青海木里煤礦凍土爆破大塊率控制措施

崔 旺 張紅峰 Tumenbayar. Badrakh-Yeruul 張建華 李 星

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.北方爆破工程有限責(zé)任公司)

青海木里煤礦凍土爆破大塊率控制措施

崔 旺1張紅峰2Tumenbayar. Badrakh-Yeruul1張建華1李 星2

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.北方爆破工程有限責(zé)任公司)

凍土爆破是木里煤礦開采工藝的重要環(huán)節(jié)，而爆破高大塊率已經(jīng)影響到礦山生產(chǎn)效益，針對木里煤礦高原凍土特性進(jìn)行分析，闡明凍土爆破大塊產(chǎn)生的部位和大塊率高的原因，對礦山爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定了合理的炸藥單耗，通過采用巖渣間隔裝藥方法，寬孔距、小排距的布孔方式及V型逐孔起爆網(wǎng)路，有效改善了爆破效果，降低了大塊率，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了成本，達(dá)到了預(yù)期目的。

凍土爆破 大塊率 間隔裝藥 寬孔距 小排距 V型起爆網(wǎng)絡(luò)

青海木里煤礦地處青藏高原祁連山山脈，河灘沉積盆地，海拔最低為4 075 m，最高超過4 350 m，為多年凍土地帶。凍土表層覆有15～25 cm的草皮，自上而下有黏砂土、角礫、碎石、塊石、風(fēng)化沉積砂巖，存在較多飽冰凍土和含土冰層，體積含冰量較高。礦山生產(chǎn)需要剝離大量凍土層，但礦山爆破技術(shù)落后，對凍土爆破認(rèn)識不夠，爆破中產(chǎn)生大量大塊[1]，嚴(yán)重影響礦山正常生產(chǎn)，亟需進(jìn)行凍土爆破技術(shù)優(yōu)化。

1 凍土層物理力學(xué)性質(zhì)

在非凍結(jié)狀態(tài)下，巖土具有不同程度的裂隙或?qū)永怼＝?jīng)過凍結(jié)之后，部分或全部裂隙被粘連，使巖土表現(xiàn)出很高的同一性，同時也使得巖土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了很大的變化。首先是其彈性模量成倍增長，其次是巖土對炸藥爆炸后所產(chǎn)生的拉伸力和剪切力的抗性增強(qiáng)[1]。

凍土的性質(zhì)從根本上取決于凍土的形成過程。凍土的形成過程實(shí)質(zhì)上是土中水結(jié)冰并將固體顆粒膠結(jié)成整體，使得物理力學(xué)性能發(fā)生質(zhì)變的過程。由于凍土是由固體礦物顆粒、黏塑性冰包裹體、未凍水和強(qiáng)結(jié)合水以及氣態(tài)包裹體組成的復(fù)雜四相體，所以凍土性質(zhì)比較復(fù)雜。凍土作為一個整體主要是內(nèi)部聯(lián)結(jié)作用的結(jié)果，一是巖土顆粒接觸處的純分子聯(lián)結(jié)作用；二是冰膠結(jié)聯(lián)結(jié)作用，它幾乎完全制約了凍土的強(qiáng)度與變形性質(zhì)；三是結(jié)構(gòu)構(gòu)造聯(lián)結(jié)作用。這3種作用相互存在[2]，使得凍土對炸藥爆炸能力吸收不同于巖土。

2 凍土的可爆性分析

2.1 凍土可爆性的影響因素

凍土的爆破性與物理力學(xué)指標(biāo)(抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、壓縮模量、壓縮系數(shù)、波速、凍土溫度、凍土成分和含冰量等)有關(guān)，也與爆破沖量大小、作用時間和作用形式有關(guān)[3]。其中主要體現(xiàn)凍土可爆性的參數(shù)是其抗拉強(qiáng)度和波速。此外，凍土溫度適當(dāng)降低，其可爆性會較好。

2.2 凍土自身強(qiáng)度分析

在一定范圍內(nèi)，凍土的抗壓強(qiáng)度與負(fù)溫絕對值呈線性關(guān)系[4]。前蘇聯(lián)學(xué)者建議采用下述2個公式計算飽和凍砂土的極限抗壓強(qiáng)度：

σ=1.079t-0.015t2+1.961 ,

(1)

σ=0.785t+1.961 ,

(2)

式中,σ為凍土抗壓強(qiáng)度，MPa;t為凍土溫度，取負(fù)溫絕對值，℃。

凍土抗拉強(qiáng)度是其抗壓強(qiáng)度的50%～80%。

試驗(yàn)表明，當(dāng)正應(yīng)力小于10 MPa時，凍土的抗剪強(qiáng)度可用摩爾-庫倫表達(dá)式描述：

τ=c+σtanφ,

(3)

式中，τ為凍土的抗剪強(qiáng)度，MPa;c為凍土的黏結(jié)力，MPa;σ為正應(yīng)力，MPa;φ為凍土的內(nèi)摩擦角，(°)。

3 凍土爆破大塊原因分析

木里煤礦中鐵礦區(qū)近期進(jìn)行了2次凍土爆破。采用導(dǎo)爆管雷管，簇連法連接，孔內(nèi)5段，孔外4段，見圖1。

第一次爆破使用3#多孔粒狀銨油炸藥，用2#乳化炸藥作起爆彈，炸藥總藥量為3.6 t，其中多孔粒狀銨油炸藥3.3 t，乳化炸藥0.3 t，單孔藥量為33 kg，爆破總方量為6 111 m3，計算得炸藥單耗為0.54 kg/m3。第一次爆破參數(shù)見表1。

圖1 原起爆網(wǎng)路

表1 第一次爆破參數(shù)

爆破后，大塊較多，主要集中在前排孔和爆區(qū)表層，塊度較大，最大直徑超過2.5 m。

第二次也使用3#銨油炸藥，2#乳化炸藥作為起爆彈，每孔填裝90 kg銨油炸藥，并加一根3 kg乳化炸藥，單孔裝藥為93 kg，160個炮孔，銨油炸藥為14 520 kg，乳化炸藥為480 kg，實(shí)際使用總藥量為15 000 kg，爆破方量約3 400 m3,實(shí)際炸藥單耗為0.44 kg/m3。第二次爆破參數(shù)見表2。

表2 第二次爆破參數(shù)

第二次爆破效果欠佳，大塊率高，塊度大，爆堆表層幾乎覆滿大塊。

2次爆破實(shí)踐表明，凍土爆破大塊產(chǎn)生的主要部位為前排炮孔臨空面、表層黏砂土、孔網(wǎng)面積偏大的中間部位，對應(yīng)圖2中的1、2、3區(qū)域[5]。

圖2 爆堆形成結(jié)構(gòu)示意

前一次爆破的后沖作用很大，致使前排自由面產(chǎn)生擴(kuò)張裂隙，爆破時，前排自由面沒有阻擋，失去了爆破擠壓和碰撞，導(dǎo)致圖2中1區(qū)域處直接脫落成大塊。

起爆網(wǎng)路采用簇連法同時起爆，后排炮孔夾制作用很大，5 m×5 m孔排距導(dǎo)致炮孔負(fù)擔(dān)面積過大，致使后一次爆破如圖2中3區(qū)域處產(chǎn)生大塊。

如圖3所示，孔深8 m，裝藥4 m，堵塞4 m，導(dǎo)致炸藥集中在角礫層以下，爆破能量主要集中在碎石層和塊石層。角礫層是由黏砂土、角礫、未凍水、包裹冰等組成，由于水和冰的作用，如同形成一層混凝土，堅硬完整，炸藥爆炸上傳的能量大部分被該層吸收，導(dǎo)致上部厚實(shí)的黏砂土不能被破碎，黏砂土層只是在爆腔膨脹過程中產(chǎn)生一些拉伸裂隙，并在爆堆坍塌時由于自重震裂成大塊。

圖3 凍土臺階裝藥示意

如圖4所示，大塊基本上覆在爆堆上，給采裝設(shè)備作業(yè)帶來極大困難，挖機(jī)需要推開大塊才能進(jìn)行挖掘裝運(yùn)，嚴(yán)重影響作業(yè)效率，而且上覆的大塊含冰量、含水量很高，經(jīng)過一夜之后，上覆的大塊又會重新結(jié)成整體，形成一個堅硬的“殼”，覆蓋在爆堆之上，導(dǎo)致挖機(jī)無法作業(yè)。由于形成的硬“殼”里有很多裂隙、空洞，導(dǎo)致二次破碎的難度很大。

圖4 凍土爆堆示意

4 降低大塊率的優(yōu)化措施

解決大塊問題, 關(guān)鍵是根據(jù)礦巖性質(zhì)和破碎機(jī)理進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化，充分發(fā)揮爆破效能，提高爆破能量利用率。影響爆破作用的因素很多,歸納起來主要有3 個方面：巖石特性、炸藥性能、爆破參數(shù)，其中爆破參數(shù)中的孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破網(wǎng)絡(luò)、起爆順序等對爆破作用的影響最大，另外孔徑、孔深、超深、抵抗線、孔距、排距、堵塞長度、單位炸藥消耗量等參數(shù)也是直接影響爆破質(zhì)量的重要因素。參數(shù)間的合理搭配牽涉到炸藥能量的時空分布和合理利用，對爆破提高效率、降低成本有重要的作用。

礦山采用2款履帶式潛孔鉆機(jī)，鉆孔直徑分別為115，200 mm。選用普通導(dǎo)爆管雷管，段別為1～10段。基于以上對凍土爆破大塊產(chǎn)生原因的分析，對現(xiàn)有的爆破參數(shù)進(jìn)行必要的優(yōu)化。

4.1 炸藥單耗的優(yōu)化

炸藥單耗是控制爆破效果的重要參數(shù)，偏小時，爆破塊度大，留根底；偏大時，爆堆拋散范圍大，不集中，且易產(chǎn)生飛石。因此，合理選取炸藥單耗非常重要，不僅影響爆破質(zhì)量，而且關(guān)系到采礦成本。

炸藥單耗取決于以下幾個因素：巖石可爆性能、炸藥威力、裝藥填塞情況、爆破開挖要求。

根據(jù)2次爆破效果看，炸藥單耗偏低。通過幾次爆破測算，確定凍土爆破單耗為0.55 kg/m3。

4.2 裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

采用間隔裝藥可以改善爆破質(zhì)量，減小孔口不裝藥部分的長度，降低大塊率。

間隔裝藥時，應(yīng)該把大部分炸藥裝在梯段爆破阻力最大的地方，孔中不裝藥部分要選擇在距梯段坡面最近之處(即抵抗線小的方)，或爆炸氣體可能沿弱面逸出的地方。

該礦大塊產(chǎn)生的主要部位就是上部黏砂土層，主要原因是裝藥長度過短，導(dǎo)致炮孔上部的凍土沒有足夠能量得到破碎。因此，采用巖渣間隔裝藥，提升裝藥高度，能有效降低大塊率[6]。見圖5。施工過程中保證堵塞質(zhì)量，避免沖炮造成能量損失。

圖5 間隔裝藥示意

4.3 孔網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化

在保持每孔負(fù)擔(dān)爆破面積不變的情況下，采用寬孔距、小排距的布孔方式，適當(dāng)增加孔距、縮小排距能有效減少大塊和根底的產(chǎn)生。

礦山凍土爆破選用200 mm孔徑，8 m孔深，93 kg 單孔藥量，根據(jù)公式

S=Q/(Hq) ，

(4)

式中，S為單孔負(fù)擔(dān)面積,m；Q為單孔裝藥量,kg；H為臺階高度,m；q為炸藥單耗,kg/m3。

計算得出每孔負(fù)擔(dān)面積為21 m2，炮孔密集系數(shù)m取1.45，因此孔排距為5.5 m×3.8 m。

采用三角形布孔，逐孔起爆技術(shù)，先爆炮孔為后爆炮孔多創(chuàng)造一個自由面，爆炸應(yīng)力波靠自由面充分反射，相鄰炮孔相互碰撞、擠壓，增強(qiáng)巖石二次破碎，同段起爆藥量小，控制爆破震動。V型逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)見圖6。

圖6 V型逐孔起爆網(wǎng)路示意

4.4 優(yōu)化后的爆破效果評價

采用優(yōu)化后的設(shè)計參數(shù)，嚴(yán)格組織施工，通過幾次爆破實(shí)踐，前排和表層凍土幾乎沒有大塊，爆破后巖石破碎塊度均勻，大塊率符合工程的要求；爆堆集中，便于裝載，堆積范圍、形態(tài)和堆積位置均符合設(shè)計要求；并且有效降低了爆破振動。

5 結(jié) 語

針對木里煤礦的地質(zhì)情況，分析了高原凍土的特性，對凍土爆破大塊產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，得出大塊產(chǎn)生的主要部位和原因，對原有爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過確定合理炸藥單耗，使用間隔裝藥方法，采用寬孔距、小排距的逐孔起爆方式，能有效控制凍土爆破大塊率，提高了礦山生產(chǎn)效率，節(jié)省生產(chǎn)成本，取得了理想的效果。

[1] 陳 斌,劉學(xué)武.凍土爆破方法[J].露天采煤技術(shù),1997(1):22-24.

[2] 馬芹永.凍土爆破性的初步研究[J].焦作礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,1995,14(6):65-70.

[3] 馬芹永.凍土爆破性的綜合評價[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,1999,18(3):301-305.

[4] 汪旭光.爆破設(shè)計與施工[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2013.

[5] 師雪嬌,彭 超.淺析黃麥嶺磷礦露天爆破大塊產(chǎn)生的原因及解決措施[J].爆破,2012,29(1):48-50.

[6] 王玉杰.爆破工程[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2007.

2014-10-17)

崔 旺(1990—)，男，碩士研究生，430070 湖北省武漢市。