露天煤礦煤巖爆破參數優化及應用研究

王 斌

(中國神華能源股份有限公司 哈爾烏素露天煤礦,內蒙古 鄂爾多斯 010300)

爆破環節是煤礦與巖石開采工程的主要工作內容之一[1]。當前露天煤礦煤巖爆破技術隨著生產發展的需求提升而提升[2],基本能夠符合露天煤礦煤巖開采的基本標準,但是煤礦開采深度的提升與周邊地表環境的復雜性變化都隨爆破工作的質量提升更高要求[3-4]。因此,露天煤礦煤巖爆破參數優化具有重要意義。

謝全敏等[5]通過數值分析法構建模型,對全巖斷面爆破掏槽進行優化;吳永祥等[6]采用工程試驗法對爆破孔網參數進行優化。上述2個文獻的研究均從單一指標參數角度出發,對于最終爆破質量的提升效果影響并不顯著。文興等[7]針對深部大直徑深孔爆破工程中的參數進行優化;彭錦浩等[8]針對巷道爆破工程中的爆破參數進行優化。上述2個文獻的研究均具有主觀針對性,導致優化方法的普適性較差。

針對這些問題,研究露天煤礦煤巖爆破參數優化及應用,分析露天煤礦煤巖爆破過程中不同環節的能量傳播形式;根據重要性、獨立性的原則選取影響爆破質量的主要指標:臺階高度、底盤抵抗線、超深與孔深等,計算各指標的參數值。并通過調整炮孔密集系數、降低炮孔超深等方式優化指標參數。希望通過該研究能夠提升爆破工程質量,降低煤巖開采成本。

1 露天煤礦煤巖爆破參數優化及應用

1.1 露天煤礦煤巖爆破破碎原理

露天煤礦煤巖爆破的過程大致分為3個階段[9],具體描述見表1。由表1可知,露天煤礦煤巖爆破過程中,炸藥爆炸后形成的能量向煤巖傳播的形式分為2種,分別是沖擊波能與爆炸氣體膨脹能[10-11]。在炸藥爆炸產生的全部能量中,第1種能量占幅為(10±5)%,而第2種能量占幅為(60±10)%。

表1 露天煤礦煤巖爆破過程分析Tab.1 Analysis of coal and rock blasting process in open-pit coal mines

露天煤礦煤巖爆破所形成的破壞區也可分為2部分,如圖1所示。

圖1 露天煤礦煤巖爆破所形成的破壞區劃分Fig.1 Division of damage areas formed by coal and rock blasting in open-pit coal mines

破壞區分別是:①粉碎區,該區域內煤巖粒度較小[12],有較大概率在篩選環節被篩下;②裂縫區,該區域的大小對篩下物數量與塊煤產出率產生直接影響[13],同前者間呈正比例相關,同后者間呈反比例相關。由此可知,在露天煤礦煤巖爆破過程中需降低粉碎區范圍,擴大裂縫區范圍,由此提升露天煤礦的塊煤產出率。

1.2 爆破參數設計原則

影響露天煤礦煤巖爆破性能的參數主要包括:臺階高度、孔徑、孔深、孔距、超深、排距、單孔裝藥量與底盤抵抗線等。在設計露天煤礦煤巖爆破方案過程中,各主要參數的設計是否合理對于最終的爆破結果產生直接影響[14]。例如,露天煤礦煤巖爆破過程中所設計的底盤抵抗線過大,將導致根底規模顯著提升,由此造成大塊煤產出率提升;在該參數設計過小的條件下,則會由于煤巖抵抗不足造成沖炮飛石等危險產生。

在爆破參數優化過程中,判斷影響爆破質量的主要指標極為重要,指標選取原則如圖2所示。

圖2 爆破質量主要影響指標的選取原則Fig.2 Selection principles of main impact indicators on blasting quality

(1)重要性。爆破質量影響指標選取最主要的原則[15],對于影響小的指標應忽略。

(2)獨立性。由于部分指標具有相似性,因此在指標選取過程中需關注意義明確的指標[16],忽略意義模糊的指標,確保不同指標間的相關性最低。

(3)定量性?？蔀槁短烀旱V煤巖爆破設計提供明確數值的指標。

(4)簡單性。確保指標的易獲取性、明確性與易量化性。

(5)通用性。確保所選指標在不同類別的爆破設計中均能夠正常使用[17],忽略應用于特殊情況下的指標。

1.3 爆破參數計算

基于爆破質量主要影響指標的選取原則,選取的露天煤礦煤巖爆破性能主要影響指標見表2,并對這些指標的參數進行優化。

表2 露天煤礦煤巖爆破性能主要影響指標Tab.2 Main impact indicators of coal and rock blasting performance in open-pit coal mines

基于表2中的各主要影響指標,計算爆破參數:

(1)臺階高度。根據露天煤礦的開采參數能夠得到,煤巖臺階的高度為10 m。

(2)底盤抵抗線。該指標參數值過大將導致根底數量提升,大塊率較高[18];相反該指標參數值過小將造成炸藥浪費、穿孔工作量提升,或者飛石的危險。該指標參數值為臺階高度的70%±20%。

(3)超深。該指標的主要功能為抑制臺階點抵抗線的約束作用,保障露天煤礦煤巖爆破后不會產生根底,在開挖后得到的底部較為平整。該指標參數值為臺階高度的15%±10%。在爆破臺階較為松軟的條件下,可設定較小的超深值;相反在爆破臺階較為堅硬的條件下,需設定較大的超深值。

(4)孔深。該指標參數值的經驗計算公式為:臺階高度參數與超深參數的和。

(5)孔距。針對該指標,在確保炸藥單耗的條件下,令各孔負責的爆破面積大致相同,該指標參數值的經驗計算公式為:炮孔密集系數與底盤抵抗線的乘積。優化該指標,理論上令炮孔密集系數(孔距與排距的商值)取值為1.3±0.1,選取寬孔距小抵抗線方式,因此可根據裝藥量上限前后驗算且確保各孔爆破面積大致相同。該指標參數值的優化需以各孔爆破負責面積大致相同為基礎[19],參數的優化結果需持續在試驗中實施驗證,且在試驗過程中需以提升孔距,降低排距為原則,由此獲取最優孔距最優參數值。

(6)排距。該指標參數值的大小對于爆破質量的影響較為顯著。后排孔受約束作用影響,排距值需下降,該指標參數值為底盤抵抗線的80%±20%。該指標參數值的優化需以各孔爆破負責面積大致相同為基礎,參數的優化結果需持續在試驗中實施驗證,且在試驗過程中需以提升孔距,降低排距為原則,由此獲取最優排距最優參數值。

(7)炸藥單耗。該指標所描述的是單位體積巖體所需炸藥量。通常情況下,該指標的最優參數值為滿足爆破效果條件下的最小炸藥量[20]。該指標參數值的經驗計算公式為:臺階高度與超深值的和減去填充高度再乘以裝藥密度,將所得結果與孔距、排距、臺階高度的乘積進行求商。

(8)單孔裝藥量。在計算第1排炮孔(包含單排炮孔)的該指標參數時,經驗公式為:炸藥單耗與孔距、臺階高度和底盤抵抗線的乘積。在計算第2排炮孔與后續各排炮孔的該指標參數值時,經驗公式為:炸藥單耗與孔距、排距和臺階高度的乘積。若所得的該指標參數值不大于設定的裝藥量閾值,那么說明該指標參數值為合適的;若該指標參數值高于設定的裝藥量閾值,也就是所得參數值無法完全轉入孔內,即可對該指標參數進行適當優化。

2 爆破參數優化應用研究

為驗證本文方法的實際應用效果,選取某露天煤礦為研究對象,采煤工作線長約1 200 m,寬約85 m,平均臺階高度29 m,爆破總量約為0.00 287 km3,炮孔直徑為250 mm,爆破密集系數取值為1.8,炮孔采用連續裝藥結構,梅花形布孔方式。采用本文方法對研究對象的爆破參數進行優化,所得結果如下。

2.1 概況

以沉積巖為上覆蓋巖層,所產的巖石種類包括不同粒度的砂巖、泥巖與高嶺土,研究對象的煤巖種類見表3。

表3 煤巖種類Tab.3 Coal and rock types

研究對象作為我國單坑產量較高的露天煤礦,其每年核定煤礦產出能力為3 350萬t。煤巖松動爆破過程中,選取現場混裝車安裝炸藥,并采用CDM75作為鉆機。

2.2 孔距、排距與炸藥單耗等參數的優化

部分爆破試驗參數優化結果見表4。分析表4能夠得到,與研究對象初始爆破方案相比,優化方案一的炸藥單耗并沒有改變,但其爆破效果卻明顯提升;而優化方案二的炸藥單耗與初始爆破方案相比下降幅度達到2.4%左右,也就是在爆破效果一致的條件下,炮孔密集系數(根據孔距與排距的商值確定)越小,炸藥單耗越低。

2.3 超深、孔深等參數的優化

煤礦巖石堅固性系數為2.3±0.4,這表明研究對象具有較為優越的可爆性,因此,超深范圍可約束在(1.62±0.54) m內。依照相關試驗,匯總分析超深與泥巖根底高度間的相關性,所得結果如圖3所示。

圖3 炮孔超深與根底高度的相關性Fig.3 Correlation between blasthole super depth and root height

當巖石類型為砂巖時,設定以下爆破試驗參數:臺階高度與單孔裝藥量分別為10 m和505 kg,孔距與排距分別為10、7 m,炸藥單耗為0.42 kg/m3,依照電鏟挖掘后平盤標高同設計標高間的差值設定根底高度,由此獲取的超深同根底高度間的相關性曲線如圖4所示。分析圖4可以得到,當研究對象中的巖石類型為砂巖時,設定炮孔超深為2 m較為合適。通過試驗結果可知,在爆破效果基本一致的條件下,超深為2 m時的炸藥單耗與3 m時相比降低4%左右。

圖4 砂巖條件下炮孔超深同根底高度間的相關性Fig.4 Correlation between blasthole super depth and root height under sandstone conditions

當巖石類型為泥巖時,設定以下爆破試驗參數:臺階高度與單孔裝藥量分別為10 m和505 kg,孔距與排距分別為10、7 m,炸藥單耗為0.42 kg/m3,依照電鏟挖掘后平盤標高同設計標高間的差值設定根底高度,由此獲取如圖5所示的超深同根底高度間的相關性曲線。

圖5 泥巖條件下炮孔超深同根底高度間的相關性Fig.5 Correlation between blasthole super depth and root height under mudstone conditions

分析圖5得到,研究對象中的巖石類型為泥巖時,設定炮孔超深為1.5 m較為合適。通過試驗結果得到,在爆破效果基本一致的條件下,超深為1.5 m時的炸藥單耗與3 m時相比降低7%左右。

2.4 塊煤率統計結果

采用本文方法對研究對象的爆破參數進行優化,對比本文方法優化前(2021年3月—7月)的塊煤率和本文方法優化后(2021年8月—12月)的塊煤率,所得結果如圖6所示。分析圖6可得,在采用本文方法對研究對象爆破參數進行優化前,末煤率與塊煤率均值分別為53.72%和34.37%。優化后的末煤率與塊煤率均值分別為42.24%和45.61%。與優化前相比,末煤率下降了11.48%,塊煤率提升了11.24%。試驗結果說明采用本文方法優化爆破參數能夠顯著提升爆破質量。

圖6 本文方法優化前后研究對象的塊煤率Fig.6 Lump coal rate of the research object before and after optimization of the method in this paper

2.5 爆破應用效果

為了對煤礦全局范圍內塊度分布特征進行分析,計算得到了原始方案與優化方案條件下整個區域內的各碎塊種類的平均質量百分比,見表5。

表5 優化前后全區域煤塊平均尺度Tab.5 Average scale of coal blocks in entire region before and after optimization %

從表5可以看出,在全區域范圍內,顆粒煤質量百分比能夠由 44.12%減小到 32.56%,而塊狀煤質量百分比則由 42.54%提高到60.25%,幅度達到 17.71%,而大體積煤質量百分比變化不大,基本能夠控制在10%內。

煤層爆破現場如圖7所示。從圖7可以看出,本次爆破試驗,爆破效果理想,爆破質量較好,基本沒有產生大塊,沒有根底殘留,能滿足現有設備的鏟裝要求。

圖7 優化方案下煤層爆破現場Fig.7 Coal seam blasting site under optimization scheme

3 結論

針對當前露天煤礦煤巖爆破參數設計過于單一的問題,本文選取爆破質量主要影響指標,對這些指標的參數進行優化,并通過試驗驗證了本文方法能夠顯著提升塊煤率,為露天煤礦的發展提供了數據參考。