楊海斌，郭寶江，李繼紅，張風(fēng)軍，王尹軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.河北云山化工集團(tuán)有限公司，河北 邢臺054011；3.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

CO2爆破技術(shù)主要用于高瓦斯低透氣性煤礦的壓裂增透工程，自上世紀(jì)90年代引入我國以來，經(jīng)過20余年發(fā)展，已經(jīng)被越來越多的業(yè)界人士所認(rèn)識和接受，并開展了大量研究工作。馬海鵬等[1]研究認(rèn)為CO2相變致裂對整體性好的石灰?guī)r、花崗巖效果較好，較松散的紅沙巖效果較差。夏杰勤等[2]研發(fā)了一種可用于建造干熱巖型地?zé)醿拥男滦虲O2致裂器。丁海龍等[3]總結(jié)了高海拔地區(qū)工程項(xiàng)目CO2爆破技術(shù)的應(yīng)用。龔政[4]通過實(shí)際應(yīng)用證明了CO2爆破技術(shù)是一種危害小的破巖方法，可解決特殊要求下的破巖難題。梅比等[5]研究認(rèn)為CO2爆破產(chǎn)生的振動值僅是同樣藥量的炸藥爆破產(chǎn)生的振動值的1/20～1/15。

近年來，經(jīng)過廣大研究者的不斷努力，CO2致裂器已經(jīng)由完全依靠進(jìn)口，發(fā)展成為以自主研發(fā)為主，產(chǎn)品的規(guī)格型號不斷豐富，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)充。隨著CO2爆破技術(shù)由地下開采擴(kuò)展到露天采剝，為了滿足露天爆破對CO2致裂器爆炸威力的較高要求，較大型和大型CO2致裂器產(chǎn)品得到研發(fā)，但大型CO2致裂器的現(xiàn)場應(yīng)用研究尚未見有關(guān)報(bào)道。

本文介紹了自主研發(fā)的直徑186 mm、長3.4 m、充裝30～35 kg液態(tài)CO2的大型致裂器(以下簡稱186型致裂器)在河北某露天鐵礦的試驗(yàn)性應(yīng)用情況，解決了傳統(tǒng)炸藥爆破對位于該礦100 m外養(yǎng)殖場的影響問題，探索出一條滿足該鐵礦開采需求的新方法，也為類似工程的安全有效開采提供了有益借鑒。

1 工程概況

該鐵礦是冀東礦脈的一部分，礦區(qū)鐵礦石形成于前震旦系變粒巖中，屬鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床。礦體南北長10 km，東西寬2 km，以S6勘探線為界劃分為南北2個(gè)開采區(qū)，南區(qū)長6 km，北區(qū)長4 km，南區(qū)采取硐采方式開采，北區(qū)為露天開采。礦石資源總儲量為23.48億t，其中氧化鐵礦3.23億t，磁鐵礦20.25億t，為我國三大鐵礦區(qū)之一，居亞洲第二。

試爆區(qū)周圍環(huán)境如圖1所示，東邊距離一養(yǎng)殖場100 m，距離河道440 m，距離某村莊543 m；南邊距離另一村莊576 m；西邊距離國道1.1 km，距離某公司1.2 km，西南方向距離某公司1.5 km，西北方向距離某公司職工住宅小區(qū)1.7 km，北邊2.3 km內(nèi)全是礦脈開采區(qū)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 難點(diǎn)分析

重點(diǎn)保護(hù)對象為東側(cè)100 m處的養(yǎng)殖場。如果采用傳統(tǒng)的炸藥爆破方式進(jìn)行開采，產(chǎn)生的振動、揚(yáng)塵、噪聲、飛石、沖擊波等危害效應(yīng)，會對養(yǎng)殖場內(nèi)的家禽造成嚴(yán)重影響。如果采用破碎錘或靜態(tài)破碎劑等方式進(jìn)行開采，則效率低、成本高、耗時(shí)長。

為了做到既不對養(yǎng)殖場造成影響，又為礦山企業(yè)創(chuàng)造良好經(jīng)濟(jì)效益，并將爆破有害效應(yīng)控制在最低限度之內(nèi)，經(jīng)過綜合考慮，最終選擇采用可重復(fù)使用的186型CO2致裂器進(jìn)行爆破開采，充分發(fā)揮其爆破有害效應(yīng)小、做功能力較大、多次重復(fù)使用成本較低等優(yōu)點(diǎn)。由于是首次較大規(guī)模試用，因此結(jié)合186型CO2致裂器的產(chǎn)品參數(shù)和現(xiàn)場情況，設(shè)計(jì)適宜于該礦山特點(diǎn)的鉆爆參數(shù)和工藝方法是本工程的首要問題。

2.2 整體方案

為了做到既嚴(yán)格控制有害效應(yīng)，又保證經(jīng)濟(jì)效益，采用了松動爆破方案，即先用186型CO2致裂器將礦石從母體中爆炸脹裂剝離出來，再用破碎錘對分離出來的大塊進(jìn)行二次破碎。為了控制飛石方向，將爆區(qū)臨空面確定在與養(yǎng)殖場所在方位相反的方向。

2.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

針對本工程的地形和環(huán)境條件，設(shè)計(jì)合理的孔距、排距和臺階高度，確定一次起爆炮孔數(shù)量。通過現(xiàn)場多次試爆，在分析試爆的松動效果、振動、噪聲、飛石等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)礦層的不同硬度，孔排距分別采用3 m×3 m和3.3 m×3.3 m。爆破參數(shù)如表1所示，布孔形式為梅花形。單次爆破10個(gè)炮孔，每孔裝1根CO2致裂器。根據(jù)地形條件按2排孔布設(shè)，每排5個(gè)炮孔(見圖2)。采用數(shù)碼激發(fā)管毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路，同排炮孔同時(shí)起爆，排間延時(shí)100 ms。

表1 臺階爆破參數(shù)設(shè)計(jì)值

3 施工工藝

現(xiàn)場施工工藝總體上可分為4個(gè)步驟，即：組裝運(yùn)送→吊裝入孔→連線起爆→回收維護(hù)。

3.1 組裝運(yùn)送

在組裝致裂器時(shí)，先將裝配式塑膜激發(fā)管裝入儲液管中，再在泄能頭端裝入密封墊、爆破片，然后擰緊充裝頭和泄能頭，最后使用專用充裝機(jī)將液態(tài)CO2充入致裂器內(nèi)。致裂器結(jié)構(gòu)如圖3所示。將充裝好液態(tài)CO2的致裂器，采用吊裝運(yùn)輸一體貨車運(yùn)送到礦區(qū)，如圖4所示。

3.2 吊裝入孔

在爆破作業(yè)現(xiàn)場，使用專用電阻表測量每根CO2致裂器的電阻值，檢測電路完好且阻值在正常范圍內(nèi)之后，再通過提升頭將CO2致裂器吊送入炮孔內(nèi)，如圖5所示。

炮孔填塞前，再次用電阻表依次測量致裂器導(dǎo)線的電阻值(見圖6a)，確定所有致裂器的電阻值均在正常范圍內(nèi)之后，將巖屑填充在炮孔內(nèi)CO2致裂器的周圍及其頂部空間(嚴(yán)禁使用石塊填塞)。填充時(shí)，用直徑8 mm的鋼筋搗實(shí)致裂器和孔壁間的巖屑(見圖6b)，填塞物全部覆蓋住管體后，改用炮棍逐層將巖屑搗實(shí)，直至填滿炮孔為止。每個(gè)炮孔內(nèi)的填塞長度約2.5 m。

3.3 連線起爆

將2排炮孔內(nèi)CO2致裂器的導(dǎo)線引出，逐孔串聯(lián)連接(見圖7a)。在安全措施到位之后，下達(dá)起爆命令。用起爆器引燃激發(fā)管，實(shí)施爆破，爆破瞬間如圖7b所示。

3.4 回收維護(hù)

結(jié)合勾機(jī)鏟挖和清運(yùn)過程(見圖8)，逐個(gè)將露出爆堆的致裂管回收，并將回收的致裂管運(yùn)送到操作間。在操作間內(nèi)將致裂管水平放置在充裝架上，拆卸泄能頭和充裝頭，將致裂管內(nèi)部及螺紋連接處的沙土殘?jiān)惹謇砀蓛?，并仔?xì)檢查，進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，以備下次使用。

4 結(jié)果與討論

4.1 破碎效果

起爆后，沒有明顯的飛石，振動很小，達(dá)到了預(yù)期的松動效果(見圖9a和圖9b)，臨空面之前的爆堆較為集中(見圖9c)，整個(gè)場地的平整性較好。按照以勾機(jī)可勾動且能夠裝車為合格標(biāo)準(zhǔn)，爆后礦塊合格率達(dá)80%以上，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 爆破方量

試驗(yàn)期間，一次引爆10個(gè)炮孔后，現(xiàn)場實(shí)測的松動礦體范圍為長20 m、寬9 m、深7 m，總方量合計(jì)1 260 m3，折合單根186型CO2致裂器的爆破方量為126 m3。

在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，該礦區(qū)從2021年9月開始，連續(xù)3個(gè)多月采用可重復(fù)使用的186型CO2致裂器進(jìn)行爆破開采，共計(jì)開采了2.5×105t礦石，10根致裂器反復(fù)使用900多根次，未影響附近養(yǎng)殖場的正常養(yǎng)殖活動，圓滿完成了炸藥爆破無法開采的礦體采剝?nèi)蝿?wù)。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

以上述單次爆破方量1 260 m3的成本消耗，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，并與炸藥爆破成本進(jìn)行對比。

1)CO2爆破成本核算。采用186型CO2致裂器爆破，炮孔參數(shù)為孔徑216 mm、孔距3.0 m、排距3.0 m，臺階高度6 m、孔深6.5 m、炮孔數(shù)量10個(gè)。

各項(xiàng)成本費(fèi)用分別為:打孔費(fèi)3 575元，CO2材料費(fèi)450～525元，激發(fā)管2 800元，爆破片與密封墊13元，人工費(fèi)900元，二次破碎費(fèi)1 600元，回收費(fèi)200元，維護(hù)費(fèi)200元，車輛費(fèi)500元/次，重復(fù)使用型致裂管折舊費(fèi)60元。費(fèi)用合計(jì)10 298～10 373元，折算為單方爆破成本為8.17～8.23元。

2)炸藥爆破成本核算。本礦區(qū)炸藥爆破開采的炮孔參數(shù)為孔徑90 mm、孔距3.5 m、排距3.0 m、臺階高度20 m、孔深20.5 m。一次爆破的炮孔數(shù)量6個(gè)，炸藥單耗0.4 kg/m3，共需炸藥0.51 t。

各項(xiàng)成本費(fèi)用分別為：打孔費(fèi)3 690元，炸藥費(fèi)5 100元，雷管費(fèi)180元，人工費(fèi)200元，車輛費(fèi)500元/次。費(fèi)用合計(jì)9 670元，折算為單方爆破成本為7.67元。

3)CO2爆破和炸藥爆破成本比較。盡管本次試驗(yàn)核算的CO2爆破成本8.17～8.23元/m3大于炸藥爆破成本7.67元/m3，但是隨著CO2致裂器重復(fù)使用的次數(shù)增加，爆破規(guī)模增大，還可使成本持續(xù)下降，成本差距還會逐步縮小。尤其是在無法使用炸藥爆破的開挖工程中，更能顯示出其實(shí)用價(jià)值，可為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

采用可重復(fù)使用的186型CO2致裂器，在河北某鐵礦的爆破試驗(yàn)及后續(xù)3個(gè)多月露天開采應(yīng)用的結(jié)果表明，松動爆破和破碎效果良好，未對養(yǎng)殖場的正常養(yǎng)殖活動造成影響，為礦山企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。所采用的鉆爆參數(shù)和施工方法、工藝流程、安全操作等，為制訂大型CO2致裂器在類似鐵礦露天開采應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)和安全操作規(guī)程等，提供了工程依據(jù)和參照。