直徑186 mm CO2致裂器在露天鐵礦開采中的應用

楊海斌，郭寶江，李繼紅，張風軍，王尹軍

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.河北云山化工集團有限公司，河北 邢臺054011；3.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

CO2爆破技術主要用于高瓦斯低透氣性煤礦的壓裂增透工程，自上世紀90年代引入我國以來，經過20余年發展，已經被越來越多的業界人士所認識和接受，并開展了大量研究工作。馬海鵬等[1]研究認為CO2相變致裂對整體性好的石灰巖、花崗巖效果較好，較松散的紅沙巖效果較差。夏杰勤等[2]研發了一種可用于建造干熱巖型地熱儲層的新型CO2致裂器。丁海龍等[3]總結了高海拔地區工程項目CO2爆破技術的應用。龔政[4]通過實際應用證明了CO2爆破技術是一種危害小的破巖方法，可解決特殊要求下的破巖難題。梅比等[5]研究認為CO2爆破產生的振動值僅是同樣藥量的炸藥爆破產生的振動值的1/20～1/15。

近年來，經過廣大研究者的不斷努力，CO2致裂器已經由完全依靠進口，發展成為以自主研發為主，產品的規格型號不斷豐富，應用范圍逐步擴充。隨著CO2爆破技術由地下開采擴展到露天采剝，為了滿足露天爆破對CO2致裂器爆炸威力的較高要求，較大型和大型CO2致裂器產品得到研發，但大型CO2致裂器的現場應用研究尚未見有關報道。

本文介紹了自主研發的直徑186 mm、長3.4 m、充裝30～35 kg液態CO2的大型致裂器(以下簡稱186型致裂器)在河北某露天鐵礦的試驗性應用情況，解決了傳統炸藥爆破對位于該礦100 m外養殖場的影響問題，探索出一條滿足該鐵礦開采需求的新方法，也為類似工程的安全有效開采提供了有益借鑒。

1 工程概況

該鐵礦是冀東礦脈的一部分，礦區鐵礦石形成于前震旦系變粒巖中，屬鞍山式沉積變質鐵礦床。礦體南北長10 km，東西寬2 km，以S6勘探線為界劃分為南北2個開采區，南區長6 km，北區長4 km，南區采取硐采方式開采，北區為露天開采。礦石資源總儲量為23.48億t，其中氧化鐵礦3.23億t，磁鐵礦20.25億t，為我國三大鐵礦區之一，居亞洲第二。

試爆區周圍環境如圖1所示，東邊距離一養殖場100 m，距離河道440 m，距離某村莊543 m；南邊距離另一村莊576 m；西邊距離國道1.1 km，距離某公司1.2 km，西南方向距離某公司1.5 km，西北方向距離某公司職工住宅小區1.7 km，北邊2.3 km內全是礦脈開采區。

2 方案設計

2.1 難點分析

重點保護對象為東側100 m處的養殖場。如果采用傳統的炸藥爆破方式進行開采，產生的振動、揚塵、噪聲、飛石、沖擊波等危害效應，會對養殖場內的家禽造成嚴重影響。如果采用破碎錘或靜態破碎劑等方式進行開采，則效率低、成本高、耗時長。

為了做到既不對養殖場造成影響，又為礦山企業創造良好經濟效益，并將爆破有害效應控制在最低限度之內，經過綜合考慮，最終選擇采用可重復使用的186型CO2致裂器進行爆破開采，充分發揮其爆破有害效應小、做功能力較大、多次重復使用成本較低等優點。由于是首次較大規模試用，因此結合186型CO2致裂器的產品參數和現場情況，設計適宜于該礦山特點的鉆爆參數和工藝方法是本工程的首要問題。

2.2 整體方案

為了做到既嚴格控制有害效應，又保證經濟效益，采用了松動爆破方案，即先用186型CO2致裂器將礦石從母體中爆炸脹裂剝離出來，再用破碎錘對分離出來的大塊進行二次破碎。為了控制飛石方向，將爆區臨空面確定在與養殖場所在方位相反的方向。

2.3 爆破參數設計

針對本工程的地形和環境條件，設計合理的孔距、排距和臺階高度，確定一次起爆炮孔數量。通過現場多次試爆，在分析試爆的松動效果、振動、噪聲、飛石等數據基礎上，根據礦層的不同硬度，孔排距分別采用3 m×3 m和3.3 m×3.3 m。爆破參數如表1所示，布孔形式為梅花形。單次爆破10個炮孔，每孔裝1根CO2致裂器。根據地形條件按2排孔布設，每排5個炮孔(見圖2)。采用數碼激發管毫秒延時起爆網路，同排炮孔同時起爆，排間延時100 ms。

表1 臺階爆破參數設計值

3 施工工藝

現場施工工藝總體上可分為4個步驟，即：組裝運送→吊裝入孔→連線起爆→回收維護。

3.1 組裝運送

在組裝致裂器時，先將裝配式塑膜激發管裝入儲液管中，再在泄能頭端裝入密封墊、爆破片，然后擰緊充裝頭和泄能頭，最后使用專用充裝機將液態CO2充入致裂器內。致裂器結構如圖3所示。將充裝好液態CO2的致裂器，采用吊裝運輸一體貨車運送到礦區，如圖4所示。

3.2 吊裝入孔

在爆破作業現場，使用專用電阻表測量每根CO2致裂器的電阻值，檢測電路完好且阻值在正常范圍內之后，再通過提升頭將CO2致裂器吊送入炮孔內，如圖5所示。

炮孔填塞前，再次用電阻表依次測量致裂器導線的電阻值(見圖6a)，確定所有致裂器的電阻值均在正常范圍內之后，將巖屑填充在炮孔內CO2致裂器的周圍及其頂部空間(嚴禁使用石塊填塞)。填充時，用直徑8 mm的鋼筋搗實致裂器和孔壁間的巖屑(見圖6b)，填塞物全部覆蓋住管體后，改用炮棍逐層將巖屑搗實，直至填滿炮孔為止。每個炮孔內的填塞長度約2.5 m。

3.3 連線起爆

將2排炮孔內CO2致裂器的導線引出，逐孔串聯連接(見圖7a)。在安全措施到位之后，下達起爆命令。用起爆器引燃激發管，實施爆破，爆破瞬間如圖7b所示。

3.4 回收維護

結合勾機鏟挖和清運過程(見圖8)，逐個將露出爆堆的致裂管回收，并將回收的致裂管運送到操作間。在操作間內將致裂管水平放置在充裝架上，拆卸泄能頭和充裝頭，將致裂管內部及螺紋連接處的沙土殘渣等清理干凈，并仔細檢查，進行維護保養，以備下次使用。

4 結果與討論

4.1 破碎效果

起爆后，沒有明顯的飛石，振動很小，達到了預期的松動效果(見圖9a和圖9b)，臨空面之前的爆堆較為集中(見圖9c)，整個場地的平整性較好。按照以勾機可勾動且能夠裝車為合格標準，爆后礦塊合格率達80%以上，符合設計要求。

4.2 爆破方量

試驗期間，一次引爆10個炮孔后，現場實測的松動礦體范圍為長20 m、寬9 m、深7 m，總方量合計1 260 m3，折合單根186型CO2致裂器的爆破方量為126 m3。

在上述試驗基礎上，該礦區從2021年9月開始，連續3個多月采用可重復使用的186型CO2致裂器進行爆破開采，共計開采了2.5×105t礦石，10根致裂器反復使用900多根次，未影響附近養殖場的正常養殖活動，圓滿完成了炸藥爆破無法開采的礦體采剝任務。

4.3 經濟效益分析

以上述單次爆破方量1 260 m3的成本消耗，進行經濟效益分析，并與炸藥爆破成本進行對比。

1)CO2爆破成本核算。采用186型CO2致裂器爆破，炮孔參數為孔徑216 mm、孔距3.0 m、排距3.0 m，臺階高度6 m、孔深6.5 m、炮孔數量10個。

各項成本費用分別為:打孔費3 575元，CO2材料費450～525元，激發管2 800元，爆破片與密封墊13元，人工費900元，二次破碎費1 600元，回收費200元，維護費200元，車輛費500元/次，重復使用型致裂管折舊費60元。費用合計10 298～10 373元，折算為單方爆破成本為8.17～8.23元。

2)炸藥爆破成本核算。本礦區炸藥爆破開采的炮孔參數為孔徑90 mm、孔距3.5 m、排距3.0 m、臺階高度20 m、孔深20.5 m。一次爆破的炮孔數量6個，炸藥單耗0.4 kg/m3，共需炸藥0.51 t。

各項成本費用分別為：打孔費3 690元，炸藥費5 100元，雷管費180元，人工費200元，車輛費500元/次。費用合計9 670元，折算為單方爆破成本為7.67元。

3)CO2爆破和炸藥爆破成本比較。盡管本次試驗核算的CO2爆破成本8.17～8.23元/m3大于炸藥爆破成本7.67元/m3，但是隨著CO2致裂器重復使用的次數增加，爆破規模增大，還可使成本持續下降，成本差距還會逐步縮小。尤其是在無法使用炸藥爆破的開挖工程中，更能顯示出其實用價值，可為企業創造可觀的經濟效益。

5 結語

采用可重復使用的186型CO2致裂器，在河北某鐵礦的爆破試驗及后續3個多月露天開采應用的結果表明，松動爆破和破碎效果良好，未對養殖場的正常養殖活動造成影響，為礦山企業創造了可觀的經濟效益。所采用的鉆爆參數和施工方法、工藝流程、安全操作等，為制訂大型CO2致裂器在類似鐵礦露天開采應用的技術標準、管理標準和安全操作規程等，提供了工程依據和參照。