刘 毅
国家能源集团神华准能集团哈尔乌素露天煤矿，内蒙古鄂尔多斯 010300
摘要：本文浅谈哈尔乌素露天煤矿深孔台阶松动爆破工程基本状况、分段装药松动爆破参数的优化、分析分段装药结构在有无水炮孔中的有效应用，提出了降低岩石松动台阶穿爆成本的方法和技术措施。
关键词：露天煤矿；分段装药；松动爆破；技术应用
引言：哈尔乌素露天煤矿煤层产状和厚度、地质构造、煤质和岩性特征、工作线长度，都与临近的黑岱沟露天煤矿有着许多的相似之处。为此，我们就基本可以直接借鉴其分段装药结构在岩石松动爆破中的应用技术经验，从而实现煤炭的顺利开采。研究露天煤矿岩石松动爆破技术理论，不但能解决生产上的问题，而且也能解决炸药单耗较高的问题。采用炮孔分段装药结构技术，就可减小爆破峰值压力、延长应力波在炮孔内的作用时间，从而减小破碎区和增加裂隙区的有效范围，进而提高了爆破的整体效果，并降低了岩石松动爆破的炸药消耗。
1.深孔台阶松动爆破工程基本状况
1）矿区地质概况。哈尔乌素露天煤矿煤层上覆盖岩层是沉积岩，主要岩石品种有：细（粉）砂岩、中砂岩、粗砂岩、砂页岩、泥（页）岩和高岭土，基本成缓倾斜层状分布状态。
2）原爆破参数。在原深孔台阶松动爆破设计上:①钻机孔径为250mm，台阶高度为15m，孔距为10.5m，排距为7.5m，超深为3m。②干孔使用的是铵油炸药，采用连续装药结构，6m充填；水孔使用的是乳化炸药，7.5m充填。③采用三角形布孔，使用导爆管雷管毫秒延期逐孔起爆，控制排采用42ms，支路排100ms，孔内管延期400ms。④设计单耗为0.43kg/m3左右。
3）爆破参数存在的问题。由于矿区内岩石种类多、台阶构造复杂、岩体裂隙较为发育、整性变化又较大，根本没有确切适合爆破参数计算的公式可用，确定最优爆破参数的难度显然较大。若根据经验公式计算，得出的爆破参数也不是最优参数。炸药单耗偏高，爆破后岩石破碎块度严重不均，部分块度较大，有的还过粉碎，致使采掘困难；在电铲采掘过后，平盘虚量较多，严重的影响了穿孔质量。对此，需要依据爆破理论，并根据经验公式进行计算、研究，以摸索出适宜的爆破技术参数，以解决这些问题。
2.分段装药松动爆破参数的优化
1）孔距和排距计算。孔距则是指同一排深孔中相邻两钻孔中心线间的距离。而传统台阶深孔爆破计算孔距ａ的经验公式为：ａ=mb，式中：ａ为炮孔孔距；m为炮孔密集系数；ｂ为炮孔排距(m)。一般炮孔密集系数取值为1.4～1.8，本矿岩石松动爆破密集系数m则取值为1.4。炸药单耗计算式为：ｑ=（H＋ｈ-L）ρ/abH，式中：ｑ为炸药单耗(kg/m3)；H为岩石台阶高度(m)；h为钻孔超深(m)；L为充填高度(m)；ρ为炮孔铵油炸药线装药密度，取42kg/m。将原参数代入上二式得出：ａ=10.5m；ｂ=7.5m。在另一种爆破理论中，台阶深孔爆破从能量均匀分布的观点看，等边三角形更为理想，即ｂ=asin60°。则密集系数m=a/ｂ=1.15。三种试验方案均采用等边三角形方式布孔，即密集系数m=1.15，其炸药单耗分别为0.43kg/m3、0.42kg/m3和0.41kg/m3，台阶高度H=15m，超深ｈ=3m，充填高度L=6m。分别代入上二式，可得出各试验方案的孔距、排距。根据试验结果分析，当爆破效果相当时，炮孔密集系数取1.15要比取1.4炸药单耗降低约2％。
2）超深孔的确定方法。超深的选取及其对爆破效果的影响，运用理论研究的方法验证还是不多。用理论计算与试验研究验证这些参数之间的关系，可以得到更加合理精确的结果。根据炮孔孔径确定超深经验公式：ｈ=(8～12)D，式中，ｈ为炮孔超深(m)；D为炮孔直径(m)。将炮孔直径D=0.25M代入此式得出：炮孔超深ｈ=2～3ｍ。所以在深孔台阶松动爆破设计时取超深为3m。但是，这也带来诸多不利因素：①下一平盘台阶顶部虚货过多，钻机穿孔难度增加；②钻孔成孔后上部虚货较多，炮孔易塌孔或岩粉回落较多，造成孔深欠深；③钻机进米成本的浪费；④降低了炸药爆炸能量的利用率，增加了炸药单耗。为此，后对深度为L的炮孔孔深调整如下：矿岩可爆性较好时，取超深ｈ=（0.06～0.12）L；矿岩可爆性差时，取超深ｈ=(0.13～0.16)L。其中，L为炮孔深度，取Ｌ=18m。矿岩可爆性较好时，计算得ｈ=1.08～2.16m；矿岩可爆性差时，计算得ｈ=2.34～2.88m。由于岩石普氏系数ｆ=1.5～7，岩石可爆性较好，超深的范围应选择1.08～2.16m为宜。根据试验，进而也可总结出了超深与根底高度的关系（图省略）。
爆破试验参数：岩石为砂岩，普氏系数ｆ=4～7，台阶高度15m，孔距10.5m，排拒7.5m，单孔装药量Ｑ=504kg，炸药单耗0.43kg/m3。试验结果得知：砂岩的炮孔超深为2ｍ时较为合理。当爆破效果相近时，采用2m超深比3m超深炸药单耗降低约4.2％。岩石为砂页岩、泥页岩，台阶高度15m，孔距10.5m，排距7.5m，装药量还是如此，炮孔超深为1m时，较为合理。在爆破效果相近时，采用1m超深比3m超深炸药单耗降低约7.6％。
3）分段装药结构的确定方法。①分段装药结构在露天台阶爆破中的作用原理，分段装药中空气柱降低爆炸冲击波的峰值压力，减少了炮孔周围岩石的过破碎，避免因岩石过破碎，造成炸药能量不必要的浪费，还延长了用力作用时间。空气间隔置于药柱中间，炸药在空气间隔两端所产生的应力波峰值相互作用还可以产生一个加强的应力场，从而增强了炸药破碎岩石的能力。②分段装药结构试验。由于爆破理论还不够完善，加上矿区内岩石种类多、台阶构造复杂、岩体裂隙较为发育、整性变化较大等因素，现没有确切适合确定分段间隔位置、分段数量、各段间隔和药柱长度的计算公式。分段装药分顶部间隔、中部间隔和底部间隔三种。因岩石台阶顶部容易出现大块、底部容易出现根底、中部岩石破碎块度较小，所以多采用中部间隔方式分段装药。因分段段数较多，这也影响施工效率，故在炮孔中部利用空气间隔器把药柱分为两段，经试验确定较适合的分段装药结构。经试验得出：在炮孔中部采用2m空气间隔，充填减小至5m，爆破效果略有提高，炸药单耗也达到降低4.4％的效果。
4）相邻炮区孔位的布置和优化。在工作线长度为2000m时，松动爆破炮区长度一般为300m，这会出现一炮区先响炮，相邻侧面炮区后响炮。采用三角形布孔，相邻炮区衔接方式为直角衔接方式时，需要添加密孔，以避免根底和大块的产生。当调整衔接方式为钝角衔接时，炮区相邻处无需添加密炮孔。这是，炮区一爆破时，炮区衔接处自由面较充分，对降低根底和大块很有利；炮区炸药分配均匀，并降低了炸药用量和钻机进米。每相邻炮区衔接处可减少2个炮孔，节约铵油炸药、火工品和钻机的成本。
5）爆破参数的优化与组合。炮孔密集系数可取1.15，砂岩台阶超深可取2m、砂页岩、泥页岩阶超深可取1m，中部空气间隔长度可取2m，充填可取5m，相邻炮区可采用钝角衔接方式。此时经试验验证，砂岩台阶炸药单耗0.39kg/m3时，能满足爆破要求；砂页岩、泥页岩阶炸药单耗0.35kg/m3时，也能满足爆破要求。
3.分段装药结构在有无水炮孔中的有效应用
1）分段装药结构在露天台阶爆破中的作用原理分析。根据岩石爆破破碎机理，炸药爆炸后在冲击波和爆生气体的联合作用下，炮孔周围由内向外依次形成破碎区、裂隙区和震动区，炸药对岩石的破碎也集中在破碎区和裂隙区（见图1）。破碎区半径计算：，式中，ρ0为铵油炸药密度；D为铵油炸药爆速；n为爆炸产物膨胀碰撞孔壁时压力增大系数，取10；K为装药径向不耦合系数，取1；σcd为单轴动态抗压强度。，式中：μd为岩石动态泊松比；b为岩石侧向应力系数，b =μd /(1-μd)；α为冲击波载荷传播衰减指数，α=2+b=2.36；lC为装药系数，lC=装药长度/(炮孔长度-填塞长度)；rb为炮孔半径。从这二式可知：当孔径、炸药性能、岩石性质一定时，破碎区半径与径向不耦合系数Kd、轴向装药系数lC有关。显然，破碎区半径仅与轴向装药系数有关，单孔装药量越多，破碎区半径就越大。采取分段装药结构可在确保爆破质量的同时，减小单孔装药量，缩小孔网参数，减小充填，增强炸药爆炸能量对台阶顶部及台阶底部岩石的作用，降低了大块和根底出现的概率，进而又降低了炸药单耗。利用分段装药结构，可减小爆破峰值压力，延长应力波在孔内的作用时间，进而减小破碎区范围，降低因破碎区范围较大，造成岩石过破碎所形成的炸药有效利用率降低；这可增加裂隙区范围，具有增加岩石破碎块度均匀度的效果。
2）分段装药结构无水炮孔中的应用试验。通过试验，可总结出分段装药位置及分段长度与爆破质量的关系。如爆破试验参数：①当台阶高度为15m、孔深17m，炮区长度140m时，分段装药上部装药量约占总装药量的仅1/3；②当空气间隔长度为2～3m时，基本避免了根底的产生，大块却减少不明显；充填高度减小1m，间隔长度为2m时，此时爆破质量最佳。最终确定最优装药结构为：5m充填，中部2m空气间隔。试验效果：在炮孔中部采用2m空气间隔，充填减小至5m，爆破效果略有提高，炸药单耗可降低4.4%。
3）分段装药在含水炮孔中的应用。①水孔分段装药原理。因水是不可压缩介质，具有各向压缩换向并均匀传递爆炸压力的特征，在爆炸作用初始阶段，不仅炮孔孔壁，且充水孔壁同样受到冲击载荷作用，峰值压力下降较缓；爆炸作用到后段，伴随爆炸气体膨胀作功，水中积蓄的能量释放加强了岩石的破碎作用。故可对水孔要进行分段间隔处理。②水孔装药情况。由于含水炮孔占有很大比例。特别在雨季，水孔比例不仅增大，且水也较深。此时采用乳化炸药连续装药结构可解决水孔问题，但乳化炸药单价高，密度大，使用量增加，成本增高。岩石松动台阶，炮孔深为18m时，干孔装12m铵油炸药，重504kg，充填6m；水孔装11m乳化炸药，重660kg，充填7m。显然含水炮孔装药成本要高的多。故优化水孔装药结构，也可降低因水孔造成炸药成本的大幅增加。③水孔装药结构的优化。为保证水孔与干孔炸药单耗相当，可对水孔装药结构进行优化设计。炮孔装药量计算：Q=ρh，式中：ρ为炸药线装药密度；h为装药长度。如此可计算出：干孔铵油炸药装药量：42×12=504kg；水孔乳化炸药装药量：60×11=660kg。当炮孔内有水时，因铵油炸药极易容于水而失去爆炸性能，所以水孔底部应装入防水炸药（乳化炸药）；为避免水孔装药成本较大，对水孔上部应装入铵油炸药，并用空气间隔器与水隔离；分段装药为降低爆破时炮孔内部的峰值压力，可适当减小充填使分段装药适用含水量较多的炮孔。
4.降低岩石松动台阶穿爆成本的方法和技术措施
1）要合理调整穿孔区布置。①调整炮区宽度。减小穿孔区宽度、保证每一幅都能清渣爆破。穿孔区宽度每幅由5排孔可减少到4排，相应炮区宽度每幅由40m可减小到30m。采取清渣爆破，可增加爆破自由面，减小后排孔爆破时后排的阻力，提高炸药能量利用率，降低炸药单耗。②调整相邻两幅炮孔布孔，降低生产成本。为满足生产要求，钻机在松动岩石台阶上为电铲备量。这要穿两幅孔，中间隔开一排炮茬(15m)，前一幅孔爆破后，钻机再去补两幅中间的1排炮茬。钻机为补炮茬频繁走车，安全隐患大，又消耗能源。经测量爆破后冲距离为4m～5m，边眼距为4.5m～5m，将两幅中间隔开15m留一排炮茬调整为隔开8m～9m不留炮茬。如此调整，前一幅炮孔爆破后布孔人员不用再摆炮茬，减少钻机走车，避免与其他设备交叉，也降低安全隐患，提高了穿孔效率，节约能耗等。③松动台阶两炮区衔接处布孔调整。调整同一幅相邻炮区衔接方式，即由直角衔接调整为钝角衔接方式。通过大量实验，钝角衔接方式在两炮区相接处，炸药爆炸能量分布更均匀，且每相邻炮区衔接处可减少2个钻孔。采取正常装药结构，孔深为18m时，明显能节约了生产成本。
2）优化爆破设计参数。①选择合理减少超深。根据松动钻孔超深经验公式可知：超深h一般取值为(10～15)d，d为钻孔直径，d=250mm，超深h一般取值为2.5m～3.75m。选取2m～3m超深，导致下一平盘台阶顶部虚货过多，对后期钻机穿孔造成困难，成孔易塌孔；电铲直接将2m的超深采走，也造成了底部平盘标高偏低。根据矿岩性质、穿孔设备、采装设备及炸药性能进行超深实验，将岩石硬度划分硬、中、软三等级，对穿孔超深进行修正。暂试行硬岩超深3m，中等超深2m，软岩超深1m。这样超深减少，在整体爆破量不变时，可减少单孔装药量，降低炸药单耗，效果也很好。②调整装药结构与充填高度。根据台阶岩层分布情况，适当的设计使用分段装药结构，再通过合理使用间隔器，可减少单孔装药量。在降低单耗的同时，又实现了爆破效果的提升。根据穿孔区顶部岩石性质和分布厚度，适当调整充填高度，保证不出现大块的前提下，适当增加充填高度，也能降低炸药单耗。③对孔网参数进行调整。可根据台阶岩性结构变化，及时调整孔网参数。利用卡调布孔软件平台，则能实现孔网参数0.1m的渐进变化。再通过多次观察台阶岩性变化情况，用单耗反算孔网参数，可将炸药单耗控制在0.40kg/m3以下的程度。
3）对爆后进行分析评价。在设计前和爆破后，技术人员应去现场反复观察，充分了解具体情况。可采取拍摄照片法总结每次设计的优点和问题，然后在后续设计中进行调整修正。在同一穿孔区内，根据岩石性质区域变化，这可设计不同的孔网参数、充填高度、超深和装药结构，从而实现科学精准的设计，既能保证有较好的爆破效果，还能节约可观的炸药，对降低爆破成本大有作用。
结论：露天煤矿在松动爆破设计和施工中，通过合理的调整穿孔区布置及其有关爆破参数，即可保证安全生产和满足生产要求，又能降低穿爆的炸药、能源消耗等，使生产成本得以降低。这主要体现在：①通过优化炮孔密集系数、超深、装药结构和相邻炮区衔接方式等系列技术措施的实施，使炸药单耗明显降低，节约成本显著。②技术创新方向得以确立。通过系列措施的优化，其技术成果也可以转化为生产力，进而实现了技术的创新和创新方向的明确。③在深孔台阶松动爆破实践中所取得的技术成果，也能为露天煤矿的发展提供可借鉴的重要意义，对实现可持续发展也意义重大。
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