姚建華
(神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司 黑岱溝露天煤礦,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)
在露天采礦的生產(chǎn)成本中,運(yùn)輸成本占比最大,其次就是爆破成本,約占生產(chǎn)總成本的23%[1]。因此,有效降低爆破成本,也是提高露天礦經(jīng)濟(jì)效益的重要手段之一。目前,國內(nèi)外礦山都對分段裝藥進(jìn)行了一定的研究,也取得了不錯(cuò)的成果。但每個(gè)露天礦的生產(chǎn)工藝和地質(zhì)條件不盡相同,所研究的成果也不具有普適性。需要工程技術(shù)人員根據(jù)自身露天礦的特點(diǎn)進(jìn)行針對性研究。通過對松動爆破時(shí)如何使用空氣間隔器的研究,可有效改善爆破效果,對降低露天礦綜合生產(chǎn)成本有著較大意義。
國家能源投資集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市薛家灣煤田中部,露天礦的南側(cè)為神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司哈爾烏素露天煤礦,黑岱溝露天煤礦開采6#煤層,原煤儲量14.98 億t,1990 年開始籌建工作,先后進(jìn)行試產(chǎn),正式生產(chǎn)以及多次改造,煤炭生產(chǎn)能力由1 200 萬t/a 增加至3 400 萬t/a[2]。黑岱溝露天煤礦采剝總量超過1 億m3/a,為國內(nèi)單坑產(chǎn)量最大的露天煤礦之一。
黑岱溝露天煤礦賦存的巖石主要種類如下:細(xì)砂巖、砂頁巖、粗砂巖、泥巖、中砂巖和高嶺土,均為沉積巖,層狀分布[3]。根據(jù)黑岱溝露天煤礦現(xiàn)場巖體波速測試,泥巖巖體波速為1 273 m/s,砂巖巖體波速為796~1 118 m/s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石波速測試,泥巖巖石波速為3 744 m/s,砂巖巖石波速為1 586~3 226 m/s[4]。
依據(jù)露天巖石臺階深孔炸藥破碎巖石機(jī)理得知,炸藥起爆后,在炸藥產(chǎn)生的沖擊波及產(chǎn)生的爆炸氣體共同作用下,鉆孔四周由外向內(nèi)分別產(chǎn)生震動區(qū)域、裂隙區(qū)域以及破碎區(qū)域。炸藥產(chǎn)生的爆炸能量主要在裂隙區(qū)及破碎區(qū),也就是說炸藥對巖石的破碎主要集中在裂隙區(qū)和破碎區(qū),臺階爆破炸藥爆破區(qū)域圖如圖1。圖中:Rb為鉆孔半徑,m;Rc為破碎區(qū)域半徑,m。
圖1 臺階爆破炸藥爆破區(qū)域圖
破碎區(qū)域半徑計(jì)算如式(1):
式中:ρ0為炸藥密度,g/cm3;D 為炸藥爆速,m/s;n 為爆炸產(chǎn)物膨脹碰撞孔壁時(shí)壓力增大系數(shù);Kd為裝藥徑向不耦合系數(shù);σcd為單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度,Pa;α 為沖擊波載荷傳播衰減指數(shù);lc為裝藥系數(shù),lc=裝藥長度/(炮孔長度-填塞長度),采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)時(shí),lc=1;rb為炮孔半徑,m。
式中:μd為動態(tài)泊松比,為靜態(tài)泊松比的0.8倍;b 為側(cè)向應(yīng)力系數(shù),b=μd/(1-μd)。
根據(jù)式(1)、式(2)可以總結(jié)出:當(dāng)鉆孔直徑、炸藥的基本性能、巖石臺階的基本性質(zhì)相同時(shí),巖石破碎區(qū)域的半徑和不耦合的系數(shù)Kd、軸向系數(shù)lc有關(guān)系。黑岱溝露天煤礦每年的爆破量很大,利用生產(chǎn)效率高的炸藥混裝車作業(yè),要求爆破施工效率極高,采取徑向耦合的裝藥方式。所以,破碎區(qū)域半徑只與軸向裝藥系數(shù)有關(guān),單孔裝藥量越少,破碎區(qū)半徑越小。在這種情況下,應(yīng)用空氣間隔的方式,可以降低單個(gè)鉆孔的裝藥量,并適當(dāng)縮小孔距、排距和充填高度,增加炸藥能量對巖石臺階上部、下部巖石的破碎,進(jìn)而可提高爆破質(zhì)量、降低露天礦山的綜合生產(chǎn)成本。同時(shí),利用空氣間隔裝藥,可以減小鉆孔內(nèi)炸藥爆炸的峰值壓力,增加應(yīng)力波在鉆孔中的作用時(shí)間,減小破碎區(qū)域半徑,避免破碎區(qū)域半徑過大,消耗太多能量,造成炸藥能力利用率低,導(dǎo)致爆破成本增高。
空氣間隔裝藥按間隔位置可分為上部、中部以及底部3 種方式。由于巖石臺階上部、底部容易出現(xiàn)大塊及根底,中部炸藥能量相對充足,所以在巖石臺階的炮孔中部進(jìn)行空氣間隔。
1)爆破參數(shù)。露天煤礦煤層厚度平均28.9 m,使用牙輪鉆機(jī)鉆孔,孔徑200 mm,超深3 m,使用炸藥混裝車進(jìn)行裝藥,使用的炸藥主要有乳化炸藥、銨油炸藥以及重銨油炸藥。其中,銨油炸藥占主導(dǎo)地位,抵抗線較大的炮孔使用重銨油炸藥,水孔使用乳化炸藥。采用連續(xù)裝藥的方式,地表管使用數(shù)碼雷管進(jìn)行毫秒延期,控制排延期時(shí)間為17 ms,支路排延期時(shí)間為42 ms,孔內(nèi)使用導(dǎo)爆索。
2)裝藥結(jié)構(gòu)。當(dāng)裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)裝藥,炸藥在炮孔內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的壓力大,炮孔周圍粉碎區(qū)的范圍大,炮孔周圍巖體破碎程度高,此區(qū)域大量消耗炸藥能量,導(dǎo)致裂隙區(qū)范圍較小,影響露天礦山的爆破效果及經(jīng)濟(jì)效益。采用分段裝藥可以有效降低破碎區(qū)的半徑,增加裂隙區(qū)的半徑,提高塊煤率,提高炸藥能量利用率。故將連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化為空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)。
依據(jù)6#優(yōu)質(zhì)煤在煤層中的分布情況,確定間隔位置,并分2 個(gè)階段優(yōu)化間隔長度。原設(shè)計(jì)裝藥圖如圖2、第1 階段裝藥圖如圖3,第,2 階段裝藥圖如圖4。
圖2 原設(shè)計(jì)裝藥圖
圖3 第1 階段裝藥圖
圖4 第2 階段裝藥圖
1)第1 階段。依據(jù)煤臺階巖性硬度,穿孔、爆破、采裝等環(huán)節(jié)的工藝條件,進(jìn)行較為保守的第1 階段試驗(yàn)。排距8 m 保持不變,孔距由10 m 減小至9 m,采用空氣間隔分段裝藥結(jié)構(gòu),煤層厚度為30~32 m,超深3 m,炮孔下部裝13~15 m 銨油炸藥,中部空氣間隔的長度為6 m,上部裝8 m 銨油炸藥,保證6 上煤的爆破質(zhì)量,充填高度由10 m 減小至6 m,綜合煤臺階的炸藥單耗降低15.3%。
2)第2 階段。調(diào)整采掘設(shè)備,將采掘6 中煤的前裝機(jī)調(diào)整為采掘能力較大電鏟,可以適當(dāng)增加煤炭的爆破塊度,適當(dāng)增加空氣間隔的長度,空氣間隔長度再增加2~8 m。排距8 m 保持不變,孔距9 m 保持不變,炮孔下部裝10~12 m 銨油炸藥,,上部裝8 m裝銨油炸藥,保證6 上煤的爆破質(zhì)量,充填高度由6 m 增加至7 m,綜合煤臺階的炸藥單耗由0.254 kg/m3減小至0.230 kg/m3。②試驗(yàn)第2 階段煤臺階爆破塊度再一次增加,由于調(diào)整的采掘設(shè)備采掘能力增加,仍未出現(xiàn)大的煤塊影響設(shè)備采掘,也未出現(xiàn)爆破根底的問題,炸藥單耗再次降低約9.4%。
綜合煤臺階排距保持8 m 不變,孔距由10 m縮小至9 m,連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整為8 m 空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu),炸藥單耗降低了0.07 kg/m3,炸藥單耗降低了23.3%。按黑岱溝露天煤礦年產(chǎn)煤炭3 400 萬t、銨油炸藥成本330 元/t 計(jì)算,每年可節(jié)約炸藥成本493 萬元。
1)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。露天煤礦巖石爆破單臺階高度15~16 m,使用牙輪鉆機(jī)鉆孔,鉆孔直徑250 mm,炮孔超深1~3 m,使用炸藥混裝車進(jìn)行裝藥,使用的炸藥主要有乳化炸藥、銨油炸藥及重銨油炸藥。其中,銨油炸藥占主導(dǎo)地位,抵抗線較大炮孔使用重銨油炸藥,水孔使用乳化炸藥。采用連續(xù)裝藥的方式,使用數(shù)碼雷管進(jìn)行毫秒延期,控制排延期時(shí)間為42 ms,支路排延期時(shí)間為100 ms。
2)裝藥結(jié)構(gòu)對比選取。當(dāng)裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)裝藥,炸藥在炮孔內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的壓力大,炮孔周圍粉碎區(qū)的范圍大,炮孔周圍巖石破碎程度高,此區(qū)域大量消耗炸藥能量,導(dǎo)致裂隙區(qū)范圍較小,影響露天礦山的爆破效果及經(jīng)濟(jì)效益。采用分段裝藥可以有效降低破碎區(qū)的半徑,增加裂隙區(qū)的半徑,提高炸藥能量利用率[5]。
用空氣間隔器將炮孔內(nèi)的炸藥分隔成2 段,由于炮孔底部夾制作用較大[6],故取上分段炸藥量占單孔裝藥量的40%,下分段炸藥量占單孔裝藥量的60%。選取巖性較為均一的砂巖分4 次進(jìn)行試驗(yàn)對比,每次炮區(qū)長度為300 m,試驗(yàn)均平均分為3 部分,每部分臺階長度均為100 m,并命名為Xa、Ya、Za(a 取值為1、2、3),試驗(yàn)對照見表1。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對照表見表2。
表1 試驗(yàn)對照表
表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對照表
在巖性較為均一砂巖中進(jìn)行爆破,獲取相當(dāng)?shù)谋菩Ч麜r(shí),間隔裝藥比連續(xù)裝藥炸藥單耗低,綜合成本可降低約4.8%;當(dāng)采用相同的炸藥單耗進(jìn)行爆破時(shí),間隔裝藥比連續(xù)裝藥獲取的爆破效果好,可降低采掘、運(yùn)輸?shù)绕渌h(huán)節(jié)的生產(chǎn)成本。
黑岱溝露天煤礦水孔約占總孔數(shù)10%,尤其在夏季,雨水較大,且會流入或是滲入炮孔,水孔的數(shù)量與水深均會大幅度增加,銨油炸藥與水接觸變會影響爆炸性能,故水孔使用防水的乳化炸藥[7]。但乳化炸藥生產(chǎn)程序復(fù)雜,價(jià)格高、密度大,不僅增加了炸藥單耗、生產(chǎn)成本,而且乳化炸藥裝藥效率低,嚴(yán)重降低了生產(chǎn)效率[8-10]。為此,將水孔的裝藥結(jié)構(gòu)由乳化炸藥連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整為乳化炸藥-銨油炸藥混合裝藥結(jié)構(gòu),即當(dāng)炮孔水深為0.5~3 m 時(shí),在炮孔底部裝5 m 乳化炸藥,將炮孔內(nèi)的水排至炮孔中部,使用間隔器把水隔開,上段使用銨油炸藥。以標(biāo)準(zhǔn)孔深18 m 為例,炮孔水深0.5~3 m,炮孔下分段裝乳化炸藥,長度5 m,中段使用間隔器,上分段使用銨油炸藥,長度4~5 m 充填。與乳化炸藥連續(xù)裝藥相比,單孔可降低炸藥成本約647 元。根據(jù)統(tǒng)計(jì),2020 年黑岱溝露天煤礦水深在0.5~3 m 的炮孔數(shù)約為2 600 個(gè),水孔裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,黑岱溝露天煤礦每年可降低水孔裝藥成本約170 萬元。
黑岱溝露天煤礦巖石臺階松動爆破采用3 m 空氣間隔比連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)炸藥單耗可降低約4.8%;綜合煤臺階采用分段裝藥可降低炸藥單耗,當(dāng)間隔距離為8 m 時(shí),炸藥單耗降低約23%;采用乳化炸藥-銨油炸藥混合分段裝藥結(jié)構(gòu)可有效降低水孔的炸藥成本。