高台阶拉铲倒堆剥离抛掷爆破关键技术研究

马占一

（神华准能集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

高台阶拉铲倒堆剥离抛掷爆破关键技术研究

马占一

（神华准能集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

为了提高高台阶拉铲倒堆剥离工艺中抛掷爆破效果，在爆破理论分析的基础上，提出了“横向不耦合气囊式空气间隔分段装超低密度炸药”深孔预裂爆破技术以及基于排间微差、孔间微差、倾斜深孔爆破的多排倾斜深孔微差抛掷爆破技术；经过现场试验，优化确定了爆破孔网参数、装药结构、起爆顺序、延时间隔等爆破参数，取得了良好的预裂与抛掷爆破效果。

露天煤矿；倒堆剥离；预裂爆破；抛掷爆破

Abstract:In order to improve the high bench of draglines stripping technology in throwing blasting effect,based on the analysis of blasting theory,the article presents"lateral coupling air interval segment loading ultra low density explosive"method and the multi rows tilt deep holemillisecond throwing blast based on themillisecond blasting in rows,millisecond blasting in holes,tilt deep hole blasting,through the experimental study,the article determines parameters of drill hole network,charging structure,blasting sequence,delay interval which achieve the perfect pre-splitting and casting blasting effects.

Key words:open-pit coalmine;casting stripping;presplitting blasting;throwing blasting

0 引言

2007年，神华准能公司黑岱沟露天煤矿从美国BUCYRUS公司引进了斗容90 m3的BE8750-65型拉铲，并将抛掷爆破-拉铲倒堆剥离工艺应用于6#复煤层顶板以上40～45 m厚度范围的岩石剥离，极大地降低了开采成本，提高了企业经济效益。黑岱沟露天煤矿抛掷爆破-拉铲倒堆剥离工艺在我国露天矿山开采工艺上尚属首次，无应用先例，在理论研究和技术设计等方面尚属空白，需要在国外相关研究成果的基础上，结合我国露天矿山实际情况，对相关技术进一步深入研究。

1 高台阶抛掷爆破关键技术

抛掷爆破技术直接影响拉铲倒堆剥离工艺的整体效果。具体为台阶岩石在抛掷爆破后形成的爆堆为扁平抛物形，爆堆沉降率30%以上、有效抛掷率25%以上、预裂孔孔痕率高，抛掷爆破后的台阶坡面整齐稳定，震动、后冲作用小，生产稳定安全[1]。

抛掷爆破效果的好坏，直接影响着拉铲倒堆剥离效率的发挥，关系到拉铲倒堆工艺在我国能否实现高产、高效及成功应用。为获得良好的抛掷爆破效果，降低爆破震动对露天煤矿生产安全的影响，需进一步研究影响抛掷爆破的各个因子[2]。

1.1 大孔径横向不耦合装药预裂爆破技术

预裂爆破是露天煤矿边坡控制爆破的主要方式。其中预裂孔是设置在设计开挖边线的1排孔径，起爆先于主炮孔爆破，主要作用为爆破形成的裂缝可以有效降低主爆区爆破对边坡台阶岩体的影响，控制主炮孔爆破形成的拉伸裂缝在边坡内。爆破后在布孔平面形成断裂面，主爆孔爆破后，获得较平整的边坡轮廓。

针对预裂爆破成缝机理，目前有2种基本倾向性的观点：①基于应力波作用理论，确定预裂爆破的计算方法；②考虑应力波和气体(包括准静应力场和“气刃”效应)的共同作用，确定预裂爆破的计算方法[3]。

通过模拟试验，发现在预裂爆破时，产生2种结果：①裂缝从2个孔中间开始，孔壁后开裂的，预裂缝是由中间裂纹和孔壁裂纹共同扩展连接而成；②裂缝是由孔壁开始，继而扩展成顶裂缝。

炮孔中药包爆炸时，应力波向四周传播开来，波圆周切向产生拉应力，于是出现辐射状的径向裂纹。当相邻炮孔同时起爆或起爆时差极小，应力波在孔连线中点或后爆孔附近相遇，准静态应力场应力也将相遇，相遇后使拉应力叠加。当拉应力超过岩石的抗拉强度时，孔间裂纹由中间或另外相遇点向两侧发展，预裂缝形成，此为理想的状态。实际上，在微差爆破中，同一段别的雷管其间隔时间有l～2 ms误差。设岩体中应力波的速度为3 000～5 000 m/s（硬岩较高，软岩较低）。当乙孔起爆时甲孔爆炸应力波早已通过该孔。由于邻孔互为空穴利于导向和使孔壁应力集中；其次由于此时有可能使甲孔的静应力和乙孔的动应力相遇，利于裂缝的形成和贯通。所以，2种情况和条件都能产生贯通性的裂缝。在动静应力作用之后，高温、高压的爆炸气体进入裂缝内，在裂缝尖端产生“气刃”效应，使原有或前期产生的裂缝延伸、贯通和扩宽。故在预裂爆破中，应力波及其应力起着成缝的作用，而气体的楔入起到了使裂缝扩宽、延伸和连接的有效作用。

露天煤矿边坡控制预裂爆破的特点：①预裂炮孔布置在开挖边线上，其孔间距、抵抗线相对于主炮孔小得多；②预裂孔主要参数包含孔的间距、孔径、堵塞长度、线装药密度等方面，该孔首先起爆；③预裂孔内装药深度为不堵塞长度的3倍，孔口可敞开，在孔底部需增强装药力度；④预裂面与最靠近1排主炮孔间的长度为主炮孔排间距的1/2；⑤针对预裂爆破的设计主要包含工程类比法与经验法，再融合理论算法，做出符合实际的最佳设计；⑥预裂孔同时起爆效果较好。当同时起爆的预裂孔过多时，为防止爆破震动过大，可采用分段微差起爆。

为了提高预裂爆破实施成效，采矿作业中一般采用低密度炸药与径向不耦合装药方式。低密度炸药能有效减小爆炸速度与爆炸压力对钻孔避的影响；径向不耦合装药为爆炸后物体在钻孔避与炸药柱体间提供了很好的环状空间，有效减小了爆炸对钻孔壁的影响；同时，该方式确保了炸药是在无约束状态下爆炸的，有效减小了爆炸速度与爆轰压力，爆炸后有效提升了台阶边坡的整齐性[4]。

不耦合装药技术大范围应用于小孔径（直径＜130 mm）预裂爆破的矿山生产作业实际。一般状态下，导爆索放于小药卷里部或外部，并起爆小药卷，炸药呈现连续侧向起爆形势，可杜绝由管道效应导致传爆不稳定乃至拒爆情况的发生。在大直径倾斜深预裂孔，因采用药包质量大，作业比较困难，故很难予以应用。

通过对预裂爆破形成机理的深入研究，结合生产现场不断试验，神华准能公司黑岱沟露天煤矿提出并采用了一种“横向不耦合气囊式空气间隔分段装超低密度炸药”的方法进行的高台阶预裂爆破装药。横向不耦合是相对于径向不耦合提出的一种装药结构，即在钻孔内连续装药形成的炸药柱体部分高度描述为“药包直径”，在填充炸药应用气囊分段时形成了空气柱体，钻孔直径即为“药包直径”与空气柱体之和。该种装药结构突破了过去一直使用的径向不耦合装药结构，间隔器采用充气式气囊，并应用分段装药技术，分段装药部分采用超低密度炸药品种（炸药密度0.3～0.4 g/cm3，炸药爆炸速度1 700～2 200 m/s），此种方式增加了药柱高度，显著提高了预裂爆破效果。

1.2 多排倾斜深孔微差抛掷爆破技术

露天煤矿拉铲倒堆抛掷爆破为典型的多排倾斜深孔抛掷爆破。试验研究表明：多排孔爆破时，最合理的抛掷爆破方式是前排的抛掷岩石不能妨碍后排岩石的抛掷；在前后排孔起爆时间相隔太长的情况下，前排孔爆破后产生的拉伸波将传播到后排孔所在岩体深部，并产生张开裂隙，裂隙将吸收后排孔爆破岩体，造成抛掷能量大大减小，严重时后排孔将起爆不了。理想的前后排孔起爆间隔时间为前排孔爆破物体膨胀到大气压力还未结束，这样后排的爆破能量还能对前一排的抛掷起到助抛作用，从第一排开始顺序起爆的排间微差爆破就可达到这个目的[5]。

1.2.1 排间微差爆破

每一排药包之间的顺序爆破最佳延发时间t（100～200 ms）是在前排孔爆破物体膨胀到大气压力结束的时间。

1）当排间延发时间小于最佳延发时间t时，后排孔爆破能量传递至前一排岩体，导致第一排孔爆破抛掷的物体距离扩大，依次各排抛掷物体逐渐缩短[6]。因重新分布每一排孔的爆炸能量，致使爆破抛掷岩体不佳，降低了岩体的有效抛掷率。

2）当排间延发时间大于最佳延发时间t时，前排孔爆破后产生的拉伸波将传播到后排孔所在岩体深部，并产生张开裂隙，该裂隙将吸收后排孔爆破岩体，大大降低抛掷能量。

3）最佳的排间间隔时间t是在前排孔爆破物体膨胀到大气压力未结束的时间，这样后排的爆破能量还能对前一排的抛掷起到助抛作用。根据每排的作用不同，确定最佳延时时间为：1～2排孔100 ms，2～3排孔150 ms，3～8排孔200 ms，8～9排孔150 ms，10排孔100 ms。

1.2.2 孔间微差爆破

露天煤矿深孔爆破威力大，为减小爆破震动，每一排间都要进行微差爆破以外，各排炮孔间也应微差延时。研究结果证明：①当微差爆破各药包延时时间间隔小于某极限值，岩石向迟发药包一侧抛掷；②微差爆破各药包延时时间间隔大于某极限值，岩石向早发药包一侧抛掷；③当微差爆破各药包延时间隔等于或小于亚临界时间（9～12 ms）间隔时岩石向径向抛掷；④从岩石抛掷的机理，为确保抛掷爆破的最佳效果，即抛掷最大的完全性、密集性与定向性，其亚临界延时间隔同向起爆群药包微差爆破是最有效的，在亚临界延时间隔内（9～12 ms），如果炮孔第1排的抵抗相等或排间距相等，则爆破岩石向垂直于台阶走向方向抛掷[7]。

1.2.3 倾斜深孔爆破

根据弹道理论，炮弹向上倾斜打出，才能打的更远。露天煤矿抛掷爆破同样适用该理论。

在垂直炮孔爆破中，炮孔底部破碎问题比较凸显，炮孔底部炸药产生的能量将损失1/2，另1/2能量先由压缩波后到自由面转为拉伸波在岩体内传播，拉伸波对岩体破坏最大。利用倾斜45°的炮孔，100%的炮孔底部炸药能量被利用。炮孔倾角20°时，炮孔底部炸药产生的能量将损失28%，72%被使用，经计算，仍可增加30%的爆破量。虽然利用倾斜45°的炮孔有许多优点，如100%的炮孔底部炸药能量被利用，但存在难以改变的困难即在炮孔潮湿时炸药很难装到炮孔底部，故通常不利用倾斜45°的炮孔。考虑到炸药能量的利用和便于装药操作，结合露天煤矿现场工程实际，将炮孔倾角确定为抛掷爆破实体台阶坡面角。

2 爆破试验与效果分析

黑岱沟露天煤矿拉铲倒堆剥离抛掷爆破实体采宽60～80 m，倒堆剥离台阶高度为40～45 m，穿孔爆破采用预裂爆破+多排孔毫秒微差抛掷爆破技术。为了科学确定抛掷爆破及预裂爆破孔网参数、起爆顺序、延时时间间隔等爆破参数，在抛掷爆破模拟设计的基础上进行了4次大规模的现场抛掷爆破。通过4次抛爆试验的不断改进和逐步完善，优化确定了预裂爆破与抛掷爆破的炸药单耗、延时间隔、起爆顺序等参数因子[8]。神华准能公司黑岱沟露天煤矿抛掷爆破试验相关参数见表1，神华准能公司黑岱沟露天煤矿抛掷爆破试验效果见表2。

表1 神华准能公司黑岱沟露天煤矿抛掷爆破试验相关参数

表2 神华准能公司黑岱沟露天煤矿抛掷爆破试验效果

1）采掘带高度H与宽度B的比例：H/B=0.43～0.58；采用斜线逐孔起爆方式，起爆顺序与岩层裂隙发育方向相逆。雁行列孔间延期100～200 ms，控制排孔间延期17～42 ms，孔内延时600 ms。设计起爆网络按排间由前到后顺序。

2）孔排间距4～11 m，孔直径310 mm，孔间距6～8 m；孔间延时间隔通常为9～17 ms，最佳效果时间为9～13 ms；排间延时间隔通常为100～200 ms，其中1～2排孔100 ms，2～3排孔150 ms，3～8排孔200 ms，8～9排孔150 ms，9～10排孔100 ms，预裂孔早于主爆孔500～600 ms。

3）关于装药种类及结构，前5排孔仅装重铵油炸药且逐一减少炸药比重；第6排孔开始仅装铵油炸药，单孔渐渐减少装药量；倒数第1排和侧面最后2排孔采用空气间隔器分段装药的方式。

4）因煤层在剥离岩石台阶的底部，为避免抛掷爆破对煤层顶板的破坏，需在煤层顶板上部留一定的保护岩层，具体做法为回填钻到煤层顶板倾斜炮孔的最底一部分，通常回填长度1～3 m。

5）预裂爆破使煤层边缘整齐并减少破坏，具体为：①钻孔倾斜角度65°，整齐爆破，起爆早于倒堆作业台阶炮孔；②预裂孔设置为分布在台阶采宽80 m内侧的单排孔，采用大孔径横向不耦合装药结构，炸药品种为超低密度炸药，其孔距3.5 m，孔径310 mm；③预裂爆破炸药单耗0.6 kg/m2（孔距×孔深），其中超低密度炸药为1.1 kg/m2；④空气间隔器分段法预裂孔装药结构，即每一钻孔装药位置由下至上分3部分：第1部分距离煤层顶板1 m；第2部分位于台阶剥离岩层中部；第3部分距离钻孔顶部开口14 m。关于铵油炸药装药量，第1部分比第2部分、第3部分多20%，第2部分、第3部分均装；在较硬岩体位置布置药包位置；关于超低密度炸药装药量，分3部分，其中第1部分最多，第2、3部分依次减少，且以60%的向上部分逐减。

由表1、表2可知，4次爆破试验的采煤作业难度均满足采煤工艺和开采强度要求，但前2次爆破试验对台阶稳定性影响较大，爆堆沉降率不满足要求并且爆堆形状不太理想。第3次、第4次的爆破试验结果最好，台阶稳定性好、爆堆沉降量满足要求、爆堆形状合适、抛掷率满足要求、块度合适、对煤层的破坏程度较小、不影响端帮道路、没有侧冲和后冲[5]。试验证明采用大孔径（310 mm）倾斜（65°～75°）深孔（35～80 m）、横向不耦合气囊式空气间隔分3段装低密度炸药，上部不堵塞，一次起爆的预裂爆破方法，阻隔抛掷爆破区部分爆轰波、降低了振动强度、减少了后冲和侧冲，使台阶坡面整齐稳定。多排倾斜深孔微差抛掷爆破技术，提高了有效抛掷爆破率，使有效抛掷率达到30%以上、爆堆沉降率达到30%～35%、爆堆形状为理想的扁平抛物形，抛掷效果达到了拉铲倒堆作业的技术要求。

3 结论

神华准能公司黑岱沟露天煤矿在采用抛掷爆破-拉铲倒堆工艺过程中，对高台阶抛掷爆破相关技术进行了理论与试验研究，取得了以下主要成绩：

1）研究并应用了一种“横向不耦合气囊式空气间隔分段装超低密度炸药”的装药方法进行预裂爆破，有效降低了振动强度、减少了后冲和侧冲，且台阶坡面整齐、稳定，获得了最佳的边坡预裂控制爆破效果。

2）通过优化设置排间、孔间微差爆破延时，并合理设计炮孔倾角、起爆顺序等，有效提高了高台阶拉铲倒堆剥离工艺中的抛掷爆破效果，显著降低了开采成本。

［1］神华准格尔能源有限公司.大型露天煤矿高台阶抛掷爆破及拉斗铲倒堆剥离关键技术研宄与应用技术报告［R］，2007.

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［5］张幼蒂，傅洪贤，王启瑞，等.抛掷爆破与剥离台阶开采参数分析——露天矿倒堆剥离开采方法系列论文之四［J］.中国矿业大学学报，2003，32（1）：27-30.

［6］马军，郭昭华.露天煤矿应用抛掷爆破技术研究［J］.露天采矿技术，2005（5）：43-45.

［7］马军，李克民.抛掷爆破与拉斗铲倒堆工艺研究［J］.中国矿业，2003，12（7）：44-46.

［8］傅洪贤，李克民.露天煤矿高台阶抛掷爆破参数分析［J］.煤炭学报，2006，31（4）：442-445.

【责任编辑：张 夙】

Research on the key technology of throw ing blasting in high bench dragline casting stripping

MA Zhanyi
(Shenhua Zhunneng Group Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

TD824.7

B

1671-9816（2017）10-0015-04

2017-04-11

马占一（1983—），男，内蒙古赤峰人，工程师，硕士，2010年毕业于内蒙古科技大学采矿工程专业，现任神华准能集团有限责任公司办公室科长，主要研究方向为大型国有煤炭企业采矿技术、经济管理方面。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.10.005

马占一.高台阶拉铲倒堆剥离抛掷爆破关键技术研究［J］.露天采矿技术，2017，32（10）：15-18.