔吹成空洞,提桿后炮孔下部坍塌,孔深達(dá)不到裝藥要求,無法有效裝藥[1];風(fēng)機(jī)吹渣壓力減小會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)碎渣太多,無法取出,提桿后碎渣滑落,無法成孔;綜合造成現(xiàn)場(chǎng)鉆孔成孔率低,孔深達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,無法裝藥,爆破效果差[2]。目前燒變巖石區(qū)正位于采場(chǎng)推進(jìn)方向,無法解決鉆孔爆破質(zhì)量問題,將直接影采場(chǎng)剝離及采煤工作,為此,開展燒變巖石爆破實(shí)驗(yàn)研究勢(shì)在必行。

        1 礦山概況

        大南湖二號(hào)露天煤礦位于新疆哈密市,屬哈密市南湖鄉(xiāng)管轄,距哈密市區(qū)約84 km,位于大南湖煤田的西部,哈密市南-西南方向,直線距離50~70 km,設(shè)計(jì)能力為1 000 萬t/a,境界內(nèi)最大采深670 m。

        大南湖二號(hào)露天煤礦位于殘丘臺(tái)地區(qū),殘丘山體低而散亂,山頂渾圓,相對(duì)高差不大,干谷寬闊,臺(tái)地臺(tái)面較平坦,地表被殘積、坡積的巖屑層所覆蓋,通稱戈壁(南湖戈壁)。礦區(qū)及其周邊50 km 范圍內(nèi)無地表水系,礦田內(nèi)為無地表植被的荒漠區(qū)。

        燒變巖石區(qū)(燒變巖石區(qū)域)位于大南湖二號(hào)礦田中北部及礦田東部。燒變巖石是煤層自燃導(dǎo)致煤層上覆巖系及圍巖燒變、烘烤,使變形特性原本塑性的巖石變的性脆易碎,巖體呈碎裂結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)體呈片狀、板狀、碎塊狀、楔形、菱形體等。愈鄰近燃燒煤層的頂板,巖貌顯現(xiàn)為熔融巖,以局部發(fā)育微小的氣孔構(gòu)造為特征??傮w燒變巖段巖貌以紅色色調(diào)為主,次為淺黃、黃、灰白等雜色。

        燒變巖石區(qū)東西長(zhǎng)約3 800 m,南北寬約1 800 m,火燒面積大約為7.06 km2,該巖段在三維空間的分布形態(tài)較為復(fù)雜,燒變巖厚為0~87.55 m,最深為87.55 m。

        根據(jù)采樣鉆孔巖石測(cè)試成果統(tǒng)計(jì),采區(qū)內(nèi)以粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,剝離物強(qiáng)度小于6 MPa的巖石比例約為7.5%,介于6~15 MPa 的巖石占66%,大于15 MPa 的巖石占26%,煤系地層巖性多以泥巖、泥質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖為主。剝離物強(qiáng)度不均一,巖層對(duì)比較困難,巖石強(qiáng)度在平面上變化較大。

        大南湖二號(hào)露天煤礦剝離開采工藝采用單斗-卡車間斷開采工藝,采煤開采工藝采用單斗-卡車-半移動(dòng)式破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)開采工藝,煤系地層上覆剝離及層間厚層剝離的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階高度10 m,即燒變巖石區(qū)正常臺(tái)階高度為10 m。

        2 燒變巖石爆破試驗(yàn)

        2.1 燒變巖石區(qū)臺(tái)階分層爆破試驗(yàn)

        針對(duì)現(xiàn)有潛孔鉆機(jī)進(jìn)行燒變巖石區(qū)鉆孔作業(yè)時(shí),成孔率低,孔深達(dá)不到設(shè)計(jì)要求情況,研究決定將燒變巖石區(qū)爆破臺(tái)階由原來的10 m 臺(tái)階調(diào)整為5 m,各臺(tái)階分層進(jìn)行爆破[3],減少炮孔深度、增加鉆孔成功率,以達(dá)到良好爆破效果,同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)采剝?cè)O(shè)備分層采剝要求。上層5 m 爆破采剝后將作業(yè)面平整完畢再次進(jìn)行鉆孔、爆破及剝離作業(yè),以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)要求。

        單純采用臺(tái)階分層爆破,減少了單個(gè)炮孔深度,鉆孔成功率有所增加,但增加有限,而且此方法將10 m 臺(tái)階分為兩次爆破,增加作業(yè)程序,單次爆破量較低,采剝效率不高,且局部焦結(jié)塊由于孔網(wǎng)參數(shù)較大[4],未進(jìn)行有效鉆孔爆破,挖運(yùn)后仍形成孤石、大塊,需液壓破碎錘二次處理。

        2.2 孔網(wǎng)參數(shù)和孔徑調(diào)整爆破試驗(yàn)

        根據(jù)大南湖二號(hào)露天煤礦采場(chǎng)巖石性質(zhì)及日常爆破經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)用燒變巖石區(qū)爆破孔網(wǎng)參數(shù)為排距5 m,孔距9 m 或者排距5 m,孔距7 m,鉆孔直徑138 mm,但通過臺(tái)階分層爆破試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)局部焦結(jié)塊由于孔網(wǎng)參數(shù)較大,未進(jìn)行有效鉆孔爆破,挖運(yùn)后仍形成孤石、大塊[5],且部分炮孔為實(shí)現(xiàn)有效鉆孔深度必須加大風(fēng)壓,吹出碎渣,138 mm 鉆孔直徑加大風(fēng)壓后直接導(dǎo)致炮孔被吹成150 mm 甚至180 mm 直徑炮孔,或底部直接形成空洞,無法裝藥。

        針對(duì)此情況,進(jìn)行孔網(wǎng)參數(shù)調(diào)整,孔排距調(diào)整為排距5 m,孔距5 m,增加鉆孔密度;同時(shí)縮小鉆孔直徑[6],孔徑由138 mm 降低為120 mm,在鉆孔過程中適當(dāng)加大風(fēng)壓,提高鉆孔成功率、合格率。

        采用臺(tái)階分層爆破,同時(shí)將孔距、排距由原來的9、5 m 和7、5 m 調(diào)整為5、5 m,鉆孔直徑調(diào)整為120 mm,鉆孔成孔率增加的同時(shí),增加了鉆孔密度,有效對(duì)未知焦結(jié)塊進(jìn)行鉆孔,但同時(shí)出現(xiàn)新的問題,鉆孔密度增加后[7],每到焦結(jié)塊區(qū)域鉆孔時(shí),現(xiàn)有潛孔鉆機(jī)仍無法有效成孔,形成部分孤石,需破碎錘二次處理,無法根本解決燒變巖石區(qū)鉆爆問題。

        2.3 合金套管和PVC 管護(hù)壁成孔試驗(yàn)

        通過前期試驗(yàn)中對(duì)燒變巖石區(qū)臺(tái)階高度、孔網(wǎng)參數(shù)、孔徑等方面進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn),可知受鉆機(jī)設(shè)備限制,無法從根本上解決燒變巖石區(qū)鉆孔問題,爆破效果仍無法保證,對(duì)現(xiàn)有鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造調(diào)整。

        具體工藝改裝方案如下:①擬改裝1 臺(tái)φ70 mm鉆桿的鉆機(jī);②將現(xiàn)有φ120 mm 沖擊鉆頭改裝成φ156 mm 偏心鉆頭;③將現(xiàn)有φ120 mm 的定位套改裝成φ170 mm 定位套;④為鉆機(jī)準(zhǔn)備4 根外徑φ168 mm 的高強(qiáng)度合金套管,套管長(zhǎng)度為1.5 m,以及φ120 mmPVC 管(防靜電)若干。

        作業(yè)過程:鉆機(jī)進(jìn)行第1 根長(zhǎng)3 m 鉆桿鉆進(jìn)前,將高強(qiáng)度長(zhǎng)1.5 m 合金套管套在鉆桿上,套管隨鉆頭鉆進(jìn)沉入炮孔內(nèi)部。鉆孔深度達(dá)到1.5 m,進(jìn)行提鉆、卸鉆桿作業(yè),加上第2 根套管,以此類推,直至4根套管增加完畢,鉆孔深度達(dá)到6 m。然后進(jìn)行提鉆、卸鉆桿、鉆頭作業(yè),此時(shí)套管上部掛住孔口,臨時(shí)支護(hù)孔壁,將φ120 mm 的PVC 管放入炮孔中,然后將合金套管固定在鉆架上,提鉆拉出合金套管。

        通過進(jìn)行鉆機(jī)設(shè)備改裝調(diào)整,現(xiàn)場(chǎng)選取作業(yè)區(qū)域進(jìn)行鉆孔試驗(yàn),但此次鉆機(jī)改造,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作復(fù)雜、效率低下,未能達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)效果,且各項(xiàng)材料使用成本較高,不具備大規(guī)模應(yīng)用條件[8]。

        2.4 適合燒變巖石的鉆機(jī)設(shè)備改造試驗(yàn)

        通過前期燒變巖石區(qū)爆破試驗(yàn),為從根本上解決燒變巖石區(qū)鉆孔、成孔及爆破問題,又聯(lián)系鉆機(jī)廠家生產(chǎn)人員,經(jīng)多方研究,結(jié)合相關(guān)資料,以及對(duì)燒變巖石區(qū)巖性進(jìn)一步分析,最終決定使用2 臺(tái)山工170 改裝型鉆機(jī)進(jìn)行燒變巖石區(qū)鉆孔作業(yè),該鉆機(jī)安設(shè)有除塵設(shè)施及注漿設(shè)施,可根據(jù)不同地層選擇注漿或填土造孔(漿水中有高度黏合劑),以此達(dá)到鉆孔完整穩(wěn)定的目的。結(jié)合燒變巖石區(qū)實(shí)際情況,計(jì)劃在鉆機(jī)鉆孔過程中,減小風(fēng)壓,通過注漿設(shè)施不斷向孔壁注入防塌劑,防塌劑通過鉆桿旋轉(zhuǎn)及吸附作用吸附在孔壁表面,形成1 層良好的吸附層,抑制巖石的碎裂分散,以此達(dá)到保護(hù)炮孔、提高成孔率的作用。

        現(xiàn)場(chǎng)采用山工170 改裝型鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè),通過添加黏合劑護(hù)孔,鉆孔成孔率大大提高,且遇到堅(jiān)硬焦結(jié)塊也可正常鉆孔,鉆孔深度也全部在5 m以上,深度均勻,臺(tái)階面鉆孔作業(yè)能按照鉆孔設(shè)計(jì)開展,作業(yè)效率雖有降低,但基本滿足燒變巖石區(qū)挖運(yùn)進(jìn)度,同時(shí)爆破質(zhì)量提高,大塊、孤石大大減少,配合免爆,輕松平整作業(yè)面,為二次5 m 鉆爆作業(yè)提供作業(yè)條件,從根本上解決了燒變巖石區(qū)鉆爆問題。

        3 結(jié)語(yǔ)

        1)通過對(duì)燒變巖石區(qū)臺(tái)階高度、孔網(wǎng)參數(shù)、孔徑及鉆機(jī)設(shè)備等方面的不斷試驗(yàn)探索,單一調(diào)整無法從根本上解決燒變巖石鉆爆破問題,單一調(diào)整存在效果差、效率低、經(jīng)濟(jì)花費(fèi)高等明顯缺點(diǎn)。最終采用分臺(tái)階爆破,臺(tái)階高度調(diào)整為5 m、鉆孔直徑定為120 mm、孔網(wǎng)參數(shù)調(diào)整為孔距5 m 排距5 m,同時(shí)使用山工170 改裝型鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè),多措并舉,進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)總結(jié)。

        2)半臺(tái)階調(diào)整后,結(jié)合現(xiàn)有改裝鉆機(jī)特點(diǎn),鉆孔效率和普通臺(tái)階鉆孔相比無變化,滿足現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度要求;經(jīng)濟(jì)效益方面,山工170 改裝型鉆機(jī)新增注漿、注水部,成本增加較小,在合理范圍內(nèi);爆破效果方面,相較于以往燒變巖石區(qū)作業(yè)從根本上改善了爆破質(zhì)量,無高大孤石遺留,爆破產(chǎn)生大塊在可控范圍內(nèi),作業(yè)面及邊幫平整度大大改善,滿足標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)要求,同時(shí)也為類似性質(zhì)巖石鉆爆開采作業(yè)提供參考。

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