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(guó)內(nèi)外礦山都對(duì)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(duì)性研究。通過(guò)對(duì)松動(dòng)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(duì)降低露天礦綜合生產(chǎn)成本有著較大意義。

1 工程概況

國(guó)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(kāi)采6＃煤層，原煤儲(chǔ)量14.98 億t，1990 年開(kāi)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(wàn)t/a 增加至3 400 萬(wàn)t/a[2]。黑岱溝露天煤礦采剝總量超過(guò)1 億m3/a，為國(guó)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(lèi)如下：細(xì)砂巖、砂頁(yè)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(chǎng)巖體波速測(cè)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(cè)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]。

2 巖石破碎機(jī)理

依據(jù)露天巖石臺(tái)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(dòng)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(shuō)炸藥對(duì)巖石的破碎主要集中在裂隙區(qū)和破碎區(qū)，臺(tái)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(tái)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(dòng)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(zhǎng)度/（炮孔長(zhǎng)度-填塞長(zhǎng)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(dòng)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(tái)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(chē)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(duì)巖石臺(tái)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(guò)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(tái)階上部、底部容易出現(xiàn)大塊及根底，中部炸藥能量相對(duì)充足，所以在巖石臺(tái)階的炮孔中部進(jìn)行空氣間隔。

3 空氣間隔裝藥在煤臺(tái)階爆破中的應(yīng)用

3.1 爆破參數(shù)和結(jié)構(gòu)

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(chē)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?chē)鬯閰^(qū)的范圍大，炮孔周?chē)鷰r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)。

3.2 分段裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)

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(zhǎng)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(tái)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(zhǎng)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(tái)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(zhǎng)度，空氣間隔長(zhǎng)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(tái)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(tái)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(wèn)題，炸藥單耗再次降低約9.4%。

綜合煤臺(tái)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(wàn)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(wàn)元。

4 空氣間隔器在巖石臺(tái)階爆破中的應(yīng)用

4.1 爆破參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)

1）爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。露天煤礦巖石爆破單臺(tái)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(chē)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(duì)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?chē)鬯閰^(qū)的范圍大，炮孔周?chē)鷰r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]。

4.2 分段裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)及效果分析

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(duì)比，每次炮區(qū)長(zhǎng)度為300 m，試驗(yàn)均平均分為3 部分，每部分臺(tái)階長(zhǎng)度均為100 m，并命名為Xa、Ya、Za（a 取值為1、2、3），試驗(yàn)對(duì)照見(jiàn)表1。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)照表見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)對(duì)照表

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)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。

5 空氣間隔裝藥在水孔中的應(yīng)用

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(huì)流入或是滲入炮孔，水孔的數(shù)量與水深均會(huì)大幅度增加，銨油炸藥與水接觸變會(huì)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(kāi)，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(zhǎng)度5 m，中段使用間隔器，上分段使用銨油炸藥，長(zhǎng)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(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

黑岱溝露天煤礦巖石臺(tái)階松動(dòng)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(tái)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。