露天煤礦火區爆破安全作業技術

王君霞，郝亞飛，保天才，周桂松，朱 寬，曹進軍

(中國葛洲壩集團易普力股份有限公司，重慶 401121)

在我國新疆、內蒙、寧夏、山西等煤層埋藏較淺地區，采用露天開采的煤礦越來越多[1]。由于露天煤礦的煤層露頭，以及大量存在的采空區和密閉不嚴的空巷進入空氣，易形成自燃區[2]。根據調查，我國北方煤田自燃區有50余處[3]，其中西北地區煤田自燃最為嚴重。煤層自燃區炮孔溫度較高，局部高達400～600 ℃。由于炸藥及爆破器材均有一定的熱感度，環境溫度達到熱感度臨界值時將引起早爆事故，危及爆破作業人員安全，煤層自燃對露天煤礦爆破構成了極大的安全隱患。我國《爆破安全規程》(GB 6722-2014)明確規定[4]，在溫度高于60 ℃時，必須采取特殊爆破安全作業措施。

眾多爆破行業人員對煤礦火區爆破進行了研究和探索[5]，露天煤礦火區爆破仍然存在諸多問題。目前，露天煤礦火區爆破作業仍然是以炮孔注水降溫為主，以最快的速度裝藥、填塞、起爆，但無法從本質上滿足爆破作業安全、進度、效益等需求。國內外主要在滅火降溫[6]、爆破施工[7]、耐高溫爆破器材[8]和爆破器材隔熱防護[9-10]等4個方面開展了煤礦火區爆破的技術研究，并取得了一定的成果，對推動我國露天煤礦火區爆破技術的發展起到了一定的推動作用，但從使用現狀來看，多數成果存在成本過高、施工工藝復雜、作業效率低下等缺點。

針對上述問題，筆者圍繞炮孔溫度監控、耐熱防護裝置、爆破施工工藝等方面進行研究，形成了一系列火區爆破耐熱控溫施工技術，具有安全可控、施工高效、成本低廉等特點，并在寧夏汝箕溝煤礦取得了成功應用。

1 工程概況

寧夏汝箕溝無煙煤礦羊齒采區位于寧夏回族自治區賀蘭山北部，采區盛產的“太西無煙煤”以其優良煤質在國內外享有盛譽。但因歷史上小煤窯開采及煤層露頭較淺等原因在采區東西兩頭及南側形成了三面火區，其溫度異常區面積達29萬m2，溫度異常區強火帶面積達4.2萬m2，約占采區總面積的6.5%。火區邊緣裂隙明顯，火區內沿裂縫有青煙冒出，火勢旺盛。在未采動情況下，火區燃燒速度沿煤層傾向每年延伸2～3 m；在采動情況下，火區燃燒速度沿煤層傾向每年延伸3～5 m，難以治理。由于無法從根本上防止煤層自燃，在羊齒采區進行爆破施工無法排除火區的影響。煤層自燃造成局部溫度可達300 ℃以上，對鉆爆工作造成很大的安全隱患，也嚴重影響工程施工進度。為了確保爆破安全，現場總結出一套“8個孔、9個人、3 min”的作業模式，且炮孔最高溫度不能超過50 ℃，爆破規模受到極大限制；若個別炮孔局部溫度升高過快，易發生安全事故。

若要提高煤礦火區爆破規模和施工效率，主要存在以下問題：

①常規高溫炮孔溫度測試儀器不能實現全孔深溫度測量，無法克服煤層自燃導致炮孔內溫度場不規律的問題，在煤礦火區炮孔適用性較差；

②傳統露天煤礦火區爆破只是對裝藥前炮孔溫度進行測量，當炮孔內溫度達到安全爆破條件時開始裝藥，而在裝藥過程中及裝藥結束后對炮孔溫度的監測存在盲區，實現露天煤礦火區爆破作業全過程炮孔溫度監控是一個技術難點；

③常規的裝藥方式直接將炸藥裝入炮孔，炸藥與周圍介質直接接觸，存在炸藥容易泄露、受煤層自燃影響升溫過快等問題，存在由于炮孔內局部溫度異常區導致炸藥早爆的安全隱患；

④常規的施工工藝嚴格控制爆破規模和作業時間，由于缺乏一整套具備安全可控、施工高效、成本低廉的露天煤礦火區爆破施工作業程序，尚無成熟經驗可供借鑒。

2 火區爆破施工方案

2.1 炮孔溫度監測

裝藥前和裝藥過程中對炮孔溫度的準確監控是保證露天煤礦火區爆破作業安全的首要條件。采用炮孔全孔深測溫裝置和全過程溫度監控裝置，可實現露天煤礦火區爆破作業炮孔溫度監控。

1)全孔深測溫裝置。目前，在露天礦火區爆破作業施工現場，一般采用熱電偶測溫儀和便攜式紅外測溫儀檢測炮孔內的溫度，均難以實現對全孔深溫度測量。采用全孔深測溫裝置能夠便捷、快速、準確地檢測炮孔全孔深的溫度，有效克服常規測溫手段的不足。該測溫裝置包括主機、探頭、配重件、電纜、軟件、電池、報警裝置、無線傳輸裝置、絞盤、平板電腦，測溫范圍-40～975 ℃。該測溫裝置具有數據無線傳輸、存儲功能，可為后續炮孔注水后溫度反彈變化規律提供數據支撐，對掌握整個炮區高溫孔的分布具有重要意義。另外，因其電纜線上標有刻度，使用該裝置測量溫度的同時可實現孔深測量，提高了工作效率。某炮孔溫度隨深度的變化關系如圖1所示。

圖1 炮孔溫度隨孔深的變化關系Fig.1 Relationship between temperature changing and blasting hole depth

2)裝藥前全過程溫度監測裝置。在火區爆破作業過程中，存在炮孔局部溫度升高過快而危及施工作業安全的可能性。采用裝藥前全過程溫度監測裝置，實現裝藥作業前施工全過程孔內溫度的實時監測與報警，對保證施工作業安全具有重要意義。該裝置包括溫度監測器、溫度傳感器以及連接導線，其中溫度傳感器為柔性熱電偶，柔性熱電偶測溫范圍為-200～1 300 ℃，能夠快速測試火區炮孔內各個監測點的溫度，便于安裝，測試溫度精準。該裝置能夠一次性采集炮孔中多個部位的溫度值，可對局部溫度反彈較快的炮孔進行長時間監測，當溫度超過安全閾值時，自動報警，從而為火區爆破施工安全提供保障。

2.2 耐熱防護裝置

耐熱防護裝置從內到外分為3層，分別由外層耐熱裝置、內層耐熱裝置和儲水裝置組成，裝置外徑與炮孔孔徑大致相同。儲水裝置用于存儲水，其熔點為120 ℃左右，在內部為水介質條件下不會發生破壞。耐熱防護裝置采用耐高溫材料，能在500 ℃高溫下整體結構不發生破壞，且表面具有一定的溫度反射作用，可延緩熱量傳遞速度，從而降低裝置內升溫速度。

耐熱防護裝置使炸藥和起爆器材處于水介質環境，通過延緩熱量傳導給炸藥和爆破器材的速度來增加安全作業時間，確保施工安全。耐熱防護裝置改變了常規的“巖體→炸藥”的熱量傳遞路徑，熱傳導路徑改變為“巖體→外層耐熱裝置→內層耐熱裝置→儲水裝置→水→炸藥”，可以降低熱傳導效率，延緩裝置內升溫速度。耐熱防護裝置具有耐熱控溫特性，可實現露天煤礦火區快速、安全裝藥。

2.3 施工作業程序

常規深孔爆破施工作業流程：鉆孔→裝藥→填塞→聯網→警戒→起爆，從裝藥到起爆要完成填塞、聯網和警戒等一系列工作，起爆器材和炸藥在孔內滯留時間較長。基于露天煤礦火區爆破作業全過程炮孔溫度監控相關儀器以及適合露天煤礦火區爆破作業的耐熱防護裝置，對常規施工工藝進行優化，總結形成與之配套的火區爆破施工作業程序。

通過對施工作業程序的調整和施工組織的優化，使炮孔裝藥溫度安全可控，而且縮短了起爆器材和炸藥在炮孔內的滯留時間，從而減小危險時間段。優化后的施工工藝程序合理，涵蓋爆破設計、驗孔、測溫、降溫、控溫、裝藥、填塞、起爆等方面，具有可操作性強、流程清晰、操作簡便、施工高效、安全可控等特點；并結合相關爆破施工工法和作業規程，為露天煤礦火區爆破形成了一整套的施工方法。

3 應用效果

在露天煤礦臺階爆破中，高溫火區嚴重影響整體工作面施工進度，制約其他平臺的爆破施工。按照常規的作業模式，寧夏汝箕溝煤礦采用“8個孔、9個人、3 min”的方式進行爆破施工。即注水降溫后炮孔內溫度在25～49 ℃為溫度異常區，要求裝藥時爆區作業人員不超過9人，從裝藥到起爆的作業時間不超過3 min，每次爆破炮孔總數不超過8個，炮孔溫度≥50 ℃時，禁止實施爆破作業，爆破作業規模受到極大限制。

通過對常規施工工藝技術的優化，形成適合露天煤礦火區爆破作業的施工方法，作業時間延長至1 h，單次爆破炮孔可達45個，炮孔溫度允許范圍從50 ℃提高至100 ℃，大幅提高了火區爆破的炮孔適用范圍，突破了傳統作業模式下對爆破規模、溫度以及作業時間的限制，極大提高了爆破規模和施工效率。

優化后的施工作業程序在羊齒采區+2040水平和+2060水平的改道施工以及其他平臺的高溫火區爆破施工中試用成功，爆破效果滿足挖運要求，達到了預期效果，有效擴大了火區爆破作業范圍，加快了高溫火區的剝離速度，促使常溫區快速暴露，提高了采區爆破生產總量；同時減少了炮孔注水降溫用水量，減少了煤炭資源的浪費，提高了爆破施工安全性，具有顯著的經濟和社會效益，在類似工程中具有極大的推廣應用價值。

4 結語

1)采用全孔深測溫裝置和裝藥前全過程溫度監測裝置能克服常規測溫方法的缺陷，不僅能實現全孔深溫度的測量，還能實現裝藥前全過程的溫度監控，有效防范因炮孔溫度測量不到位而導致的安全隱患，為保證火區爆破施工安全提供了重要支撐。

2)采用具有耐熱控溫特性的耐熱防護裝置，提高了適用的炮孔溫度范圍，實現了露天煤礦火區快速、安全裝藥，加快了爆破施工進度，可節省大量的水資源，同時具有材料來源廣泛、價格低廉等優點，為火區爆破施工安全提供了重要保障。

3)采用適合露天煤礦火區爆破的施工作業程序，覆蓋爆破設計、驗孔、測溫、裝藥、監控等方面，具有可操作性強、流程清晰、操作簡便、施工高效、安全可控等特點，可為露天煤礦火區爆破提供系統的解決方案，對露天煤礦火區爆破降本增效具有重要意義。