朝凱煤礦露天臺階爆破裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化應用研究

南建軍

（山西忻州神達朝凱煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

煤礦開采主要分為露天開采和井工開采，大多數(shù)露天礦均采用臺階爆破的方式進行開采。爆破作業(yè)是煤礦生產(chǎn)過程中重要的一環(huán)，對生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率都有極其關(guān)鍵的作用。目前關(guān)于露天臺階爆破方面的研究也比較多。羅華軍[1]利用Kuz-Ram數(shù)學模型對城門山爆破參數(shù)進行優(yōu)化，較好地解決了大塊問題；胡樹軍[2]等利用數(shù)值模擬對連續(xù)裝藥和間隔裝藥的振動情況進行了研究；呂增在[3]等將吊裝空氣間隔裝藥技術(shù)運用在深孔臺階爆破中，有效地提高了爆破效果；李辰發(fā)[4]等分析了多種因素變化對露天爆破炸藥單耗的影響。雖然關(guān)于露天爆破的研究眾多，但由于煤巖體內(nèi)部的復雜多樣性，目前還沒有一套完整的施工體系可以很好地解決該類問題。

本文以朝凱煤礦正在開采的臺階為工程背景，對朝凱煤礦臺階爆破的炮孔裝藥結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以期優(yōu)化后的裝藥結(jié)構(gòu)可以有效地改善目前煤礦的爆破質(zhì)量。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)條件

礦田位于云中山脈北端與恒山山脈西南端的交匯部分，基巖切割型中山區(qū)地形地貌，巖性由灰白色礫巖、石英砂巖、粉砂巖、灰色-深灰色灰?guī)r、砂巖及煤層(線)組成，礦田總體地質(zhì)構(gòu)造簡單，受斷層影響較小。

1.2 臺階爆破現(xiàn)狀

煤礦正在進行開采的臺階巖層主要為泥巖和沙巖，煤層主要為氣煤。爆破參數(shù)如表1所示。

采用上述爆破參數(shù)進行多排孔微差爆破，裝藥結(jié)構(gòu)為底部空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)。前幾次爆破結(jié)果顯示爆破效果并不理想，爆破大塊率高，可以達到7%～8%，遺留根底多。整體上二次處理工作量較大，影響了鏟裝效率和采礦成本[5]。

2 優(yōu)化后的孔網(wǎng)參數(shù)

2.1 大塊及根底產(chǎn)生原因分析

由于采用底部空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，4.6m的銨油炸藥為連續(xù)裝藥，在爆破過程中連續(xù)裝藥段為多個炮孔爆破能量集中區(qū)域，煤巖體爆破過于充分破碎；在填塞段由于爆破能量作用不充分導致大塊的產(chǎn)生；底部由于爆破能量不夠集中導致容易產(chǎn)生根底。分析認為初始采用的炮孔裝藥結(jié)構(gòu)并未使炸藥能量得到充分合理的利用，反而產(chǎn)生兩個極端，即一部分煤巖體破碎過于充分，一部分煤巖體大塊率較高，增加了生產(chǎn)成本。炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 爆破參數(shù)表

圖1 裝藥結(jié)果圖

2.2 裝藥結(jié)果優(yōu)化

為了提高爆破效果，降低上部大塊率以及根底率，對臺階爆破的孔網(wǎng)參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化：在炮孔底部間隔層以上加裝一個聚能結(jié)構(gòu)，用于聚集銨油炸藥的能量，增加炸藥對底部煤巖體的破壞能力；底部結(jié)構(gòu)以上采用空氣間隔裝藥，將原來4.6m長的藥柱分為3段進行間隔裝藥：第一段和第二段藥柱高均為2m，第三段藥柱0.6m，中間空氣間隔段1.2m。將原來的連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化為三段間隔裝藥后明顯提高了藥柱高度，將炸藥能量進行了三段分散，避免了原來的炸藥能量在藥柱附近區(qū)域過于集中使煤巖體過于破碎的問題，藥柱高度的提高也可以很大程度上改善原來大塊率高的問題。優(yōu)化后的裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示，優(yōu)化后的爆破參數(shù)如表2所示。

圖2 優(yōu)化后的炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

表2 爆破參數(shù)對比情況

3 爆破效果分析

3.1 塊度分析

選用美國開發(fā)的Split-Desktop3.1圖像分析軟件對爆破后的塊度進行分析，可以在筆記本電腦或辦公室分析現(xiàn)場采集的數(shù)字圖像，以確定粉碎過程中任何階段碎片巖石的粒度分布[6]。這些圖像的來源可以是淤泥堆、拖運卡車、浸出樁、拉伸點、廢物堆放、儲存堆、傳送帶、沉積物或可以獲得巖石碎片的清晰圖像的任何其他情況。通過軟件分析改變炮孔裝藥結(jié)構(gòu)后破碎的大塊率為2%，較原裝藥結(jié)構(gòu)的爆破大塊率（7%～8%）有明顯降低。

根據(jù)煤巖體破碎結(jié)果，由于對4.6m長的藥柱進行了分段間隔裝藥，將炸藥能量分散到不同的煤巖體中改變了原來炸藥能量過于集中導致煤巖體過于粉碎的現(xiàn)象。爆破情況如圖3所示。

圖3 巖體破碎情況

3.2 爆破振動測定

選用CBSD-VM-M01網(wǎng)絡(luò)測振儀對距離爆破區(qū)域最近的一處建筑物的振動波進行監(jiān)測。該測振儀是融合了多種先進技術(shù)的智能網(wǎng)絡(luò)測振儀，包括一臺控制主機、6臺智能化傳感器。該型探測設(shè)備采用無線傳輸方式。現(xiàn)場在距振源中心點2km的建筑物布置一臺智能化傳感器，采集到的最大振動速度0.07cm/s、主振頻率6.0Hz。監(jiān)測波形數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 監(jiān)測波形圖

根據(jù)《建筑工程容許振動標準》（GB 50868-2013）、《爆破安全規(guī)程》（6722-2014）規(guī)定的振動安全允許標準規(guī)定，《爆破安全規(guī)程》使用的允許標準較高，故采用該標準作為判據(jù)。即：“一般民房建筑的振動安全允許標準為：振動主頻率f≤10Hz時，允許標準為1.5～2.0cm/s；振動主頻率10Hz＜f≤50Hz時，允許標準為2.0～2.5cm/s；振動主頻率f＞50Hz時，允許標準為2.5～3.0 cm/s。此次監(jiān)測數(shù)據(jù)中在振源與民房之間，振動的數(shù)據(jù)為最大振速0.07cm/s，主振頻率為6.0Hz，小于《爆破安全規(guī)程》規(guī)定一般民房建筑的振動安全允許標準2.0cm/s，故所監(jiān)測的樁基施工振動不會對民房產(chǎn)生影響。

3.3 爆破飛石及根底情況

在爆破過程中應用加拿大MREL生產(chǎn)的高速記錄分析儀對爆破飛石的軌跡、角度、距離等進行監(jiān)測，經(jīng)過分析計算得出飛石的最大拋擲距離為54m，在設(shè)置的飛石安全距離范圍內(nèi)。

對完成鏟裝后的臺階進行實地測量，臺階的平整度在±30cm，符合國家二級礦山建設(shè)標準[7]。

4 結(jié)論

（1）在炮孔底部間隔層上方加裝聚能結(jié)構(gòu)后的裝藥方式可以有效使炸藥能量向底部聚集，有效改善了臺階爆破后遺留根底的問題。

（2）將炮孔的藥柱分三段進行裝藥，炮孔底部和各段藥柱之間以空氣間隔，炮孔裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整后有效分散了炸藥能量，有效改善了原來藥柱周圍煤巖體過于破碎、填塞段煤巖體大塊率較高的問題（由原來的7%～8%下降到了2%左右）。

（3）對炮孔進行空氣間隔裝藥并在炮孔底部間隔層上方加裝聚能結(jié)構(gòu)的裝藥方式有效降低了煤礦露天臺階爆破大塊率及根底遺留率高的問題，減少了二次處理工作，提高了炸藥利用率和鏟裝效率。