大孔徑鉆孔炮眼法二次爆破大塊巖石技術在神山露天煤礦的應用

摘 要：為了解決大塊巖石爆破效率低、成本高等問題，提高露天煤礦爆破巖石的效率，推進工作面的施工，神山露天煤礦爆破技術人員探索出了一套大孔徑炮眼法二次爆破大塊巖石的技術。實踐證明，該技術不僅取得了良好的爆破效果，而且提高了大塊破碎效率與經濟效益。

關鍵詞：大孔徑鉆孔炮眼法;二次爆破;大塊巖石

中圖分類號：TD235.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0087-03

1 工程背景

神山煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗的西部，行政隸屬準格爾旗神山鎮所轄。煤礦所在位置東距薛家灣鎮約89km，距東勝市約23km。本礦田東西長2.530km，南北寬1.420km，面積2.173km2，可采煤層3層，自上而下分別為3-1、4-1、5-1煤層。4-1煤以上土巖巖性主要為砂土、黃土、砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖，土巖強度低，無需爆破，少部分區域賦存細粒砂巖與中粒砂巖，需要爆破后方可采裝。4-1與5-1之間的土巖巖性為灰綠色粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖、夾灰綠色細粒砂巖及砂質泥巖，巖石強度應屬于半堅硬巖。該巖石為中硬巖，全區需要爆破后方可采裝。另外，在該層圍巖中存在鈣質結核狀構造，即在砂巖及砂質泥巖中存在異體包裹物（稱結核）的構造，爆破工程地質條件復雜，爆破后常形成大量的孤石大塊，大塊率多達5%以上，甚至形成爆破拉底，影響工程質量的同時，嚴重制約工作面的正常推進。

2 爆破后形成大塊的原因

2.1 復雜、特殊工程地質條件

4-1與5-1之間的圍巖中存在鈣質結核狀構造，鈣質結核呈球狀、橢球狀、透鏡體狀和不規則狀的鈣質結核沉積巖，大小不一，從數厘米到數十厘米甚至數米，分布呈層狀、順層的串珠狀或零星分布。結核常有清晰的邊界，圍巖層理與其邊緣相切或圓滑地繞過。

2.2 巖石的爆破破碎機理

首先，炸藥爆炸后產生的高壓沖擊波徑向壓縮炮孔周圍的巖石，在高達幾萬兆帕壓力的沖擊波和溫度達3 000℃高溫作用下使炮孔周圍巖石在幾毫米到幾十毫米范圍內熔融，隨著溫度的急劇下降，將巖石粉碎成微細的顆粒，把原來的炮孔擴大成空腔，形成粉碎區，沖擊波通過粉碎區后衰減為壓縮應力波，其強度已低于巖石的動抗壓強度，不能直接壓碎巖石，但是，其可以使粉碎區外層的巖石遭到強烈的徑向壓縮，導致外圍巖石層中產生徑向擴張和切向拉伸應變，這種切向拉伸應力超過了巖石動抗拉強度，在外圍巖石層中產生徑向裂隙，沖擊波繼續向外層巖石傳播并繼續衰減，當產生的切向拉伸應力小于巖石的東抗拉強度時，徑向裂隙停止向前發展。此時，外層被壓縮的巖石像壓縮的彈簧突然松開一樣，產生與壓縮應力波作用相反的向心拉伸應力，當徑向拉伸應力超過巖石的動抗拉強度時，巖石中便會出現環向的裂隙。徑向裂隙與環向裂隙相互交錯，將該片區的巖石割裂成塊。而后，炸藥爆炸產生的高壓氣體膨脹，巖石在高壓氣體膨脹氣楔作用下，使裂隙貫通、擴大形成巖塊，脫離母巖。

2.3 形成大塊的原因

當應力波在介質中傳播時，應力波到達物體邊界或不同波阻抗材料的界面時，將發生反射和透射[1]。圍巖與鈣質結核狀巖石波阻抗不同，且分界面清晰，藥包裝在圍巖中時，炸藥爆炸產生的應力波從圍巖向結核狀硬巖傳播，到達圍巖與結核狀硬巖分界面時發生反射與投射，應力波反射形成拉伸應力波再次作用于軟巖加強對軟硬的破碎作用，投射的應力波作用于硬巖，投射進入鈣質結核巖石的應力波經過衰減不足以使結核狀巖石的產生裂隙，后期的高壓膨脹氣體不能對結核狀硬巖產生氣楔作用，最終形成孤石大塊或拉底。

3 大塊巖石破碎方法及弊端

3.1 機械破碎法及弊端

該礦前期采用機械破碎法處理孤石大塊，配備2臺破碎錘。該設備是由斗山挖掘機改裝而來的，挖掘機馬力和破碎錘匹配不夠合理，挖掘機馬力為220，馬力不足，相當于小牛拉大車，油泵配件容易疲勞損壞，設備故障率高，加之結核狀孤石大塊韌度大不易破碎，破碎錘在破碎過程中設備工效極低，造成大量孤石大塊堆積在工作面與臺階坡底，不僅影響采裝設備作業，大大降低采裝設備的生產能力，而且嚴重影響工作面的正常推進。

3.2 裸露爆破法及弊端

該礦在設備故障時曾嘗試性地采用裸露爆破法破碎大塊巖石。該方法是將藥包放在需爆破大塊巖體的凹槽處、裂隙發育部位，或孤石、塊石的表面，并用黏土覆蓋后引爆，利用的炸藥猛度對被爆物體的局部產生壓縮、粉碎或擊穿作用，爆炸時產生的高壓氣體大部分逸散到大氣中損失掉，炸藥爆炸能量利用率極低。

雖然該破巖方法具備操作技術簡單、工人易于掌握、無需輔助設備及工作靈活性強等優點，但其也存在諸多弊端：爆破炸藥單耗大，超過2kg/m3，經濟上不合理;爆破效果不易控制，因此不宜破碎體量較大的巖石，一般不宜大于2m3;爆破的飛石易飛散較遠，造成事故，在一次裸露爆破過程中，爆破飛石從工作面飛到內排土場，飛行距離超過500m。綜合考慮安全與經濟成本，不再使用裸露爆破法破碎大塊。

3.3 小孔徑鉆孔炮眼法二次爆破法及弊端

因機械破碎錘故障率高，設備維修期間，僅能采用小孔徑鉆孔炮眼法二次爆破大塊巖石，鉆孔機械一般采用手持式（氣腿式）鉆機鉆孔，孔徑35～50mm，鉆孔工作效率低，在鉆孔過程中需要人員爬上大塊巖石，在大塊巖石上進行鉆孔，無任何安全防護措施，存在較大安全隱患。

此外，由于神山露天煤礦無手持式鉆機及配套空壓設備，且缺乏配備相關設備的操作人員，需要臨時聘請有關人員進行施工。施工人員考慮到勞動成本與經濟效益，不能按照神山礦生產需要及時開展鉆孔工作，工作面大塊累積到一個鉆孔臺班時間時，施工人員方才入場施工，嚴重制約了工作面的正常推進、道路移設等工程。

4 大孔徑鉆孔炮眼法二次爆破的應用

4.1 鉆孔設備選型

本著自力更生與勤儉節約的原則，鉆孔設備選型要達到降低成本、提高工效的目的。該礦爆破工程技術人員充分利用現有設備與操作人員，最終確定炮眼法二次爆破鉆孔設備采用HD451履帶式潛孔鉆機，該型鉆機鉆孔直徑為110mm。該款鉆機具備體型小、機動靈活的優勢，可以根據生產需要快速到達任一工作面，具備靈活機動的優勢。

4.2 爆破方法

為了防止先起爆的大塊產生飛石砸斷未起爆的爆破網絡導致拒爆，孔內起爆元件采用一段瞬發導爆管雷管，地面傳爆元件采用一段瞬發雷管，在警戒安全距離外用導爆管起爆器激發傳爆導爆管，實現瞬（齊）發爆破。

4.3 爆破網絡連接方式

爆破網絡連接采用簇連法，即將各大塊巖石炮孔內引出的導爆管就近分成若干束，每束導爆管捆連在一發（或2發）導爆管傳報雷管上，將這些導爆管傳報雷管在集束捆連接上一級傳爆雷管上，直至用一發起爆雷管擊發即可將整個網絡起爆。

4.4 鉆孔參數

形狀較勻稱，體積在8m3以下的孤石大塊只需鉆一個深至幾何中心的鉆孔，體量大的孤石可適當增加炮孔數量，炮孔間距1.5～2m。

5 大孔徑鉆孔炮眼法二次爆破技術的優勢

5.1 經濟效果顯著

通過利用大孔徑鉆孔炮眼法二次爆破技術，大大節約了大塊巖石破碎成本，為該礦創造了顯著經濟效益。采用機械破碎法破碎大塊時，油耗和配件損耗核算成本為9.02元/m3，大孔徑鉆孔炮眼法破碎大塊時，鉆孔油耗、配件消耗及爆破器材消耗核算成本為7.68元/m3，根據該礦年生產計劃，爆破量約為500萬m3/年，深孔爆破大塊率約為5%，大塊總方量為25萬m3，采用大孔徑大塊二次爆破法破碎大塊比利用破碎錘破碎大塊一年可以節約成本不少于33.5萬元/年，經濟效益顯著。

5.2 生產效率顯著提高

大孔徑鉆孔炮眼法二次爆破技術生產效率高，鉆孔設備臺班鉆進米數超過200m/臺班，鉆孔效率高，上午鉆孔下午即可實施爆破，一個班爆破量相當于機械破碎法三個班的破碎量，比機械破碎法高出2倍工效。

6 結語

通過應用大孔徑鉆孔炮眼法二次爆破技術，取得了良好的爆破效果。大塊巖石與爆破落底能得到及時有效處理，不僅有利于采裝設備發揮最大產能，還能保障工作面順利推進，有效提高了生產效率。該項技術推廣應用了2年半，直至企業重組整合，累計為該礦節約生產成本83.75余萬，取得了較好的經濟效益，值得積極推廣。

參考文獻：

[1]錢建平.基礎地質學教程[M].北京：地質出版社，2014.