低密度炸藥對露天礦煤層爆破關鍵指標的影響研究

李玉清，孫健東，周 宇，陳 浩

(1.準能集團公司采購與招標管理中心，內蒙古 鄂爾多斯 010300；2.華北科技學院，河北 三河 065201；3.準能集團公司黑岱溝露天礦，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

爆破是大型露天煤礦煤層開采的高效技術手段之一，不同類型炸藥對爆破關鍵指標的影響分析一直是露天礦山工程爆破的重大研究課題。當前科研學者主要從煤體的爆破機理角度入手開展研究，例如：褚懷保等[1-2]利用模擬實驗針對爆破作用機理、衰減規律、爆炸應力波在煤體中的傳播規律等問題進行了研究；郭德勇等[3-4]對煤層深孔聚能爆破致裂增透機理進行了研究；戴俊[5]、劉健等[6]對柱狀裝藥爆破的巖石壓碎圈與裂隙圈的計算方法進行了研究。部分學者從實踐角度入手，例如萬德林[7]對露天礦提高塊煤率的技術途徑進行了研究；王慶土[8]針對低猛度炸藥提高塊煤率的技術方法進行了探討。然而，上述研究中普遍存在一個問題，即常規的實驗室數值模擬手段難以達到與實際煤層性質完全吻合的目標，而現場有限次數的實驗考察得到的數據有限，不足以支撐技術體系的形成。

筆者根據長期的實踐研究經驗認為：隨著現場混裝炸藥技術的發展，散裝銨油炸藥、乳化炸藥已廣泛應用于煤層爆破，相比其他工業炸藥，低密度炸藥應用于煤層爆破具有獨特的優勢，應是煤層爆破的主要技術研究方向。當前理論研究遠落后于工程實踐，制約了低密度炸藥爆破技術在煤層中的應用和發展，因此，有必要深入探討低密度炸藥在煤體中爆破作用機理，研究低密度炸藥對露天礦煤層爆破關鍵指標的影響，同時結合大量現場爆破試驗驗證，從而為工程爆破設計提供依據。

1 理論分析

1.1 降低爆破藥柱粉碎區的理論分析

國外學者哈努卡耶夫研究發現，炸藥將巖石爆破后，巖石粉碎區域大小為炮孔尺寸的2～3倍，而發生巖石裂隙區域大小相比炮孔尺寸，高達10～15倍。粉碎區域大小與粒度小的煤的沫煤率成正相關，與塊煤率成負相關[9]。因此，進行煤臺階爆破時，應盡量減小粉碎區范圍，增大裂隙區域，從而提高塊煤率。

炮孔通過采用耦合裝藥的方法，在炸藥完成爆炸后，煤巖中以炮孔為中心在四周區域形成粉碎區，粉碎區半徑[10]見式(1)。

(1)

式中(以炸藥為研究對象)：RC為粉碎區半徑;ρ0為密度；D為爆速；n為爆炸產物膨脹碰撞孔壁時壓力增大系數，取10；Kd為裝藥徑向不耦合系數，取1；σcd為單軸動態抗壓強度，取10×106Pa；lc為軸向裝藥系數，lc=裝藥長度/(炮孔長度-填塞長度)；α為沖擊波載荷傳播衰減指數，α=2+b=2.4 m；rb為炮孔半徑，cm。由于式(1)包含參數眾多，不便于展示，因此將公式化簡后平方根內的一部分標記為符號B，分開展示，見式(2)。

(2)

式中，μd為動態泊松比，取煤靜態泊松比的0.8倍，即0.264。

b=μd/(1-μd)=0.36

(3)

式中，b為側向應力系數。根據炸藥密度、爆速、裝藥結構及炮孔半徑，將上述數據代入式(1)和式(2)中，即可算出粉碎區半徑Rc。

1.2 減小爆破藥柱粉碎區途徑

由煤巖爆破破碎機理可知，在巖性不變情況下，減少爆破藥柱粉碎區主要有2種途徑：一種是降低炸藥密度ρ0和爆速D；另一種是減小軸向裝藥系數lc，從而改善炸藥性能和改變裝藥結構[11]。

1) 降低炸藥密度ρ0和爆速D。降低炸藥密度及爆速可直接降低爆破能量，避免藥柱周圍巖石出現過度粉碎的情況，同時提高爆破波阻抗與煤體的匹配程度，延長爆破作用時間、增加能量利用率，進而提高裂隙區發育程度，增強爆破效果[12]。

表1是幾種工業上常見的炸藥爆炸性能與粉碎區半徑值，其中炮孔直徑為200 mm。由表1可知，低密度炸藥的各項爆炸性能指標均低于其他工業炸藥，應用低密度炸藥可大幅減小粉碎區半徑。相比于銨油炸藥和乳化炸藥，低密度炸藥生產成本低，爆炸威力也低，而且可以實現煤孔連續裝藥，爆炸能量傳遞更均勻，有利于降低炸藥單耗、減少沫煤率。

表1 幾種工業炸藥爆炸性能及粉碎區半徑值Table 1 Radius diameter of crushing zone and parameters of some industrial explosives

表2 幾種工業炸藥裝藥系數及粉碎區半徑值Table 2 Radius diameter of crushing zone and charge parameters about industrial explosives

2) 減小軸向裝藥系數。由式(3)相關參數lc計算可知，通過減小軸向裝藥系數，可減小粉碎區半徑。在炮孔長度不變的條件下，可以通過增加填塞長度、使用空氣間隔進行分段裝藥，降低孔壁周圍峰值的壓力，避免巖石過度粉碎。但另一方面，填塞長度過長時會導致大塊率的增加，降低電鏟的采掘效率，給原煤回采作業增加安全隱患。幾種常用工業炸藥裝藥系數及粉碎區半徑值的關系見表2。

2 煤層爆破試驗

2.1 試驗區概況

黑岱溝露天煤礦的煤種屬于長焰煤，密度為1 500 kg/m3，普氏硬度系數f為1.5，縱波波速為500 m/s，波阻抗為0.75×106kg/(m2·s)，裂隙較為發育[13]，脆性較高，易于爆破破碎。可采煤層為6號復煤層，分6上、6中、6下三個煤層。煤層總平均厚度約為31 m，而優質煤又集中于發熱量為4 200～5 700 kcal/kg的6中煤層。煤層上部平均45 m巖石剝離采用拋擲爆破-拉斗鏟無運輸倒堆工藝[14-15]，煤臺階爆破設計采用一次穿孔爆破，采煤分三層開采。試驗區選在煤臺階西半區，煤臺階長度為1 057 m，寬度為85 m，平均臺階高度31 m，爆破總量278.6萬m3。

2.2 試驗方法

試驗分10個炮區逐區爆破，每個炮區長度100 m， 試驗采用銨油炸藥(X)和低密度炸藥(Y)兩種炸藥，穿孔設備采用直徑為200 mm牙輪鉆機，超深3 m，采用原煤整臺階爆破爆破方式提高作業效率。

炸藥單耗量、沫煤率、鏟運效率是露天礦煤層爆破的工程技術指標，而炸藥單耗量是影響上述指標的關鍵因素。根據黑岱溝露天煤礦近幾年煤層爆破分別采用過不同炸藥品種與爆破參數的實踐經驗，結合本文研究，制定了低密度炸藥與銨油炸藥煤層爆破綜合對比試驗，爆破試驗參數見表3。

表3 爆破試驗參數表Table 3 Parameters of blast test

每個試驗方案實驗5次。A組采用X炸藥，分段裝藥間隔長度取6 m、8 m，炮孔填塞長度6 m，根據現場6中優質煤層分布情況，動態調整間隔設置位置，B組、C組采用Y炸藥，其中分段裝藥結構與A2、A3相同，連續裝藥結構充填高度為7～9 m，裝藥結構如圖1所示。試驗中采用分排微差起爆技術對煤調節進行爆破，增加排間延期時間，降低排與排爆破時煤層之間的相互擠壓，遏制發生二次破碎的狀況。

每次試驗時對爆破振動進行測試，測振儀器型號為TC-4850，各次測點的位置均在距離炮區500 m處。然后對試驗區原煤爆破的大塊率、采掘效率、沫煤率和塊煤率進行統計。

圖1 炮孔炸裝藥結構圖Fig.1 Structures of charge explosive in blast hole

3 試驗結果

3.1 采掘效率

煤層的爆破質量直接影響采裝和運輸兩個環節的效率。對每組試驗采掘效率和大塊率進行統計，采用數據的平均值用于分析煤層爆破炸藥單耗與采掘效率關系。采掘效率以每天的出煤量為計算依據，由于爆破的最大塊度要滿足鏟裝設備和破碎站設備對煤塊度的要求，根據露天煤礦對大塊的計算見式(4)。

(4)

式中，V=35 m3。計算出爆破塊度尺寸為2.6 m，而破碎站對塊度的尺寸要求不超過2 m，統計爆破塊度尺寸超過2 m的次數。大塊率的計算方法采用單位萬立方米爆量中出現大塊的個數，大塊的個數由電鏟司機在裝車過程中進行統計記錄。試驗采掘效率、大塊率統計數據見表4。

表4 試驗采掘效率、大塊率統計表Table 4 Statistical table about test mining efficiency,lump coal rate

表5 試驗塊煤率、沫煤率統計表Table 5 Statistical table about test lump coal rate and slack coal rate

3.2 塊煤率與沫煤率

塊煤是煤炭經過爆破、采裝、運輸、洗選分揀出來的塊狀形體，尺寸：100～6 mm，200～25 mm，150～25 mm，發熱量在5 300～5 500 kcal/kg，主要用于化工、建材、陶瓷等行業。塊煤篩選的常用方法是通過網目大小來規定最小尺寸(6 mm)。塊煤率是指這些塊煤占采出原煤總量的比例。而塊煤中常含有小于該級粒度下限的小塊煤或粉末，將粒度低于該級別下限的塊煤所占的重量百分比，通稱為沫煤率。本次試驗是在選煤廠相同洗選工藝、相同篩板條件下將數據進行統計，按照數據均值將塊煤率、沫煤率、排矸率等結果統計見表5。

4 試驗結果分析

4.1 炸藥單耗量對采掘效率的影響

電鏟的采掘效率直接受到煤巖爆堆松散系數、爆堆形狀以及爆破底板的平整度、根底、硬幫等因素影響。爆破塊度過大或過小都會降低電鏟的采掘效率，而單位炸藥消耗量是爆破設計中影響爆破平均塊度的主要因素之一。圖2是煤巖爆破炸藥單耗量與采掘效率之間的關系。從圖2可以看出，在一定范圍內，炸藥單耗量與采掘效率之間成正比例關系；隨著炸藥單耗的增加，采掘效率也逐步提升，當炸藥單耗量由0.127 kg/m3提高到0.190 kg/m3時，炸藥單耗量提高了49.6%，采掘效率提高了13.2%；隨著炸藥單耗量進一步增加，采掘效率卻未有明顯提升。

圖2 炸藥單耗量與采掘效率的關系Fig.2 Relationship between explosive unit consumption and mining efficiency

通過研究分析，出現此情況是由于A3組受分段裝藥結構的影響導致空氣間隔空腔內爆破不充分，電鏟挖不動，大塊率增多，從而致使采掘效率變化不大。經過對采掘數據對比分析，B3組采用低密度炸藥比A3組采用銨油炸藥單耗量降低了27.3%，電鏟采掘效率反而提升了7.1%。由此可以判斷出低密度炸藥相比于銨油炸藥分段裝藥使得爆破爆堆更加松散，塊度更加均勻，爆破效果更佳。

4.2 炸藥單耗量對塊煤率的影響

圖3是炸藥單耗量與塊煤率和大塊率的關系。從圖3可以看出，相同的試驗條件下，炸藥單耗量與塊煤率成反比例，在一定范圍內，炸藥單耗量與大塊率也成反比例。當炸藥單耗量最低時，塊煤率與大塊率最高，當炸藥單耗量提高38.6%時，塊煤率僅下降了0.48%，而大塊率卻下降了79.9%，下降幅度較大；當炸藥單耗量在0.19～0.24 kg/m3區間時，受炸藥種類和裝藥結構的影響，塊煤率降低了1.53%，大塊率提高2.4倍；隨著炸藥單耗量的進一步增加，塊煤率與大塊率同時降低。

因此,綜合炸藥單耗量與塊煤率和大塊率三者之間的關系，炸藥單耗量控制在0.171～0.190 kg/m3之間時最優。

4.3 炸藥單耗量與塊煤率、沫煤率的關系

圖4是炸藥單耗量與塊煤率和沫煤率的關系。由圖4可知，炸藥單耗量與塊煤率成反比，炸藥單耗量越高，塊煤率越低。

圖3 炸藥單耗量與塊煤率的關系Fig.3 Relationship between explosive unit consumption and lump coal rate

圖4 炸藥單耗量與塊煤率、沫煤率的關系Fig.4 Relationship between explosive unit consumption and lump coal rate,slack coal rate

然而炸藥單耗量與沫煤率成正比，炸藥單耗量越低，沫煤率也越低。因此，炸藥單耗量越低，越有利于塊煤率和沫煤率目標值的最大化，但往往炸藥單耗量低下，導致大塊率增大，采掘效率隨之就會降低，從而影響露天礦的年生產能力。當炸藥單耗量提高49.6%時，沫煤率僅提高了2.98%，塊煤率僅下降了2.07%，而對應的采掘效率卻提高了11.26%。綜合優化炸藥單耗量、采掘效率、塊煤率與沫煤率四者之間的關系，根據露天礦年設計生產能力，炸藥單耗量控制在0.171～0.190 kg/m3區間時，最有利于礦山生產。

5 結 論

1) 低密度炸藥的各項爆炸性能指標均低于其他工業炸藥，應用低密度炸藥可大幅減小粉碎區半徑。相比于銨油炸藥和乳化炸藥，低密度炸藥生產成本低，爆炸威力也低，而且可以實現煤孔連續裝藥，爆炸能量傳遞更均勻，有利于降低炸藥單耗量、減少沫煤率。

2) 在一定范圍內，炸藥單耗量與采掘效率成正比例關系，即隨著炸藥單耗的增加，采掘效率也逐步提升，當炸藥單耗量由0.127 kg/m3提高到0.190 kg/m3時，炸藥單耗量提高了49.6%，采掘效率提高了13.2%；但隨著炸藥單耗量進一步增加，采掘效率提升趨勢不再明顯。

3) 低密度炸藥單耗量與采掘效率、大塊率、塊煤率及沫煤率成一定的比例關系，綜合考慮礦山設計生產能力，應將爆破炸藥單耗量控制在0.171～0.190 kg/m3范圍內。