二氧化碳智能爆破系統在煤礦中的實踐應用研究

唐英政

（鐵法能源集團大隆礦，遼寧 調兵山 112700）

鐵煤能源集團公司大隆礦12#、13#煤層主要采用炮掘工藝進行開采，炸藥爆破作業過程存在掘進速度慢、粉塵濃度高以及瓦斯爆炸等問題，針對這一問題設計采用二氧化碳智能爆破系統來實現炮掘作業。近年來智能二氧化碳爆破系統已經實現對石英巖、花崗巖等多種硬巖石進行了成功爆破，將二氧化碳智能爆破系統應用在煤礦井下巖石巷道掘進作業當中，可以有效替代炸藥進行爆破作業，實現煤礦井下安全高效的開采作業[1]。

1 二氧化碳智能爆破系統的構成

二氧化碳智能爆破系統就是采用二氧化碳作為主要原料，進行爆破作業的智能系統，該系統的組成結構如圖1 所示，主要是由地面充裝設備、微差發爆器、智能云平臺和爆破管四大部分組成。

圖1 二氧化碳智能爆破系統構成示意圖

1.1 地面操作間充裝設備

二氧化碳智能爆破系統的地面操作間面積設置為45～60 m2，位置設置在盡可能靠近爆破口處。地面操作間主要安裝有二氧化碳儲液罐、二氧化碳充裝機、二氧化碳充裝臺、拆裝機等設備，主要是實現充裝爆破管、存儲爆破管、發放爆破管的目的，同時對二氧化碳智能爆破系統設備進行維修和保養。

1.2 爆破管

爆破管是該裝備的核心部件，主要由儲液管、充裝頭、釋放頭等部件組成。爆破管長度為1～2 m，外徑為70～73 mm，進行罐裝液態二氧化碳后其整體質量達到20～22 kg。爆破管采用進口高強度高耐磨鋼材加工而成，可重復利用4000 次[2]。

1.3 微差發爆器

該智能二氧化碳爆破系統裝置微差發爆器采用毫秒延時發爆器，可以在掏槽孔、輔助孔、周邊孔等位置進行分次延時起爆施工作業。同時該毫秒延時發爆器具有人員閉鎖、時間閉鎖、地點閉鎖等多參數閉鎖功能，安全性能好[3]。

1.4 智能云系統平臺

該智能二氧化碳爆破系統裝置智能云平臺主要功能：收集每次爆破數據，主要包括孔深、孔距、排距、傾角、抵抗線、爆破效果等爆破參數，同時收集起爆時間、操作人員、地點等信息；利用大數據系統對爆破數據進行科學的管理，為完善二氧化碳爆破工藝技術提供數據支持[4]。

2 二氧化碳智能爆破系統的工業性應用

該智能二氧化碳爆破系統主要可以應用于煤礦井下巷道掘進、瓦斯預裂抽放、煤倉堵塞疏通、過斷層的松動、破巖等作業。本文主要是以大隆礦14#煤層1405 回風巷為研究對象，對該巖石巷道的爆破采用二氧化碳智能爆破系統替代以往的炸藥爆破，研究其應用效果。

2.1 爆破技術方案設計

針對大隆礦1405 回風巷掘進巷道的實況，設計了二氧化碳智能爆破參數，炮孔布置圖情況如圖2 所示。

圖2 1405 回風巷二氧化碳智能爆破系統炮孔布置圖

（1）掏眼孔：掏槽孔設置為4 個，所有掏槽孔與工作面斜交成70°傾角，孔距為200 mm，孔深為2 m。當巖石硬度較大時可增加2～4 個掏槽孔。

（2）輔助孔：輔助孔均勻布置在掏槽孔與周邊孔之間，孔距為650～700 mm，孔深為2 m，炮孔數量為14 個，炮孔方向垂直于工作面[5]。

（3）周邊孔：周邊孔孔底應低于底板標高100～200 mm，底孔孔距為450～700 mm，裝藥系數為0.5～0.7。

（4） 炮 孔 參 數： 直 徑60～65 mm， 深 度1800～2000 mm。

（5）起爆順序：采用智能微差發爆器進行起爆，起爆順序設置為掏眼孔→輔助孔→周邊孔。

2.2 智能二氧化碳爆破系統作業方案分析

該智能二氧化碳爆破系統作業方案：清洗爆破管→充裝液態二氧化碳→運輸→打孔→裝炮孔→封孔→固定防飛作業→連線→起爆→炮后檢査→回收管體→反向運輸→云數據傳輸→拆卸管體→清洗組裝→進行下一循環。

2.2.1 準備工作

在地面充裝操作間完成對爆破管的拆卸、清理、維修、組裝、充裝二氧化碳等工作。在進行拆卸、清理、維修、組裝、充裝等作業時，必須嚴格按照拆裝機、重裝機、充裝架、存放架等設備的操作流程和規范進行。將充裝好爆破設備運輸至爆破點。

2.2.2 打孔及封孔作業

打孔：根據爆破施工鉆孔技術措施實施打孔作業，孔徑為60～65 mm，孔深為2～2.2 m。

下管：用銷子把兩個爆破管連接在一起，把連接好的爆破管放到炮孔里面。

封孔：對爆破管與炮孔之間的縫隙用棉紗進行封孔。

2.2.3 起爆作業

起爆作業方案：（1）掏槽孔、輔助孔和周邊孔三者各自串聯，掏槽孔母線連接端子1，輔助孔母線連接端子2，周邊孔母線連接端子3；（2）按照發爆器的步驟進行起爆。

爆破作業完成后，用JD-25 小絞車連接爆破管的鋼絲繩，拉出爆破管，進而拆卸、裝車，運輸至地面充裝車間進行清理、充裝，準備到下一次使用。

2.2.4 智能云平臺

智能二氧化碳爆破系統起爆作業完成后，將收集到的爆破數據傳輸到智能云平臺系統當中，基于大數據系統對爆破參數進行優化調整，以達到最佳的爆破效果。

2.3 勞動組織與效率

地面操作間，工作人員1 人，主要是進行充裝、清洗、維修、裝配爆破管的工作。爆破管充裝及清洗和維修時間平均為2 min，30 根/h。煤礦井下掘進工作面每班正常使用30 根爆破管。井下巷道作業人員與以往采用炸藥爆破的工作人員一致，布孔設置數量較少，只有炸藥爆破布孔數量的25%左右，鉆孔時間相當。裝管起爆更加簡便，爆破后爆破管采用JD-25 小絞車連接鋼絲繩快速拉出，裝車運輸到地面操作間。掘進速度為每小時進尺1.6～1.8 m。

3 應用效果分析

該二氧化碳智能爆破系統在大隆礦14#煤層1405 回風巷的巷道掘進中進行了應用，根據1405回風巷的巖性情況進一步調整了爆破參數，掘進施工速度與炸藥爆破速度相當。在用于巷道瓦斯抽采預裂爆破時，設計單孔預裂爆破裂隙影響半徑達到30 m 以上，影響范圍半徑約100 m 左右。爆破效果主要影響因素有爆破孔管直徑、深度、爆破強度等。此次布孔孔距設計為5～6 m，布孔孔深設計為100～120 m，爆破沖擊壓力為350～450 MPa。該智能爆破系統的應用，大幅度減少鉆孔工程量，提高了巷道掘進速度，降低了粉塵濃度，有效地解決了瓦斯爆炸的安全問題。

4 結論

當前隨著二氧化碳智能爆破系統裝置的完善，其在煤礦井下的應用面越來越廣，在不久的將來，二氧化碳智能爆破系統有可能完全替代傳統炸藥進行煤礦井下的爆破作業，從而實現煤礦的安全生產。二氧化碳智能爆破系統在大隆礦14#煤層1405 回風巷巷道掘進中的成功應用，為鐵法能源集團各煤礦的爆破作業提供了新工藝。