哈爾烏素露天煤礦深孔爆破根底控制方法

高富強(qiáng)

（國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

露天礦山穿孔爆破作業(yè)是露天開采環(huán)節(jié)的首要工序，露天礦場(chǎng)內(nèi)的礦巖在采裝前一般需要預(yù)先破碎[1-2]，按照爆破類型爆破方法主要分為光面爆破、預(yù)裂爆破、深孔爆破、淺孔爆破等，按照爆破效果及裝藥量主要分為松動(dòng)爆破和拋擲爆破[3]。大型露天煤礦尤其是采用單斗挖掘機(jī)作業(yè)的主要采用松動(dòng)爆破，控制裝藥量使巖體進(jìn)行預(yù)松碎，方便挖掘機(jī)采裝，拋擲爆破炸藥單耗較大，主要應(yīng)用在拋擲倒堆工藝的露天礦中。哈爾烏素露天煤礦采用的是單斗卡車+地表半固定破碎站的組合工藝，煤巖臺(tái)階的主要爆破方法為松動(dòng)爆破。露天礦山穿爆效果對(duì)其后各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)備安全和效率成本都有著直接的影響。礦巖破碎后不合格的大塊需進(jìn)行二次破碎，不僅提高了穿爆成本，還影響裝車效率和安全[4-5]。而有用礦物的過(guò)度粉碎，則會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，降低經(jīng)濟(jì)效益。另外，爆堆幾何尺寸和形狀也會(huì)對(duì)采裝、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生較大影響[6-7]。高荏翔[8]通過(guò)優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)有效改善了磁海鐵礦大塊與根底問(wèn)題；陳寬[9]針對(duì)酒鋼西溝礦中深孔爆破根底問(wèn)題，提出了合理炮孔超深、增大前排孔孔徑及炮孔孔底裝填重銨油炸藥的措施；許垅清[10]則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，從施工的角度提出了現(xiàn)場(chǎng)孔口、孔底起爆的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明孔口起爆區(qū)域底板更為平整，根底情況得到有效控制。因此，爆破質(zhì)量在露天礦山生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、成本控制和安全保障中至關(guān)重要。

1 露天礦爆破根底原因分析

哈爾烏素露天煤礦位于鄂爾多斯準(zhǔn)格爾煤田，核定生產(chǎn)能力35 Mt/a，2017—2019 年均爆破巖石量8 134.31 萬(wàn)m3，消耗炸藥31 979.67 t。根據(jù)哈爾烏素露天煤礦爆破過(guò)程中存在問(wèn)題及現(xiàn)場(chǎng)勘查，現(xiàn)場(chǎng)存在爆破大塊和根底，主要原因?yàn)閹r石臺(tái)階內(nèi)部軟硬巖分布不均。

根據(jù)巖石破碎機(jī)理和爆破效果影響因素分析，深孔臺(tái)階爆破產(chǎn)生根底的原因是多方面的，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查和工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)分析研究得出根底產(chǎn)生的具體原因如下：

1）巖石較硬的情況下，前排孔底盤抵抗線過(guò)大，爆破時(shí)爆破漏斗作用產(chǎn)生的炸藥能量到不了臺(tái)階根部，將會(huì)導(dǎo)致臺(tái)階根部產(chǎn)生根底。

2）炮孔裝藥過(guò)多，充填過(guò)小，充填質(zhì)量差會(huì)導(dǎo)致炸藥能量過(guò)早向上泄露，不利于底部巖石的破碎，炮孔裝藥過(guò)少，炸藥能量不足，也易產(chǎn)生根底。

3）孔網(wǎng)參數(shù)不合理。由于穿孔和采場(chǎng)地質(zhì)條件等因素的影響，使個(gè)別孔間距或排間距偏大。當(dāng)孔間距偏大時(shí)，炮孔的間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最小抵抗線，此時(shí)2個(gè)炮孔裂隙區(qū)較遠(yuǎn)，爆炸產(chǎn)生的裂隙不能貫通，尤其在臺(tái)階底部水平上無(wú)裂隙形成，導(dǎo)致根底的形成；當(dāng)排間距偏大時(shí)，爆破效果同前排抵抗線偏大時(shí)也易產(chǎn)生根底。

4）因炮孔含水。現(xiàn)場(chǎng)在裝藥過(guò)程中下部裝空氣間隔，致使裝藥重心上移，有效裝藥超深量不足，使臺(tái)階下部超過(guò)爆破漏斗作用范圍。

2 爆破根底控制優(yōu)化

2.1 加大超深，尤其保證含水孔超深部位裝藥

哈爾烏素露天煤礦巖石臺(tái)階爆破目前設(shè)計(jì)中采用超深為2 m，而當(dāng)炮孔中含水時(shí)采用下部裝空氣間隔然后上部裝銨油炸藥，在此條件下，空氣間隔器占用0.8 m 的超深而無(wú)法裝藥，致使實(shí)際有效超深降低。而炮孔中含水是由含水巖層滲入，并不是由孔口標(biāo)高水匯入，并不能通過(guò)增加孔深實(shí)現(xiàn)降低孔內(nèi)水位的效果。因此，這種情況下，為保證爆破質(zhì)量，唯有將原含水孔“下部空氣間隔上部裝銨油炸藥”調(diào)整為“下部含水部位裝乳化炸藥加空氣間隔上部裝銨油炸藥”，這樣能充分保證炮孔超深。同時(shí)，炮孔超深高度可以增加0.5～1 m，即將超深提高至2.5～3 m。含水炮孔裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖如圖1。另一方面，在保證了下部裝藥重心以外，在臺(tái)階下部為硬巖條件下還應(yīng)盡量控制使臺(tái)階坡底部分處于最下部藥包的最小抵抗線范圍以內(nèi)，能充分保證在炸藥能量釋放前對(duì)底盤抵抗的作用時(shí)間和效果，克服前排根底。同時(shí)，在后排根底嚴(yán)重的情況下也應(yīng)該適當(dāng)增加后排炮孔超深。

圖1 含水炮孔裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖

2.2 減小排距和底盤抵抗線

排距或底盤抵抗線過(guò)大也是產(chǎn)生根底的另一因素，因前排孔臨空面為傾斜坡面，最低裝藥部位的最小抵抗線方向下方容易產(chǎn)生根底。如果在保證同等炮孔長(zhǎng)度和裝藥長(zhǎng)度的條件下，減小前排孔至坡面的距離，則產(chǎn)生根底的部位和剖面上根底面積會(huì)明顯降低，因此，應(yīng)在保證鉆機(jī)作業(yè)安全所需的最低安全距離條件下，減小鉆機(jī)至臺(tái)階坡頂線的距離。炮孔位置調(diào)整對(duì)應(yīng)最小抵抗線方向示意圖如圖2。

圖2 炮孔位置調(diào)整對(duì)應(yīng)最小抵抗線方向示意圖

另一方面，堅(jiān)硬巖石間排距過(guò)大也是重要因素。因此，應(yīng)針對(duì)易出現(xiàn)根底的爆區(qū)降低排距。

2.3 孔網(wǎng)參數(shù)調(diào)整方案

方案中主要涉及排距、單耗、超深的影響，從分析參數(shù)變化對(duì)爆破根底效果影響的角度出發(fā)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。初步擬定設(shè)計(jì)排距減小和不變2 種情況、單耗不變和增大2 種情況、超深增大0.5 m 和增大1 m 2 種情況，按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，擬定的3 因素2 水平正交試驗(yàn)方案見表1。

表1 上軟下硬臺(tái)階穿爆參數(shù)L4（23）正交試驗(yàn)方案

1）在增大超深0.5 m 且控制炸藥單耗0.38 kg/m3（炸藥密度850 kg/m3）不變的條件下，對(duì)下部硬巖產(chǎn)生根底情況進(jìn)行排距和裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整（排距減小、單耗不變，則單孔裝藥量降低），排距調(diào)整為6.5 m，裝藥結(jié)構(gòu)改為間隔裝藥，孔徑250 mm，孔深17.5 m，孔間距11 m，堵塞長(zhǎng)度6.0 m，超深2.5 m，總裝藥高度11.5 m，臺(tái)階高度15 m，孔數(shù)80 個(gè)，預(yù)計(jì)爆破量858 00 m3。

2）在增大超深1 m，同時(shí)改變炸藥單耗至0.40 kg/m3的條件下，對(duì)下部硬巖產(chǎn)生根底情況進(jìn)行排距和裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整，排距調(diào)整為6.5 m，裝藥結(jié)構(gòu)改為間隔裝藥，孔徑250 mm，孔深18 m，孔間距11 m，堵塞長(zhǎng)度6.0 m，超深3 m，總裝藥高度12 m，臺(tái)階高度15 m，孔數(shù)80 個(gè)，預(yù)計(jì)爆破量85 800 m3。

3）在增大超深1 m 且控制炸藥單耗0.38 kg/m3（炸藥密度850 kg/m3）不變的條件下，對(duì)下部硬巖產(chǎn)生根底情況進(jìn)行裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整，裝藥結(jié)構(gòu)改為間隔裝藥，孔徑250 mm，孔深18 m，孔間距11 m，孔排距7 m，堵塞長(zhǎng)度6.0 m，超深3 m，總裝藥高度12 m，臺(tái)階高度15 m，孔數(shù)80 個(gè)，預(yù)計(jì)爆破量92 400 m3。

4）在增大超深0.5 m，同時(shí)改變炸藥單耗至0.40 kg/m3的條件下，對(duì)下部硬巖產(chǎn)生根底情況進(jìn)行裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整，裝藥結(jié)構(gòu)改為間隔裝藥，孔徑250 mm，孔深17.5 m，孔間距11 m，孔排距7 m，堵塞長(zhǎng)度6.0 m，超深2.5 m，總裝藥高度12 m，臺(tái)階高度15 m，孔數(shù)80 個(gè)，預(yù)計(jì)爆破量92 400 m3。

出現(xiàn)根底面積與爆區(qū)面積比值定義為“根底率”，通過(guò)哈爾烏素露天煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施以上4 種方案后，獲得各方案對(duì)應(yīng)根底發(fā)生率，并以此進(jìn)行極差分析，確定最各參數(shù)對(duì)根底發(fā)生的影響排序，進(jìn)而提出預(yù)優(yōu)化方案。

2.4 提高填充密實(shí)度

炮孔填充密實(shí)程度會(huì)影響炮孔內(nèi)氣體封堵效果和有效作用程度，提高炮孔充填密實(shí)度能有效減小爆生氣體泄露并提高孔內(nèi)作用時(shí)間，對(duì)提高破碎效率及降低根底情況具有明顯作用效果。現(xiàn)場(chǎng)填充僅采用炮孔填塞機(jī)夾取頂部炮孔巖粉1～2 次即完成炮孔填充，靠巖粉重力滑入孔中，受孔壁及空氣影響填充密實(shí)度，尤其是炮孔內(nèi)含水裝完乳化炸藥后孔內(nèi)水從孔中反出情況下，巖粉受水的浮托力影響使填充密實(shí)度進(jìn)一步減小。因此，建議在采用炮孔填塞機(jī)在進(jìn)行炮孔填充時(shí)，采用竹竿伸入炮孔適當(dāng)搗實(shí)。

3 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

依據(jù)前述提出實(shí)施方案及質(zhì)量提升措施，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后統(tǒng)計(jì)的相應(yīng)各方案效果見表2。

對(duì)各方案進(jìn)行極差R 分析：

表2 上軟下硬巖石臺(tái)階質(zhì)量提升方案及效果統(tǒng)計(jì)表

式中：Ki為每個(gè)因素中各水平試驗(yàn)結(jié)果之和；ki每個(gè)因素中各個(gè)水平的平均效果。

爆破參數(shù)優(yōu)化方案結(jié)果分析如表3，從表3 中可以看出極差越大，表示該列因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上有更大的變化，所以極差最大的那一列，就是因素的水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的因素，也就是最主要的因素。

表3 爆破參數(shù)優(yōu)化方案結(jié)果分析

因素水平時(shí)效果影響趨勢(shì)圖如圖3。

由圖3 可知，隨著炸藥單耗的增加，對(duì)巖石的松碎效果變好，根底率逐漸降低；隨著超深的增加，根底率在降低，效果較為明顯；而縮小炮孔排距也有益于降低根底率。

因此，結(jié)合極差分析結(jié)果和趨勢(shì)圖可以看出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，最優(yōu)方案為A2B2C1，即對(duì)應(yīng)方案2：增加炸藥單耗、加大超深和降低排距能夠有效起到降低根底率的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

1）分析了底部硬巖巖石臺(tái)階產(chǎn)生根底的主要原因，主要包括：前排孔底盤抵抗線過(guò)大、充填質(zhì)量差導(dǎo)致炸藥能量過(guò)早向上泄露、孔間距偏大及炮孔含水條件下底部裝空氣間隔致使裝藥重心上移。

圖3 因素水平對(duì)效果影響趨勢(shì)圖

2）在充分考慮爆破效果關(guān)鍵影響因素的基礎(chǔ)上，提出了基于炸藥單耗、超深及排距的3 因素2 水平正交試驗(yàn)方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐后統(tǒng)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)極差分析后表明根底范圍明顯區(qū)域增加炸藥單耗至0.4 kg/m3、加大超深至3 m 和降低排距至6.5 m 能夠有效起到降低根底率的效果。

3）當(dāng)炮孔內(nèi)含水條件下盡量采用乳化炸藥，避免在淺水孔下部加空氣間隔后裝銨油炸藥，如遇淺水孔則宜采用下部乳化-空氣間隔-上部銨油炸藥，能保證下部足夠超深和能量利用。