露天煤礦爆破大塊率控制技術

姬 超

（青海義海能源大煤溝煤礦，青海 德令哈 817000）

爆破大塊率是影響露天煤礦生產效率的一個重要因素，尤其在結構面較為發育的礦山，爆破大塊率通常高于正常水平。因此，對結構面發育的露天煤礦爆破大塊率控制技術研究尤為重要。大煤溝露天煤礦目前采用常規爆破，由于受發育的結構面影響，爆破大塊率較高，較多大塊巖石需二次爆破破碎后方可裝車，不僅生產成本較高，還嚴重影響裝車效率及礦山產量。因此，根據大煤溝露天煤礦實際情況，通過理論研究和實踐經驗摸索出適合現場爆破大塊率的控制措施，對提高礦山經濟效益具有重要意義。

1 工程概況

大煤溝煤礦開采方式為露天+地下開采，即礦區東部3450 m 以淺采用露天開采，3450 m 以下采用井工開采。其中露天煤礦可采煤層為F2 和F1 兩層，F2 煤層與F1 煤層的間距為0.92～9.96 m，平均3.22 m，巖性以深灰色粉砂巖、泥巖為主，層位穩定。礦井設計生產能力30 萬t/a，自建礦以來，現已形成走向長約1600 m、傾向寬約900 m、最大開采深度約140 m 的露天采坑。采坑封閉圈標高約3500 m，現開采最低標高約3466 m，出入溝位于采坑西南部，溝口標高3500 m。邊坡高度34～124 m，傾角24°～30°，臺階坡面角40°～65°，臺階高度8～12 m，工作平臺最小寬度30 m，到界平臺寬度8～15 m。

2 大塊率較高的原因分析

要解決大塊率較高問題，必須從各方面分析爆破產生大塊巖石的原因，然后針對各因素采取針對性措施，并根據各措施取得的效果進行綜合應用，以期取得最佳控制效果。通過對現場爆破產生大塊巖石的各種原因進行分析，具體影響因素分為以下幾點：

（1）巖石結構面較為發育。巖石結構面發育情況直接影響爆破效果，主要原因為結構面存在裂隙或破碎的軟巖夾層，導致結構面處巖石硬度較低，爆破期間炸藥爆破能量將優先從硬度較低的結構面卸能，導致爆破效果降低。同時，受結構面卸能影響，各結構面間的大塊巖石爆破破碎能力下降，是結構面較為發育的礦山爆破產生大塊巖石的主要原因。

（2）爆破參數不合理。保證爆破效果的前提是根據實際情況多次實踐、總結和優化，得出較為理想的爆破參數。爆破參數主要包括炮孔間排距、炮孔深度及超深、單孔裝藥量、封堵長度等。

（3）孔口段封堵長度的影響。炮孔裝藥爆破期間，為避免爆破能量提早向孔口方向卸能，裝藥后必須對孔口段進行一定長度的封堵。孔口段封堵期間，封孔長度過長，則爆破重心偏低，孔口段巖石破碎效果較差，易產生大塊巖石。封孔長度過短或封孔質量較差，則可能發生孔口“沖炮”導致卸能影響爆破質量。故采取合理的孔口封堵長度對孔口段大塊率的控制至關重要，合理的孔口封堵長度可充分利用封堵段的慣性阻力、堵塞物與孔壁摩擦阻力，增加炸藥爆炸后高溫高壓氣體的做功時間，使之前由沖擊波產生的裂隙在高壓氣體的楔入作用下充分發展，形成楔形塊裂破壞[1-3]。

（4）炸藥選取的影響。巖石的硬度越高，則波阻抗越高，應相應選擇波阻抗較高的炸藥，以保證爆破效果。

3 大塊率控制技術方案

3.1 結構面發育致大塊控制方案

結構面發育導致爆破期間大塊率較高問題，可通過優化起爆網路進行一定程度上解決。利用電雷管毫秒延期爆破功能，使不同起爆時間的各爆破應力波疊加，以及先后起爆產生的巖塊間相互碰撞來提高結構面爆破出的巖塊破碎度，從而實現降低大塊率的目的。優化起爆網路需制定合理的起爆順序以及延期間隔時間的控制，可在優化前的起爆網路上進行優化改造。

（1）優化前起爆網路

優化前的爆破網路，采用逐孔、逐排延期起爆，孔間每孔延時50 ms，采用ms-3 雷管連接，排間每排延時110 ms，采用ms-5 雷管連接，孔內采用延時650 ms 的ms-13 雷管起爆。優化前起爆網路如圖1。

圖1 優化前起爆網路示意圖

（2）優化后起爆網路

由于結構面較發育巖體爆破期間結構面會產生一定的卸能作用，為減少結構面卸能帶來的大塊巖石產生，需增加單段雷管的起爆量，以增大同時段起爆的爆破能力，故將孔間逐個延時優化為每3 個一延時。優化后起爆網路如圖2。

圖2 優化后起爆網路示意圖

3.2 爆破參數優化方案

優化調整過程主要是對裝藥密度、炮孔間排距、孔口封堵長度等進行調整，通過不斷試驗，優化后的爆破參數見表1。

表1 優化前后爆破參數一覽表

3.3 孔口段封堵致大塊優化方案

（1）孔口封堵長度調整

優化前現場炮孔封堵長度為3 m，爆破后根據爆堆情況檢查發現上部出現較為集中的大塊矸石，為減少因孔口段封堵過長導致孔口段巖石爆破后大塊率較高問題，在保證爆破安全且不發生“沖炮”現象的前提下，可適當減少孔口封堵長度。封堵長度可按公式（1）、（2）計算：

式中：L為封堵長度，m；W為炮孔排距，m；d為炮孔直徑，mm；

根據表1 優化后爆破參數結果，式（1）計算結果為2.1～2.7 m，式（2）計算結果為1.8～2.7 m，綜合取值范圍確定為2.1～2.7 m，取值2.5 m。

孔口封堵長度調整為2.5 m 后，較調整前減少0.5 m，單孔裝藥量得到增大，裝藥位置相應提高，爆破對孔口段巖石的破碎能力加大。

（2）深淺孔結合方案

為使孔口封堵段巖石得到充分破碎，在炮孔間增加淺孔爆破，直接減小孔口段的炮孔排距，淺孔爆破加大了對孔口段巖石的破碎能力。經現場試驗，采取深淺孔結合爆破取得較好效果。具體方案為：在每兩排正常炮孔（深孔）間增加一排淺孔，淺孔深度2.5 m，淺孔底部裝藥0.7 m，剩余孔口全部封堵。深淺孔結合布置平面、剖面示意圖如圖3、圖4。

圖3 深淺孔結合布置平面示意圖

圖4 深淺孔結合布置裝藥結構剖面示意圖（m）

3.4 炸藥選取方案

炸藥的爆破能量在巖石中的傳導效率主要與巖石的波阻抗有關，巖石的波阻抗越高，則需相應選取波阻抗較高的炸藥，只有兩者波阻抗相匹配時，方可取得較好的爆破效果，因此，炸藥的類型必須根據巖石的波阻抗進行合適的選取。研究表明，高阻值的巖體應選取高阻值的炸藥，炸藥的波阻抗與巖石波阻抗比值在0.5～2 之間時，能夠取得較好的爆破效果[4]。當被爆巖體松軟破碎時，波阻抗較低，工業炸藥波阻抗與巖石波阻抗比值達到2。當被爆巖體硬度系數較高且較為完整時，波阻抗較高，工業炸藥波阻抗與巖石波阻抗比值通常小于0.5。針對堅硬巖石選取炸藥時，應盡量選取波阻抗值較高、炸藥與巖石波阻抗比值較大的炸藥。

大煤溝露天煤礦煤層上部巖層硬度系數為10.3，波阻抗值為（7～14）×106kg/（m2·s），屬堅硬巖石。礦山前期爆破采用硝銨炸藥，其波阻抗值為2.56×106kg/（m2·s），與石灰巖波阻抗比值為0.18～0.37，波阻抗比值相對較低。炸藥更改為乳化炸藥，乳化炸藥波阻抗值為3.45×106kg/（m2·s），與石灰巖波阻抗比值為0.25～0.49，最高比值已接近0.5，炸藥與巖石的比值匹配已明顯提高。經現場實踐證明，更換為乳化炸藥后的爆破效果較硝銨炸藥有明顯改善。

4 工程效果分析

較好的大塊率控制技術是在不斷地理論結合實踐下產生的，并在實踐過程中對逐個優化方案實施后的爆破效果進行分析，具體效果分析如下：

（1）通過起爆網路的優化及爆破參數的調整，增加同段雷管起爆的數量，增大孔距，縮小排距，減少孔口封堵長度，加大裝藥量，提高對巖石的爆破能力。現場實施后對大塊率的降低效果甚微，但在爆堆高度及臺階眉線的控制方面較優化前效果較為明顯。

（2）采用深淺孔結合爆破方案下，孔口段巖石大塊率有明顯降低。

（3）更換炸藥類型后，炸藥與巖石的比值匹配明顯提高，爆破效果較更換前有明顯改善。

（4）綜合采用各優化方案后，受巖層結構面影響導致的大塊率較高問題基本得以解決，孔口段大塊率也得到明顯控制，綜合方案效果下，大塊率較優化前降低1/2。

5 結語

通過理論結合實踐不斷進行工程試驗，采取優化起爆網路及爆破參數、深淺孔結合爆破、更換炸藥等方案，在起爆網路優化及爆破參數的調整下，爆堆高度及臺階眉線的控制效果明顯；深淺孔結合爆破下，孔口段巖石大塊率有明顯降低；更換炸藥后，對巖石的破碎效果明顯改善。在各方案的綜合利用下，對結構面較為發育的堅硬巖石爆破大塊率控制取得明顯效果。