用二氧化碳爆破技术开采某石灰石矿的大理石材

王 军 肖永胜

(1.京能电力后勤服务有限公司；2.内蒙古科技大学矿业学院)

用二氧化碳爆破技术开采某石灰石矿的大理石材

王 军1,2肖永胜1

(1.京能电力后勤服务有限公司；2.内蒙古科技大学矿业学院)

某小型露天矿山石灰石与大理石矿共生，密集块状大理石镶嵌于石灰石角砾岩之中，传统炸药爆破法开采对大理石破坏作用严重，荒料率较低，浪费了大理石资源。为提高大理石荒料率，用二氧化碳爆破技术替代传统的炸药爆破技术后，荒料率从此前的10.3%提高至现在的17.1%，产品的附加值大幅度提高，每年为企业增加经济效益274.4万元，且显著减少了爆破飞石和烟尘对安全和环境的影响。

二氧化碳爆破 炮孔间距 爆破效果 经济效益

使用液态二氧化碳对介质进行破坏是美国人朗艾尔·道克斯[1]首先提出并尝试的，到20世纪80年代开始迅速发展，逐步应用到爆破震源、金属制品成型、地下矿山、露天矿山开采等领域，成为一种有潜力的新型爆破器材。二氧化碳爆破技术最初在矿山开采中的应用，是由于二氧化碳稳定的化学性质，替代炸药爆破，用于地下煤矿爆破落煤，可有效地控制爆破火花的产生，从而避免瓦斯、煤尘爆炸[2]；随后，该技术推广到地下高瓦斯煤矿的瓦斯爆破导引释放、巷道轮廓预裂成型等，深受地下矿山青睐。进入21世纪，国内二氧化碳爆破器材生产商逐步涌现(主要部件仍然依靠进口)，运用范围进一步拓宽，从地下矿山开采拓展到露天矿山开采，从煤矿领域跨越到非煤矿山，出现了很多非煤矿山运用的成功范例。当前，二氧化碳爆破技术虽已在矿山应用，但其成熟度不足，仍处在不断成长和发展阶段。

1 二氧化碳爆破筒及中深孔爆破原理

1.1 二氧化碳爆破筒

气态二氧化碳通过高压、低温压缩为液态二氧化碳，用高压泵将液态二氧化碳打入抗高压爆破筒内，爆破筒内装有安全膜、破裂片、导热棒和密封圈等原件，旋上合金帽即完成对单支爆破筒的二氧化碳装填工作。现场爆破时，将电路正常的爆破筒插入钻孔中固定好，然后连接起爆器和电源。当微电流通过高导热棒时，产生高温击穿安全膜，瞬间将液态二氧化碳气化，急速膨胀的二氧化碳气体产生高压冲击波致泄压阀自动打开，从排气孔冲出，对被爆破介质做功，并最终实现对被爆介质的贯穿、破坏。单枝爆破筒结构见图1。

图1 单枝爆破筒结构示意

1.2 二氧化碳中深孔爆破原理

每支爆破筒的顶端和末端都有螺纹，按照设计数量将二氧化碳爆破筒逐支旋紧连接，并缓慢送入预先穿成的孔内，用细砂填充爆破筒与炮孔间隙，并用炮泥紧密填塞孔口，检查组合爆破筒的导通后连接导线、起爆器起爆。

爆破筒是抗高压特种器具，成本较高，一般要回收重复使用，为保护爆破筒，正常情况下采用单排孔齐发爆破，尽量降低爆破对爆破筒的损伤。电起爆网络采用可靠并联网络，确保每支爆破筒能够同时起爆。由于目前爆破筒的管径比较单一，存储液态二氧化碳有限，当单排爆破管能量不足时，对大孔径的炮孔，有时单孔布置双排爆破筒，增大对介质的破坏作用。

1.3 二氧化碳爆破的优缺点

在民用爆破领域，当前的主流爆破法有物理爆破法和化学爆破法。二氧化碳爆破法属于物理爆破，炸药爆破属于化学爆破。由于二氧化碳爆破对被爆介质做功的主要能量来源为液态二氧化碳汽化的膨胀能，与炸药爆破相比，具有爆破地震波小，飞石少且近，扬尘小，易于控制，安全性好等优点，因而特别适合在易燃易爆矿山使用；其缺点是爆破筒装填工艺和现场施工均较复杂，且爆破能量有限，对炮孔质量要求较高。

2 二氧化碳爆破技术的应用

2.1 爆破条件

某小型石灰石、大理石共生露天矿为太古代乌拉山岩群二岩段大理岩，层状(似层状)分布，走向东西近170°、倾向西南约80°，倾角在10°～18°，矿床地形北高南低。矿床成因类型应为浅海相化学沉积矿床，主体大理岩矿石抗压强度为55.03～73.38 MPa，抗拉强度为2.45～4.38 MPa，原岩平均密度为2.35 t/m3，属较坚硬岩石，矿区岩石物理力学性能见表1。

矿体受后期地质作用影响明显，连续性较差，表现为密集块状大理石镶锲于石灰石碎屑角砾岩中，节理、裂隙发育。采场大理石主要化学成分为CaCO3，含量超过90%，开采大理石剩余的渣屑，仍能满足电厂烟气脱硫对石灰石中CaCO3的品位要求。

表1 矿区岩石物理力学性能

采场台阶高度6 m，表土层已剥离，台阶坡面角75°，台阶坡面上无结存爆堆。

2.2 穿孔爆破

为实现爆破筒的重复利用，爆区采用单排孔布置，电起爆网络采用并联双回路连线，使用电压为9 V的安全起爆器，所有炮孔齐发。爆破参数如下：

①孔径,使用矿山自有小型潜孔钻机穿孔，孔径90 mm；②炮孔深度及倾角,炮孔孔深6 m，与作业面呈90°；③炮孔孔距,为保护大理石的整体性，孔距为5 m；④炮孔距台阶坡顶线距离为2 m，台阶坡顶线平直；⑤炮孔底盘抵抗线2～4 m；⑥爆破筒的装填,将每根长1 m的爆破筒逐次顺螺纹旋紧送入孔内，并检查导通；⑦不偶合系数,比照传统爆破算法，爆破筒直径为75 mm，炮孔直径为90 mm，不耦合系数为1.2；⑧堵塞,用细砂密实填充爆破筒与炮孔壁之间的间隙，上部0.5 m用炮泥堵塞；⑨使用万用表再次检查各炮孔爆破筒导通状况；⑩用导线连接各炮孔，连接起爆器；警戒起爆。

2.3 爆破效果

爆破效果见图2。

图2 二氧化碳爆破效果

爆破后岩体没有大幅整体位移，只在炮孔周边自上而下拉开了横向和纵向裂隙，采用大型反铲挖掘机采掘时，沿着裂隙逐步将大块的大理石采出，剩余的碎块和细屑作为石灰石制粉原料，用于电厂烟气脱硫。

3 二氧化碳爆破与炸药爆破效果对比

该矿采用二氧化碳爆破后，大理石荒料率大幅度提高，爆破成本明显下降，降低了传统爆破法所特有的负面效应，具体见表2。

表2 二氧化碳爆破与炸药爆破效果对比

4 二氧化碳爆破与炸药爆破的经济对比

众所周知，大理石荒料的价值远高于石灰石石料。该矿平均年采掘矿石5万m3(折合原岩体积，包括大理石荒料)，引进二氧化碳爆破后，大理石荒料率大幅提高，爆破成本大幅下降，虽然采掘成本有所提高，仍然取得了良好的经济效益。

4.1 爆破成本

4.1.1 二氧化碳爆破成本

(1)单次爆破成本。按单排10个孔、孔距5 m、孔深6 m计，爆破成本

C1=N1ML+N1K=1 400元，

(1)

式中，C1为爆破成本，元；N1为爆破孔数，个；M为单孔爆破筒数，根；L为单根爆破筒内置耗材， 元/根；K为单孔二氧化碳消耗，元/孔。

(2)单次爆破量。

T1=NZDS1=750 m3，

(2)

式中，T1为10个孔爆破量，m3；Z为炮孔抵抗线，m；D为炮孔间距，m；S1为台阶高度，m。

(3)爆破单耗。

H1=C1/T1=1.87元/m3.

(3)

4.1.2 炸药爆破成本

(1)单次爆破成本。以10个孔、孔网参数为4m×5m、孔深6m计，爆破成本

C2=ERN2+N2P=4 050元 ，

(4)

式中，C2为炸药爆破成本，元；E为炸药单价， 元/kg；R为单孔装药量，kg；N2为炮孔个数，个；P为单孔起爆器材费用，元/孔。

(2)每次爆破量。

T2=N2UAS2=1 200 m3，

(5)

式中，T2为10个孔爆破量，m3；U为炮孔孔距，m；A为炮孔排距，m。

(3)爆破单耗。

H2=C2/T2=3.37元/m3.

(6)

4.1.3 年爆破成本下降产生的效益

年爆破成本下降产生的效益

W1=Q(H2-H1)=7.5万元/a ,

(7)

式中，W1为爆破成本下降产生的效益，万元/a；Q为采矿量，万m3/a。

4.2 年采掘成本提高

采用二氧化碳爆破后，挖掘机效率下降，油耗和故障率有所提高，统计表明，与炸药爆破法相比，折合原岩采掘成本上升了1.02元/m3，由此增加成本5.1万元/a。

4.3 年荒料率提高产生的效益

年荒料率提高产生的效益

W2=Q(V2-V1)K=272万元/a ,

(8)

式中，W2为荒料率提高产生的效益，万元/a；V2为采用二氧化碳爆破后的荒料率，17.1%；V1为采用炸药爆破的荒料率，10.3%；K为大理石荒料单价，800元/m3。

4.4 年经济效益汇总

采用二氧化碳爆破后的年经济效益为

W1-5.1+W2=274.4万元/a.

(9)

5 总结与展望

(1)某小型石灰石、大理石共生露天矿采用二氧化碳爆破技术替代传统的炸药爆破技术，使大理石荒料率从10.3%提高至17.1%，企业的经济效益提高274.4万元/a，且减少了飞石和烟尘对安全和环境的影响。

(2)随着二氧化碳爆破技术的不断发展，二氧化碳爆破筒直径和形状将逐步系列化，蓄积能量变得更具可调性，爆破筒之间的连接方式也将更加安全便利，多排孔爆破的实现将有利于爆破规模的扩大和向金属矿山开采领域扩展。

[1] 郭志兴.液态二氧化碳爆破筒及现场试爆[J].爆破，1994(3):72-74.

[2] 聂 政.二氧化碳炮爆破在煤矿的应用[J].煤炭技术,2007(8)：24-25.

Marble Stone is Mined in a Limestone Mine Based on Carbon Dioxide Blasting Technology

Wang Jun1,2Xiao Yongsheng2

(1.Beijing Energy Logistics & Services Co., Ltd.;2.Institute Of Mining,Inner Mongolia University of Science And Technology)

Limestone and marble mine symbiosis in a open-air mine,the dense block marble is embedded in lime above conglomerate, marble damages of the traditional blasting technology is serious,the raw material ratio is low,so,the marble resources is wasted.In order to enhance the raw material ratio,the traditional blasting technology is replaced by the carbon dioxide blasting technology,so,the raw material ratio is enhance from10.3%to 17.1%,the added values of the products is improved greatly,the company economical benefit is increased 2.744 million yuan,besides that,the influences of the blasting slungshot and soot to safety production and environment is reduced significantly.

Carbon dioxide blasting technology, Hole spacing, Blasting effect, Economic benefit

2015-05-12)

王 军(1969—)，男，副经理，高级工程师，硕士研究生，010000 内蒙古呼和浩特市金桥开发区。