露天煤矿高温爆破施工工艺与组织管理*

崔晓荣

(1.宏大矿业有限公司，广州 510623；2.广东宏大爆破股份有限公司，广州 510623)



露天煤矿高温爆破施工工艺与组织管理*

崔晓荣1,2

(1.宏大矿业有限公司，广州 510623；2.广东宏大爆破股份有限公司，广州 510623)

摘要:为了安全高效地实施高温爆破作业，对高温爆破的安全保障措施、施工工艺流程和现场组织管理进行了研究和分析。首先，通过综合分析煤层自燃露天矿山地质条件、开采成本、施工效率、爆破器材性能等因素，提出从控制高温爆破环境、提高爆破器材耐热性能和优化爆破施工工艺三个方面共同构筑防火墙保障施工安全；其次，分析了高温爆破作业的施工工艺流程，其核心一是要进行大量的专项准备工作，并将爆破工艺环节中的警戒和联网前置以便缩短爆破器材留置在高温炮孔中的时间，二是抓好联网和装药两个重要工艺并明确操作标准和质量标准；最后，将安全保障措施和施工工艺要求落实到现场组织管理中并可靠执行。实践表明，通过规范化的安全措施、施工工艺和组织管理，能够实现安全高效的高温爆破作业。

关键词:露天煤矿；高温爆破；煤矿自燃；安全措施；施工工艺；施工管理

煤层露头火灾是指在自然环境下未开采的煤炭因氧化聚热沿煤层露头引发的燃烧现象，煤层自燃不断向深部发展所形成的大面积煤田火灾，是人类面临的重大自然灾害之一。我国西北、华北和东北地区蕴藏着占全国储量80%以上，年产量占全国60%～70%的巨厚煤层，煤炭大多燃点很低，加上干旱少雨，在季风和烈日照射的综合作用下，极易发生煤田火灾。根据调查，我国北方煤田自燃火区有56处，累计燃烧面积720 km2，正在燃烧的火区面积17.20 km2，已烧失的煤炭为42.2亿t，每年直接烧失煤炭2000万t，主要集中于北纬35°～45°，以新疆、宁夏和内蒙西部的煤层自燃火灾最为严重[1,2]。在进行自燃煤层的露天开采或者灾害治理时，无论是采取先灭火后爆破还是先高温炮孔临时降温后爆破的方法，由于地下火区的隐蔽性和地质环境的复杂性，将火区矿山治理到自然的原始状态是很困难的，所以在火区煤矿开采时不可避免地遇到高温深孔台阶爆破[3-5]，如宏大现施工的宁煤集团大峰矿和汝箕沟矿、宁夏大石头煤矿和林利煤矿等。

1高温爆破施工特性分析

1.1煤矿自燃露天矿山的特点

在我国西北地区，不少煤矿矿山由于干旱少雨、煤层埋藏较浅，煤炭在太阳辐射和风化的综合作用下，地表附近的土层和煤岩体发生热破坏，结构变得松散，这不仅使煤体产生了大量自由面，易于煤氧复合反应，还为氧气的渗入提供了漏风通道，形成煤炭自燃现象。地下开采过程中，采煤巷道以及采煤放顶进一步加剧了氧气渗入，与煤表面的活性结构发生物理吸附、化学吸附和化学反应，放出热量并导致热量不断聚集，煤温不断上升；随着煤温上升，煤岩体内的热应力逐渐增大，热破坏加剧，使得煤层空隙率增大，自由表面增多，同时火风压随着煤温的上升也逐渐增大，漏风强度和耗氧速度也随之加大，加速了煤氧复合反应[6-9]。

因此，由地下开采转入露天复采的煤层自燃矿山，往往牵涉到较大规模的高温岩体爆破剥离。从煤层自燃发火过程可以看出，松散煤体内的漏风流场、氧浓度场、温度场相互作用、相互影响，而且随着时间和空间的变化而变化，矿山地质条件十分复杂，往往因技术、经济等方面的原因，难以做到完全灭火后再露天开采。地采转露采煤炭自燃矿山地质条件异常复杂，漏风流场、氧浓度场、温度场更加复杂，矿山高温区分布和温度高低因季节、气温、风向等不断变化，给高温爆破安全施工带来了很大的不确定性。

1.2露天煤矿高温爆破要点

我国最新颁布的爆破安全规程(GB6722—2014)中，定义“高温岩石爆破”为“在高于60℃的岩石中实施的爆破作业”。通过近三年来的现场统计分析，露天煤矿高温爆破的炮孔绝大部分在200℃以下，浇水降温效果明显，温度回升较慢；少部分处于200℃～300℃，浇水降温效果较差，温度回升较快；超过300℃的炮孔很少，浇水降温难，温度回升快，无有效措施不宜装药爆破。

考虑到煤矿自燃露天矿山的地质复杂性，高温环境不断演变的随机性和不确定性，加上爆破器材品种单一性[2,10]，很难采取单一措施保障高温爆破施工安全，不少矿山因地制宜地采取组合措施并固化成经验和工艺流程(如表1所示)进行300℃以下高温炮孔爆破，实现地采转入露天复采回收隐患资源，同时达到灾害环境治理的目的。

300℃以上高温区域，如果岩石节理发育，直接用专用机械拆解后再挖装；如果岩石节理不发育，一般将该区域留成孤岛，让岩石在高温中烧烤并喷水促进裂隙发育，再用专用机械拆解，必要时布置1～3个炮孔辅助破碎，采取紧急装药措施。尽管煤层自燃露天矿山的特点各不相同，但普遍认为高温爆破施工安全是此类矿山开采的重点和难点，均采取了一定的技术和管理措施来保障施工安全，共性是统筹分析技术、经济、安全、效率等方面的制约因素，综合应用多项技术管理措施共同构筑起一道道安全防火墙，确保高温爆破施工安全。

1.3露天煤矿高温爆破的工艺流程

经调研分析，涉及露天煤矿高温爆破的矿山，虽采取了不同的爆破器材和组织管理措施，但是基本指导原则和工艺流程是类似的，首先是对炮孔进行降温，其次是优选耐高温爆破器材或者进行耐温防护，最后是尽量减少炸药在高温环境中的时间。一般情况下，将炮孔降温和炸药耐温防护作为高温爆破装药前的专项准备工作，而减少炸药在高温环境中时间通过优化调整装药爆破流程来实现，并确保各工艺环节之间顺畅。

与常温爆破相比，高温爆破施工工艺流程(如图1所示)的不同点主要体现在如下几个方面：

(1)大量的高温爆破专项准备工作，包括爆破方案设计阶段和装药爆破施工价段的工作。

(2)常规爆破工艺环节的顺序是“装药”、“堵塞”、“联网”、“警戒”和“起爆”，高温爆破时将“警戒”和“联网”前置。

(3)高温爆破时需要严格控制装药时间，指从“装药”(爆破器材进入高温炮孔内)开始至“起爆”的时间段，一般包括“装药”、“堵塞”和“起爆”三个环节。

表1　不同高温爆破矿山施工特点

2高温爆破专项准备工作

总结多个涉及高温爆破施工矿山的经验教训，认为高温爆破专项准备工作主要分以下几个方面保障高温爆破施工安全：

(1)设计阶段要对高温爆破有的放失，包括高温炮孔测温和高温爆破方案设计，方案设计力求影响因素考虑周全、技术和管理措施针对性强、易于技术交底落实、施工工艺操作方便。

(2)施工阶段采取有效措施降低炮孔温度来保障安全，包括异常高温炮孔降温、高温炮孔降温效果监控与评价、爆破器材的耐热防护及二次加工等。

(3)为缩短装填炸药在高温炮孔环境下的时间，充分做好相应工艺环节的准备工作，包括装填炮孔集中验收防止装药卡孔、炮孔堵塞材料灌袋以便高效率高质量堵孔、精确分配每孔所需装炸药、提高装药速度并避免炸药补领、避免分配炸药多余影响装药后的迅速撤离等。见图2。

另外，应急预案的编制、演练、应急器材的准备等，是高温爆破施工安全的最后一道防线，也是高温爆破专项准备工作的重要内容之一。

3高温爆破施工组织与保障措施

除了繁杂而细致的高温爆破专项准备工作，高温爆破装药爆破施工中最重要的两个工艺环节是“联网”和“装药”，要有条不紊地组织，确保衔接顺畅、质量可靠。

3.1起爆网路连接要点

高温爆破装药爆破施工过程中，警戒和联网工艺前置，目的是减少炸药等爆破器材留置在高温炮孔中的时间。国内露天煤矿高温爆破施工中，一般形成如下共识，高温炮孔不用雷管起爆，用耐温能力相对较强的导爆索进行传爆并起爆孔内主装炸药。高温爆破施工过程中将联网工艺前置，所以联网的过程中理顺网路，防止装药、堵塞过程中踩踏、拉断网路，并进行起爆网路检查无误后方可开始装药[11，12]。

3.2高温孔装药爆破工艺

选用适合露天煤矿火区高温爆破的主装炸药时，不仅要考虑炸药的耐高温性能，还要考虑炸药成本以及与起爆器材的匹配情况。露天煤矿高温爆破时，往往仍采用常规民用炸药，一般通过提高炸药耐温性能、降低装药环境温度、炸药隔热防护和缩短炸药受热时间等一项或多项措施使其满足施工安全要求。综合分析炸药的耐热性能、抗水能力、包装形式、装药工艺等，高温爆破主装炸药普遍采用胶状乳化炸药或粉状乳化炸药。

(1)粉状乳化炸药主装药工艺流程

当主装药采用粉状乳化炸药时，施工工艺如图3所示，其好处是装药时不会卡孔，但是炸药的防水性能较差，不能采用边灌水降温边装药法和“水袋”药包花装法(装药过程中向炮孔中丢水袋，水袋坠落过程中破碎，水流淌出来对炸药进行降温)施工。散装的粉状乳化炸药难以进行隔热防护，当炮孔温度高且难以降温时应慎用，降温后炮孔内部有积水时亦不宜采用。

一切准备工作就绪后，在爆破总指挥的指令下，装药人员按照预先分工同步开始装药，先放导爆索到孔底(导爆索一端配重)，再往炮孔内装定量散装炸药，然后用已装袋的堵塞材料进行堵孔，完成装药后迅速撤离，人员全部撤离到安全位置后立即起爆。

(2)胶状乳化炸药主装药工艺流程

当主装药采用胶状乳化炸药时，施工工艺如图4所示，其好处是防水性能较好，可以采用边灌水降温边装药法或“水袋”药包花装法施工。但是，成品胶状乳化炸药装药时可能会出现卡孔的现象，影响装药效率，装药质量亦难以保证；因此采用该技术时，在装药前一定要100%验孔，当爆破区域岩石完整性差时炮孔不宜过深(一般不超过8 m)，尽量避免装药过程中卡孔。

3.3高温爆破技术管理

为了保证深孔高温爆破的施工安全，分别从技术和管理上总结经验教训，并进行安全技术交底和专业技能培训，确保施工环节中工艺流畅、措施到位、质量可靠。

在管理方面，主要做到以下几点：

(1)选择有丰富施工经验的爆破工程技术人员和爆破员成立精干的高温爆破作业小组，并对小组进行技术培训和技能操作考试，合格后方能上岗，每次爆破均应经领导批准。

(2)对参加高温爆破的人员进行思想教育，消除对高温爆破的恐惧、侥幸和麻痹心理，严格听从统一指挥。

(3)爆破人员对深孔高温爆破的操作方法要提前进行演练，熟练掌握操作规范，满足质量和效率的要求。

(4)装药过程中设总指挥一名，确保组织有序，特别是装药、堵塞环节，要同步开始、协调一致。

(5)爆破设计和测温降温人员，参与高温爆破装药，有效促进爆破方案设计务实规范和提高炮孔测温降温人员的责任心。

(6)装药前的准备工作实现清单检查制，避免漏项导致装药环节不畅。

(7)爆破现场总指挥合理分工，确保装药作业同步，同时控制好施工节奏和装药质量，操作标准规范、紧张有序。

(8)统一做好应急预案，不断总结施工中的经验教训，确保持续进步。

在技术方面，主要做到以下几点：

(1)矿山施工过程中，及时、准确地识别高温炮孔，并进行标记、编号。

(2)根据高温爆破区域分布及各个高温炮孔的特点，进行高温爆破施工的方案设计(含爆破器材合理选型、二次加工、科学试验等)和施工组织设计，必要时合理调整爆区规模，分次爆破以减少装药时间和现场同时作业人数。

(3)技术措施具有针对性，经济合理，按照炮孔初始温度、降温方法和降温难度，采取不同的技术措施。

(4)装药前复测孔温，按照设计要求采取降温措施，并测量验证降温效果，降温效果不能满足设计要求的放弃装药。

(5)准备装药前，检查炮孔是否有塌孔、堵孔等现象，发现塌孔、堵孔装药前进行处理，不得边装药边处理，延长装药时间。

(6)爆破警戒工作前置，尽量缩短炸药在高温环境中的时间，要求高温爆破作业面附近的非爆破作业人员应在装药前全部撤离，并根据工作量合理安排高温爆破作业人数。

(7)装药前合理分工，分配好各个炮孔的爆破器材，堵塞材料灌袋放在炮孔边。

(8)联网工作前置，按照爆破设计进行联网，理顺网路防止装药、堵塞过程中踩踏、拉断网路，并进行网路检查。

(9)在统一指挥下，按照分工，同步开始高温炮孔装药，装药顺序从低温孔到高温孔。

(10)常温孔和高温孔混杂的炮区，先装常温孔，再同步给剩余高温孔装药。

(11)高温炮孔装药时发生堵孔、卡孔时用塑料杆或竹竿疏通，如2 min内不能成功疏通，则不再疏通，征得现场爆破工程师同意后继续装药到堵塞段高度。

(12)装药、堵塞过程中做好起爆网路的保护，避免损坏起爆网路，装药堵塞完毕后迅速撤离，立即起爆。

4结论

(1)因矿山地质、开采成本、施工效率、爆破器材性能等方面的制约，露天煤矿高温爆破施工很难做到完全灭火降温后再爆破施工，亦无简单而可靠的解决高温爆破早爆误爆事故的良方，只能通过消除或控制高温爆破环境、提高爆破器材耐热性能和优化爆破施工技术管理措施等三个方面共同构筑防火墙，综合保障高温爆破施工安全。

(2)与常温爆破施工相比，高温爆破施工需要大量专项准备工作，同时将爆破工艺环节的警戒和联网前置，装药堵塞完毕后迅速撤离并立即起爆，尽量缩短爆破器材留置在高温炮孔中的时间。

(3)联网和装药是高温爆破施工中的重要工艺环节，通过技术和管理措施将流程中各个环节固化，确保各项工作有条不紊、高效率高质量地进行。

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Construction Technology and Organization of Blasting in Opencast Coal Mine with High Temperature

CUIXiao-rong1,2

(1.Hongda Mine Co Ltd,Guangzhou 510623,China；2.Guangdong Hongda Blasting Co Ltd,Guangzhou 510623,China)

Abstract:The safety measures,construction process and site management of high-temperature blasting zone were discussed for the safety and efficiency of construction project.First of all,by comprehensively analyzing the factor of the geology,the mining cost,the mining efficiency of open-pit coal mine with spontaneous combustion and the properties of explosive materials,the safety firewall was put forward from three aspects,including controlling high-temperature surroundings,improving the heat resistance properties of explosive materials and shorting the indwelling time of explosive materials in blasting-holes.Secondly,by discussing the construction process of high temperature blasting,the key method was considered to prepare special measures,and to strengthen the operation & quality standard of ignition circuit and charging.Finally,the safety measures and the technology requirements were implemented to the site organization and management.Practice shows that the efficient high temperature blasting operation can be performed by the standardization of safety measures,construction technology and organization management.

Key words:opencast coal mine; high-temperature blasting; coal spontaneous combustion; safety measures；construction technology; construction organization

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.029

收稿日期:2016-05-18

作者简介:崔晓荣(1980-)，男，博士、高级爆破工程师、研发总监，从事现代爆炸技术与安全工程研究，(E-mail)smile66_cui@163.com。

基金项目:广东省产学研合作院士工作站项目(2013B090400026)

中图分类号:TD235.1

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0149-06