特殊地質(zhì)條件下露天礦爆破質(zhì)量提升措施

呂文偉，王元清

（中國神華哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

爆破工程是露天礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最重要的工序之一，若爆破效果不佳，產(chǎn)生大塊和根底，就需要進行二次爆破或機械破碎，不僅會導(dǎo)致采挖效率降低。還會引起生產(chǎn)成本的增加。如何降低爆破產(chǎn)生大塊和根底，提高爆破質(zhì)量，國內(nèi)諸多學(xué)者進行了研究并提出了方法，任少峰[1]對新疆別斯庫都克露天煤礦臺階爆破的生產(chǎn)實踐進行了研究，結(jié)果表明：采用深孔、淺孔聯(lián)合布置的方式，同時改善裝藥結(jié)構(gòu)，能有效的降低大塊率，減少爆破大塊的產(chǎn)生。高毓山等介紹了氣體間隔裝藥爆破法在南芬露天礦的試驗情況[2]，試驗表明：氣體間隔裝藥爆破法可提高爆破質(zhì)量，降低炸藥單耗，節(jié)約了炸藥成本。譚曉梅針對花崗巖表層為孤石群與下層為層狀巖的復(fù)合巖性爆破，提出采用深孔與淺孔聯(lián)合布置炮孔進行爆破，有效的解決了大塊率過高的問題[3]。璩世杰等對比了底部空氣間隔裝藥和中部間隔裝藥等方法的爆破作用原理和爆破效果[4]；朱寬通過有限元分析軟件LS－DYNA 分析了分層裝藥結(jié)構(gòu)對煤層底板的應(yīng)力分布的影響[5]。

針對“上硬下軟”、“上軟下硬”這種復(fù)合巖層地質(zhì)條件，結(jié)合前人的研究成果，提出降低大塊率及根底出現(xiàn)概率的方法，結(jié)合哈爾烏素露天煤礦生產(chǎn)實踐，得出有效控制根底出現(xiàn)概率的爆破方案。

1 產(chǎn)生大塊和根底的原因分析

1）爆破區(qū)域巖石強度過大，加之前排孔底盤抵抗線較大，此時爆破形成的爆破漏斗不能完全覆蓋到臺階下部，爆破能量不足以破碎臺階下部區(qū)域巖石，導(dǎo)致根底的出現(xiàn)[6]。

2）露天采場作業(yè)環(huán)境受天氣、人員、設(shè)備等的影響，穿孔作業(yè)受環(huán)境等因素影響，常常與設(shè)計不是完全相符，若孔距和排距過大時，爆破能量不能貫通整個爆破區(qū)域的巖石，極易造成大塊及根底的出現(xiàn)。

3）節(jié)理裂隙發(fā)育的巖體爆破時，一方面爆破作用產(chǎn)生的能量使裂隙進一步擴張，爆生氣體過早泄露導(dǎo)致作用減弱；另一方面，應(yīng)力波受節(jié)理面反射、透射作用，同樣也將導(dǎo)致應(yīng)力作用減弱，導(dǎo)致爆破效果不佳，可能形成大塊[7]。

4）爆破區(qū)域受上次爆破作用地表已形成裂隙，穿孔作業(yè)按照安全作業(yè)規(guī)程要求，前排孔抵抗勢必會增大，爆破作業(yè)后上部巖體不易破碎，出現(xiàn)大塊。

5）炮孔充填長度也會影響爆破能量的利用率。充填長度過長時，炸藥能量主要作用于臺階下部，上部巖體不能破碎形成大塊；充填長度較短時，炸藥能量很有可能從炮孔泄露，直接減弱作用效果，導(dǎo)致大塊出現(xiàn)[8]。

6）受水文地質(zhì)條件影響，部分炮孔含水，通常露天礦會在炮孔底部放置空氣間隔器，這樣藥柱重心上移，臺階下部能量作用不足，巖石未破碎，極有可能出現(xiàn)根底。

2 哈爾烏素露天煤礦工程地質(zhì)概況

2.1 礦區(qū)工程地質(zhì)概況

哈爾烏素露天煤礦礦區(qū)巖石類型主要有泥巖、粗粒砂巖、中粒砂巖和細粒砂巖，地表賦存大量黃土，呈松散狀態(tài)分布，泥巖、砂巖互層分布，巖層變化無規(guī)律可循，礦區(qū)巖石可爆性總體較好。主要巖石物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 主要巖石物理力學(xué)性質(zhì)

哈爾烏素露天煤礦剝離臺階高15 m，工作幫臺階坡面角接近90°，巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙較為發(fā)育，經(jīng)過多年爆破經(jīng)驗總結(jié)，剝離采用的鉆孔直徑分別為310、250 mm，孔網(wǎng)參數(shù)為12 m × 8 m 和13 m × 6 m，巖層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，常導(dǎo)致大塊或者根底出現(xiàn)。

2.2 特殊地質(zhì)概況

礦區(qū)內(nèi)巖層變化呈各向異性，各水平工作面巖性變化較大，個別區(qū)段會出現(xiàn)相對比較特殊的地質(zhì)特征：①是臺階上部巖石硬度比較大，不易破碎，下部巖石硬度較低，以下簡稱該地質(zhì)情況為“上硬下軟”；②是臺階上部巖石硬度較低，下部巖石硬度較高，該地質(zhì)情況簡稱為“上軟下硬”。通過現(xiàn)場爆破作業(yè)效果分析，發(fā)現(xiàn)特殊地質(zhì)對爆破效果影響非常大?！吧嫌蚕萝洝钡刭|(zhì)特征出現(xiàn)時，上部巖石不易破碎，由于節(jié)理裂隙發(fā)育，極易產(chǎn)生大塊，“上軟下硬”是下部巖層較硬，巖石不易破碎，因此，容易產(chǎn)生根底。特殊地質(zhì)條件地質(zhì)特征如圖1。

3 特殊地質(zhì)情況下爆破質(zhì)量提升措施

3.1 “上硬下軟”巖石臺階爆破質(zhì)量提升措施

圖1 特殊地質(zhì)條件地質(zhì)特征

1）調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)。在出現(xiàn)“上硬下軟”這種特殊地質(zhì)情況的工作面，采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)（圖2），提高炮孔藥柱重心，爆破能量可作用于上部巖層，進而破碎上部硬巖，避免大塊出現(xiàn)。

2）加密深孔套淺孔布置。由于硬巖位于爆破臺階上部，可以采用加密短孔布孔方式，深孔和淺孔又分別按照三角形分布。長短孔布置示意圖如圖3。

圖2 上部硬巖、下部軟巖分段裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 長短孔布置示意圖

根據(jù)上部硬巖高度情況，淺孔深度范圍取0.7～0.8 倍的硬巖深度。因為淺孔的深度達到或接近硬巖深度時，炸藥的爆破能量將大部分作用于硬巖的下部和下部軟巖，這樣硬巖層得不到有效破碎。若淺孔深度過小時，充填長度將縮短，炸藥的爆破能量會從孔口釋放，削弱對硬巖的爆破作用[9]。所以淺孔深度應(yīng)選擇在0.7～0.8 倍的硬巖深度范圍，孔底硬巖留有0.2～0.3 倍硬巖深度的抵抗，上部充填留有0.3～0.4 倍的有效填充長度，這樣就滿足了藥柱長度與充填長度的比例要求。另一方面如果硬巖厚度較小，在裝藥和充填高度方面很難確保爆破安全，可以嘗試僅采用加密布置短孔但不裝藥。利用爆破沖擊波在短孔孔壁自由面發(fā)生反射作用，加強對孔壁周圍巖體的破碎效果。

3）提高充填密實度。炮孔填充主要是保證爆破氣體不從孔口沖出，有效保證爆生氣體對巖石的作用時間，爆破能量作用于圍巖[10]。露天礦多采用炮孔充填機進行炮孔填充作業(yè)，1 次作業(yè)完成1 個炮孔的填充，充填密實度不能得到保證。尤其是在炮孔含水的情況下，炮孔巖粉在水浮力作用下，密實度會大大降低，極易在爆破過程中產(chǎn)生“沖天炮”。因此，提高炮孔充填密實度，可有效保證爆破效果。

4）適當(dāng)采用壓渣爆破。壓渣爆破可充分利用已爆區(qū)域的巖石形成碰撞和擠壓效果，提高巖石的破碎效果，對于“上硬下軟”地質(zhì)情況，上層硬巖由于受壓渣影響，出現(xiàn)大塊的概率會有較為明顯的降低。

3.2 “上軟下硬”巖石臺階爆破質(zhì)量提升措施

根底產(chǎn)生主要是因為爆破能量未能作用于臺階下部巖體，巖體未破碎，電鏟在采掘時由于巖石未破碎只得抬高勺斗，導(dǎo)致工作平盤出現(xiàn)根底。減少根底出現(xiàn)的措施主要有以下幾項：

1）加大超深，尤其保證含水孔超深部位裝藥。由于臺階下部巖石比較硬，若以正常超深鉆孔，爆破能量不足以充分破碎巖石，加大超深距離，爆破漏斗交叉密集就能破碎巖石。國內(nèi)大部分露天礦都會遇到含水的情況，通常炮孔含少量水會在孔底放置空氣間隔器，上部再繼續(xù)裝銨油炸藥，而且大部分炮孔含水主要是由含水巖層滲入，即使加大超深對降低炮孔含水標(biāo)高效果微乎其微。因此，這種情況下，為保證爆破質(zhì)量，唯有將原含水孔“下部空氣間隔上部裝銨油炸藥”調(diào)整為“下部含水部位裝乳化炸藥加空氣間隔上部裝銨油炸藥”，這樣能充分保證炮孔超深，含水炮孔裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖如圖4。另一方面，在保證了下部裝藥重心以外，在臺階下部為硬巖條件下還應(yīng)盡量控制使臺階坡底部分處于最下部藥包的最小抵抗線范圍以內(nèi)，能充分保證在炸藥能量釋放前對底盤抵抗的作用時間和效果，克服前排根底。同時，在后排根底嚴(yán)重的情況下也應(yīng)該適當(dāng)增加后排炮孔超深。

圖4 含水炮孔裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖

2）減小排距和底盤抵抗線。排距或底盤抵抗線過大也是產(chǎn)生根底的另一因素，因前排孔臨空面為傾斜坡面，最低裝藥部位的最小抵抗線方向下方容易產(chǎn)生根底[11]。如果在保證同等炮孔長度和裝藥長度的條件下，減小前排孔至坡面的距離，則產(chǎn)生根底的部位和剖面上根底面積會明顯降低。因此，應(yīng)在保證鉆機作業(yè)安全所需的最低安全距離條件下，減小鉆機至臺階坡頂線的距離。另一方面，堅硬巖石間排距過大也是導(dǎo)致出現(xiàn)根底的重要因素。因此，應(yīng)針對易出現(xiàn)根底的爆區(qū)降低排距，炮孔位置調(diào)整對應(yīng)最小抵抗線方向示意圖如圖5。

3）提高填充密實度。提高充填密實度就是有效提高炸藥爆破能量作用于圍巖，充分破碎巖石。

圖5 炮孔位置調(diào)整對應(yīng)最小抵抗線方向示意圖

4）孔網(wǎng)參數(shù)調(diào)整方案。露天礦爆破孔網(wǎng)參數(shù)大多是生產(chǎn)現(xiàn)場多次爆破總結(jié)經(jīng)驗所得，主要適用于正常巖層賦存狀態(tài)下的炮區(qū)，如遇到特殊地質(zhì)情況，可對爆破設(shè)計中的孔網(wǎng)參數(shù)進行調(diào)整，提高爆破質(zhì)量。

4 爆破效果

以哈爾烏素露天煤礦工程實例為研究背景，通過調(diào)研大塊及根底出現(xiàn)的原因，就特殊地質(zhì)條件下的爆破工程效果采取提升措施，并進行效果分析。

4.1 “上硬下軟”巖石臺階爆破效果

選取出現(xiàn)“上硬下軟”這種特殊地質(zhì)條件巖石臺階，采取改善改善裝藥結(jié)構(gòu)方案和采用壓渣爆破及提高充填密實度措施，軸向分段裝藥，在保證充填密實度的情況下，盡可能將藥柱接近于上部硬巖，并配合15 m 壓渣爆破?，F(xiàn)場爆破后該區(qū)域達到了“爆破后超限大塊每萬m3不應(yīng)超過0.5 塊”的要求。

4.2 “上軟下硬”巖石臺階效果

哈爾烏素露天煤礦常出現(xiàn)“上軟下硬”地質(zhì)條件，導(dǎo)致工作面根底頻發(fā)。通過改變超深、排距等爆破設(shè)計參數(shù)，進而改變炸藥單耗，研究爆破質(zhì)量變化。首先，定義出現(xiàn)根底面積與爆區(qū)面積比值為“根底率”，通過現(xiàn)場實施爆破質(zhì)量提升措施后，獲得各措施對應(yīng)根底發(fā)生率，并以此進行級差分析，確定各參數(shù)對根底發(fā)生的影響排序，進而提出優(yōu)化方案?！吧宪浵掠病睅r石臺階質(zhì)量提升方案及效果統(tǒng)計見表2。

對各措施進行極差分析：

1）計算每個因素中各水平試驗結(jié)果之和Ki。

式中：K 為各因素試驗結(jié)果之和；i 為水平標(biāo)高值；M 為同一列中與i 水平有關(guān)的試驗結(jié)果。

2）計算每個因素中各個水平的平均效果ki。

表2 “上軟下硬”巖石臺階質(zhì)量提升方案及效果統(tǒng)計

式中：Ki為各因素各水平試驗結(jié)果之和；i 為水平標(biāo)高值，m；N 為同一列中與i 水平的重復(fù)次數(shù)。

3）計算極差R。

式中：Ki為各因素各水平試驗結(jié)果之和；ki為各個因素中各個水平的平均值。

極差計算結(jié)果見表3。

表3 極差計算結(jié)果

極差越大，表示該列因素的數(shù)值在試驗范圍內(nèi)的變化，會導(dǎo)致試驗指標(biāo)在數(shù)值上有更大的變化，所以極差最大的那一列，就是因素的水平對試驗結(jié)果影響最大的因素，也就是最主要的因素。

根據(jù)因素水平的變化對試驗結(jié)果的平均值的影響，得出的因素－效果趨勢如圖6。

因此，結(jié)合極差分析結(jié)果和趨勢圖可以看出，在試驗范圍內(nèi)，增加炸藥單耗、加大超深和降低排距能夠起到降低根底率的效果。

5 結(jié)語

針對于哈爾烏素露天煤礦出現(xiàn)的特殊地質(zhì)條件以及露天礦爆破質(zhì)量要求，降低大塊的有效措施有采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)、深孔套淺孔布置、壓渣爆破等，減少根底出現(xiàn)的措施有加大超深、較小抵抗線、調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)等。現(xiàn)場“上硬下軟”臺階采用間隔裝藥和壓渣爆破后，大塊數(shù)量下降明顯，“上軟下硬”臺階通過提高炸藥單耗、加大超深和減小排距可有效降低根底率。

圖6 因素水平對效果影響趨勢