二氧化碳致裂器爆破技术在布沼坝露天矿的应用

王刚波，彭继杨，徐振尧

（云南省小龙潭矿务局，云南 开远 661699）

二氧化碳致裂器爆破技术在布沼坝露天矿的应用

王刚波，彭继杨，徐振尧

（云南省小龙潭矿务局，云南 开远 661699）

传统化学爆破技术对露天煤矿最大程度提高块煤率作用有限，布沼坝露天矿进行二氧化碳致裂器物理爆破实验，块煤率加大，煤的经济效益提升，且显著减小了爆破飞煤和飞尘对生产安全和环境的影响。该技术不仅为煤矿绿色安全高效提供技术支持，而且为露天煤矿爆破产品的更新提供了一种新思路。

二氧化碳爆破；致裂器；块煤率；物理爆破

Abstract:The traditional chemical blasting technology for improving the rate of lump coal to maximize is difficult.Buzhaoba Open-pit Mine carries out carbon dioxide fracturing blasting device for physics experiment,which increases the rate of lump coal, enhances economic efficiency,and significantly reduces the effect of blasting fly coal and dust on production safety and environmental.The technology not only provides technical support for the green,safe and efficient coalmine,but also provides a new idea for the updating of blasting products in open-pit coalmines.

Key words:carbon dioxide blasting;cracking device;rate of lump coal;physical blasting

0 引言

美国人朗艾尔·道克斯[1]首次提出关于液态二氧化碳物理爆破的方法，并应用于实际生产爆破。到20世纪80年代二氧化碳物理爆破技术开始得到迅猛发展，随着技术进步，逐步应用到需要从源头减小爆破震动、避免引火源的井工矿、露天矿等特殊领域，成为一种实用且具有巨大市场潜力的新型爆破器材。致裂器爆破的内容物为二氧化碳，属于物理爆破，由于二氧化碳的不可燃性，替代以化学内容物为主的炸药爆破，用于井工煤矿爆破，避免了采用化学爆破时产生火花的风险，从而避免瓦斯、煤尘爆炸[2]。由于国内生产技术的进步，国内二氧化碳爆破器材类型不断增多且产品质量不断提高，因此，二氧化碳爆破技术使用范围进一步变广，从井工矿开采生产发展到露天矿开采生产，许多矿山实际应用的成功为二氧化碳爆破技术的发展提供了事实依据。当前，二氧化碳爆破技术虽已得到大量应用，但其仍处在不断成长和发展阶段[3]。

布沼坝露天矿是小龙潭矿务局的主要生产基地，坐落在云南省红河州开远市小龙潭镇，于1953年开创，是西南地区主要能源基地，煤炭产量约占云南省煤炭总产量的1/9以上，电煤产量占全省电煤总产量的1/3[6]。布沼坝露天矿已经完成了四期扩建，是一个基础设施完善，技术先进的现代化露天煤矿。现正在进行五期扩建工程，设计生产能力将由480万t/a扩大到1 300万t/a[6]。随着布沼坝露天矿五期扩建工程的进行，生产规模逐年扩大，吸引来更多的客户，客户们对块煤需求量不断加大。但传统化学爆破方法存在块煤供应不足，块度大小达不到客户要求，安全环保问题突出等问题。对布沼坝露天矿而言，爆破块度是评价爆破效果、提高生产效益的重要指标。通常情况下,块煤的售价都高于粉煤,所以近些年很多工程技术人员对影响煤岩爆破块度的因素如岩石性质、炸药单耗、起爆顺序、布孔方式等都进行了较多的研究。通过改变爆破方式提高块煤的生产率,获得更好的经济效益,己成为生产的重要环节，对露天煤矿发展具有极大现实意义。布沼坝露天煤矿为探索出提高爆破块煤率，增加露天煤矿的经济效益，为煤矿绿色安全高效提供技术支持的新型爆破方法,实地进行二氧化碳爆破技术现场实验[7]。

1 二氧化碳致裂器爆破技术

1.1 二氧化碳致裂器结构及原理

气态二氧化碳通过高压、低温压缩为液态二氧化碳，用配套设备将液态二氧化碳注入致裂器内，致裂器内装有安全膜、破裂片、导热棒等原件，安装上充装阀即完成对单支致裂器的二氧化碳充填工作。现场爆破时，将电路正常的致裂器按释放口在下的原则插入钻孔中并将炮孔封堵严密，以提高爆破效果，然后连接起爆器。当微电流通过高导热棒时，低压保险丝引发快速反应,产生高温击穿安全膜，使管内的二氧化碳迅速从液态转化为气态，急速膨胀的二氧化碳气体产生高压冲击致破裂片破碎，二氧化碳从排气孔向外爆发，致裂器利用瞬间产生的强大推力对煤层做功，沿自然或被爆破引发的断裂面破开煤层,使被爆煤块脱离煤层主体，最终实现对被爆煤层的贯穿、破坏[3-5]。二氧化碳致裂器结构如图1。

图1 二氧化碳致裂器结构

1.2 二氧化碳致裂器中深孔装填及爆破

二氧化碳致裂器末端有悬挂钢绳的装置，填装时用吊装设备将致裂器缓慢送入爆破孔内，用细砂或者碎煤填充致裂器与炮孔间隙，如遇孔口煤质较松散，还需用炮泥封堵炮口，经仪器检查各致裂器导通正常后连接导线，通过起爆器起爆。由于二氧化碳致裂器属于抗高压特殊材料，价格高昂，需回收重复使用，因此在装孔及回收致裂器时设备需垂直炮孔，降低对致裂器的损伤。电起爆网络采用串联方式，确保每一根致裂器都能爆破，消除盲炮隐患，提高作业环境安全系数。由于致裂器管径限制，装填二氧化碳有限，可根据爆破量的需要设置多排孔，可以加强对煤层的爆破破坏作用。

1.3 二氧化碳爆破的优缺点

近几年的主要爆破方法有高压流体，高压气体，机械破坏等物理爆破法和传统的化学爆破法。二氧化碳爆破属于物理爆破，炸药爆破属于化学爆破。二氧化碳是一种惰性气体，其特点是无毒，气化时吸收大量的热，不会燃烧，也不助燃，因而把二氧化碳作为致裂器爆破材料具有很高的安全性[3]。另外，二氧化碳致裂器作用力大小有2个决定因素：能瞬间释放出的压力和二氧化碳的装填量。释放的初始压力可通过炮孔的严密封堵及选择孔隙少的地形实现，而二氧化碳装填量可以通过使用直径大小不等的致裂器实现调节。因此，这2个因素都具有可控、可调节性。从能量来看，二氧化碳爆破对被爆物体做功的主要能量来源为液态二氧化碳汽化时瞬间膨胀产生的能量，与传统化学炸药爆破相比，具有爆破地震波小，扬尘比较少，显著减少了爆破飞煤和飞尘对生产安全和环境的影响，因而适合在易燃易爆煤炭开采矿山使用。其缺点是二氧化碳致裂器装填工艺和现场施工需专业辅助设备；对炮孔的直径以及垂直度要求较高[3]；致裂器瞬间释放能量和二氧化碳的体积这2个因素决定着二氧化碳致裂器作用，释放压力能通过改变释放管孔径大小实现，但二氧化碳冲装量只能通过改变致裂器的长度及直径实现，购买不同型号致裂器增加了前期成本。

2 二氧化碳爆破技术在块煤开采中的应用

2.1 穿孔爆破

二氧化碳爆破技术采用串联布线方式，将所有致裂器串联，用专业设备检查各炮孔导通正常后连接起爆器，各炮孔毫秒间隔爆破。孔网参数情况见表1。

表1 孔网参数情况

2.2 爆破效果

爆破后煤层沿着布孔方向产生明显的横向裂隙，台阶整体没有大幅度移动。爆破产生的震动波很小，只能激起少量灰尘，且由于串联爆破，不存在盲炮，对提高爆破安全和环境保护作用显著。

2.3 二氧化碳爆破与传统炸药爆破效果对比

采用二氧化碳爆破技术后，露天矿块煤率得到大幅度提升，大大降低传统炸药爆破的负面影响。二氧化碳爆破与传统化学炸药爆破效果对比见表2。

表2 二氧化碳爆破与传统化学炸药爆破效果对比

3 二氧化碳爆破与炸药爆破的经济对比

3.1 二氧化碳爆破实验单耗

按双排 11个孔，孔距 5 m、孔深 5 m计，爆破单耗为

式中：H1为二氧化碳爆破实验得出的单耗成本，元；N1为爆破孔数；M为单孔爆破筒数；L为单根爆破内置耗材，元；K为单孔二氧化碳消耗，元/孔；p为配套设施成本，元；S1为爆堆面积，m2；h1孔深，m。

3.2 炸药爆破单耗

按单排 11个孔，孔距 5 m、孔深 5 m计，爆破单耗为

式中：H2为化学炸药爆破单耗成本，元；E为炸药单价，元/kg；R为单孔药量，kg；N2为炮孔个数，个；P为单孔综合起爆器材费用，元/孔；p2为配套设施成本，元；U为孔距，m，A为排距，m，h2为孔深，m。

3.3 年爆破成本下降产生的效益

式中：W1为煤层采用二氧化碳爆破技术爆破相对采用化学爆破技术爆破每年产生的效益，万元/a; Q为采煤量，万m3/a。

3.4 年采装成本提高

采用二氧化碳爆破后，由于块煤量增多，块煤块度增大，挖掘机的采装效率下降，油耗和故障率有所提高。统计表明，与传统化学爆破法相比，煤炭综合采装成本上升了1.02元/t，由此总成本增加20.40万元/a[8]。

3.5 块煤带来的效益

由实验可知，二氧化碳爆破与炸药爆破相比，块煤率由55%上升到了70%。

式中：W2为块煤率提高产生的效益，万元/a；Q1为适合生产块煤的量，万t；V2为采用二氧化碳爆破后的块煤率，70%；V1为采用化学炸药爆破的块煤率，55%；K为块煤相对碎煤单价，48元/t。

3.6 年经济效益汇总

4 结 语

1）布沼坝露天矿二氧化碳爆破实验使块煤率由55%提高至70%以上，体现了较好的经济效益。

2）传统化学炸药审批程序繁杂，运输、存储风险大，而二氧化碳不助燃，性能稳定，安全性高，易于购买，且爆破中震动小、飞尘少，对提高爆破安全和保护环境具有显著作用。

3）二氧化碳爆破需采用提升设备，对人力配备以及设备要求高；另外对煤炭的松散度也有较高要求，煤质过于松散，气孔多则爆破效果不佳。

4）随着二氧化碳爆破技术的不断创新与完善，二氧化碳致裂器的容积大小、形状和配套设施将逐步实现规范化、系统化，致裂器能量大小变得更具可控性，真正发挥二氧化碳爆破技术绿色环保、高产高效的特点。

［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.

［3］王军，肖永胜.用二氧化碳爆破技术开采某石灰石矿的大理石材［J］.现代矿业，2015（6）：15-17.

［4］夏军，李必红，陈丁丁.CO2液-气相变膨胀破岩技术［J］.采矿技术，2016（6）：119-121.

［5］朱拴成，周海丰，李浩荡.二氧化碳炮处理综采工作面巷道三角区悬顶［J］.煤矿安全，2013（8）：144-146.

［6］王堂娃，廖丽霞，胡瑞彪，等.布沼坝露天矿安全生产特点和预防措施［J］.露天采矿技术，2012（1）：127-129.

［7］凡春礼，栾龙发，王成龙，等.提高小龙潭露天煤矿块煤率的爆破试验研究［J］.爆破，2011，28（2）：53-55.

［8］赵红泽.近水平转倾斜煤层露天开采关键技术研究与应用［D］.北京：中国矿业大学（北京），2012.

【责任编辑：张 夙】

App lication of carbon dioxide fracturing for blasting technology in Buzhaoba Open-pit M ine

WANG Gangbo,PENG Jiyang,XU Zhenyao
(Yunnan Province Xiaolongtan Mining Bureau,Kaiyuan 661699,China)

TD824.2

B

1671-9816（2017）10-0040-03

2017-06-15

王刚波（1993—），男，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现任云南省小龙潭矿务局布沼坝露天矿生产技术管理员。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.10.012

王刚波，彭继杨，徐振尧.二氧化碳致裂器爆破技术在布沼坝露天矿的应用［J］.露天采矿技术，2017，32（10）：40-42.