基于PDCA循环的高温爆破技术

谢钱斌

(宏大爆破工程集团有限责任公司，广州 510623)

1 工程背景

大石头煤矿位于贺兰山北段汝箕沟矿区的大岭井田内，南北走向长992 m，东西走向宽630 m，面积0.546 km2，基建区植被稀少，边坡稳定，山脉近南北向延伸，自东向西山势逐渐增高，地形起伏较大，岩石多为砂岩，有少量泥岩，比较坚硬。由于多年地下开采，各煤层均存在采空区，原煤自燃使得巷道多处存在火区和高温区，由于资料和当前技术限制，火区面积不详。地下高温限制了原有的井工矿开采，继而转为露天复采，井口封闭后仍有空气进入采煤巷道，加之放顶后进一步加剧了氧气渗入，与煤表面发生了物理化学反应，放出热量在通风不畅的情况下造成热量不断聚集，煤层温度随之逐步上升；随着煤温上升，煤层及岩体内的热应力逐渐增大，破坏了围岩的稳定性，使得煤层和岩石空隙率增大，地表裂隙逐渐增大，自由面增多，进风强度也随之加大，加速了煤层自燃反应形成了高温火区，严重制约了露天复采的工程进度[1]。在此之前，其他矿区基本上均以机械挖掘为主，成功进行高温爆破安全管理和施工的工程并不多见。

美国质量管理专家戴明博士提出的PDCA循环质量管理，通过计划、执行、检查和效果处理，使任何一项符合逻辑的工作程序得到了有效进行和优化。炮孔降温效果和网路安全是影响高温爆破的重要因素，本工程将PDCA循环原理引入到安全管理工作中，并验证是一种有效的安全管理方法。

2 基于PDCA循环的爆破设计

2.1 工程难点

1)施工环境十分复杂，高温火区分布区域不明确，经常出现钻孔注水降温后孔温无法达到安全爆破的情况。

2)安全要求极高，周围露天复采基建剥离设备和人员较多需重点保护。

3)技术难度大，受地下自燃煤层影响，钻孔后炮孔温度高达100～300 ℃，普通爆破器材和爆破技术无法满足安全生产的要求。

4)施工进度要求高，受高温火区影响，下部台阶无法正常推进，大量设备闲置，现需每天约5 000 m3的火区爆破量才能按期完成生产任务。

2.2 现场布置探孔

大石头煤矿井工开采年限较长，井下原煤自燃造成大量的保护矿柱坍塌，原有的地质资料不能反映出准确的高温火区区域，为使工程进度按照原计划进行，故在没有完善的地质资料的条件下，采取钻凿探孔的方式以了解开采范围内的高温火区分布情况。根据现场现有的施工设备情况，选择直径138 mm潜孔钻机，分别在每个平台沿东西走向和南北走向每隔50 m钻1个深度约为15 m的钻孔，成孔后用红外线测温仪记录原始温度并用铁板进行覆盖加以保护，并设置安全告示。

2.3 降温方案

2.3.1 孔温现状及降温要求

对需要爆破的区域钻凿120个探孔后用红外线测温仪测温，得知现开采区域内70%探孔的温度介于80～230 ℃之间，20%探孔温度高于230 ℃，10%探孔温度低于80 ℃；前期大量实验证明：乳化炸药、电雷管、导爆索在100 ℃的环境中6 h内爆炸性能稍有降低，但不会发生爆炸，因此将高温火区的温度降至100 ℃以内，安全施工才有保障。通常情况下对炮孔采用轮流降温，一段时间后对炮孔温度进行复测，检测分析其中35个炮孔温度合格， 65个炮孔温度不合格。

2.3.2 原因分析

通过对钻孔后的孔温，降温时间，降温用水量，持续时间，孔壁完整情况等进行统计分析，找出了降温不合格的原因，并得出影响因素统计表(见表1)。

表1 炮孔降温影响因素统计

2.3.3 目标确认

通过炮孔降温影响因素分析确定：孔温高于300 ℃、水量不足、降温时间过短为A类问题，需要制定有效的对策进行重点管理；将累计频率80%～90%区间的定为B类问题,即次要问题，孔内裂隙过多、管内直接出水等问题应照常规适当加强管理。

2.3.4 对策制定

参考以往类似工程的施工经验，炮孔温度高于230 ℃高温炮孔需持续降温，且降温时间保证在24 h以上，降温效果明显，停止注水15 min后，炮孔温度不高于80 ℃。运用此方法需保证2套及以上给水管线设备，1台工作，1台检修备用，以保证降温过程持续进行。

温度介于80～230 ℃之间的炮孔可采用2辆15 t的洒水车，外接消防软管和分水器，轮流对炮孔进行注水降温，每隔3 h用热电偶测温仪对降温后的炮孔进行测温并记录。因本区域范围内的炮孔温度跨度范围大，故需通过分水器流量调节阀，及时调配每个炮孔的注水流量，合理利用水资源，保证每个炮孔在爆破前均降至80 ℃以下，可进行安全爆破。

230 ℃以下的区域通常一次可爆破9个炮孔，故采用9口分水器，分水器进水端头连接消防软管，给水管和洒水车都能与其进行任意切换，以便缩短停水时间改善降温效果；降温过程中密切观测炮孔内水位情况，及时调整注水流量。

2.4 爆破方案

2.4.1 高温火区爆破设计

高温火区爆破作业严格遵守爆破安全规程的相关规定，通过对诸多类似矿山开采爆破的经验总结，为保证爆破质量，提高台阶平整度，爆破一般采用三角形布孔方式，布孔参数为6.5 m×4.0 m，遇特殊情况，也用单排布孔、矩形布孔方式。岩石剥离钻孔选用138 mm孔径潜孔钻机，所有的潜孔钻机必须安装除尘装置方可作业。台阶高度10 m，考虑到注水降温过程中会有部分碴料和孔壁碎石在水流的冲刷下进入炮孔，沉积在孔底，故炮孔深度不小于13.5 m，实际装药前炮孔深度不大于13.0 m。现场穿孔地形多为砂岩、页岩、泥岩，钻孔必须保证爆破最小抵抗线3.5 m，钻孔过程中，遇到裂隙、坍塌、采空区等情况，应及时汇报。钻孔时如遇煤层应立即停止钻孔作业，并回填至煤层顶板上0.5 m才准爆破，防止破坏煤层。

2.4.2 爆破参数

孔距6.5 m，排距4.0 m；根据现场地形布置2排梅花形钻孔，布孔直径138 mm;最小抵抗线W=3.5 m;孔深H=13 m;单孔装药量按下式确定[2-4]：

Q=qabH

(1)

式中 ：Q为单孔装药量，g；q为单位体积炸药消耗量，一般取0.4～0.5 kg/m3；a为孔距，m；b为排距，m；H为炮孔深度，m。

根据理论公式计算和实际施工经验确定，干孔选择粉状乳化炸药装药：露天矿台阶高度h=10 m，超深h1=3.5 m，炸药单耗q=0.40 kg/m3，单孔药量Q1=100 kg。

全水孔装药：选择直径为110 mm胶状乳化炸药，延米装药量为11 kg/m，装药长度约为9.1 m，单孔装药量100 kg，炸药单耗不变，仍能满足爆破效果的要求。

对于含水量较少或孔底积水的炮孔，选择胶状乳化炸药装药；无论选择何种炸药装药时填塞长度均不低于4 m，大于20倍炮孔直径，以满足安全需求。

2.4.3 爆破网路与现状

此前的爆破网路多数采用导爆管雷管起爆地表主导爆索，继而引爆与其“T”型连接的孔内导爆索，起爆炸药在延时方面，第1排采用MS1雷管，第2排采用MS3雷管，爆后检查盲炮包含以下2种情况：①起爆雷管未起爆造成第1排未起爆，或第2排未起爆，或均未起爆；②起爆雷管已起爆，但出现部分炮孔未起爆。安全隐患大，排除比较困难。

2.4.4 原因分析

现场实地考察、收集数据发现，造成盲炮的原因：①导爆管横跨地表裂隙时，逸出的高温蒸汽将导爆管烫断，不能传爆至雷管进而未能起爆主导爆索；②主导爆索已起爆，但“T”型搭接处角度有误，未能起爆支路导爆索；③孔内填塞段导爆索直接与高温岩石接触被烫断。

2.4.5 对策制定

参考以往类似工程的施工经验决定，采用孔外电雷管起爆导爆索的网路，导爆索下放至孔底，在施工中采取如下措施：

1)爆破网路为孔外延时导爆索网路。第1排孔孔外采用MS1电雷管，第2排孔孔外采用MS3电雷管，每孔外2发电雷管，选用同厂同批的电雷管，导通电阻差值不大于0.2 Ω并通过调节脚线长度，使其电阻值相等，检测合格后并联，将每个孔的起爆雷管与主网路串联；

2)爆破母线的敷设要避开装药人员的撤离路线，以防撤离过程中踩坏网路；遵循“先导通后放线”的原则，并记录电雷管和母线的总电阻，起爆前不间断地检测爆破网路情况，以防操作过程中的失误造成高温盲炮；

3)对距离孔口4 m的填塞段导爆索进行隔热防护即包裹隔热玻璃纤维棉；与电雷管采用正向连接，用胶带绑扎5～8层，孔内使用导爆索连接起爆药包，连接后形成简单的单向传爆起爆网路。

3 爆破安全防护措施

1)严格测温：裂隙发达区的高温炮孔降温后最容易产生温度升高反弹现象，经过注水降温的炮孔内有大量水蒸气，普通测温仪无法准确测温，因此采用多点式热电偶测温仪严格准确地测量孔温；准确记录，确定可以进行装药爆破的炮孔。

2)注水降温：钻孔后200 ℃以上的炮孔使用给水管，配备9孔分水器，根据孔温变化情况调整每孔注水量，孔温较高时可在水中加入适量的CaCl2、MgCl2改善降温效果。

3)复测孔深：对降温后的炮孔采用直径130 mm的重锤绳进行下放实验，复测孔深，掌握有无卡孔情况，根据孔深准备每个炮孔所需要的炸药量，如重锤能顺利通过，则绝热护套包裹的药包也能顺利装入孔内。

高温炮孔降温用水量大，降温时间长，孔口的碴料易随水流进入炮孔造成堵塞，因此钻孔后应及时清理孔口周边碴料，做好护孔工作。

4)隔热防护：全水孔时，可将直径110 mm的煤矿许用2#岩石乳化炸药逐条放入炮孔，为了加快其下沉速率，可在药卷中塞入2个小石块，边装药边用竹木炮棍下压，减少装药时间。

孔内有部分积水的炮孔，可将直径110 mm的煤矿许用2#岩石乳化炸药装进直径125 mm隔热装置，其外层与高温孔壁、水等外界环境直接接触，装药过程中受到上部药卷的作用力、热辐射、热对流作用较强，故要求使用具有一定强度，且耐高温、防水、柔性隔热材料，大量实验表明以玻璃纤维为主材的海泡石能满足要求，且可以在其外层涂覆一层聚氨酯改性氯丙树脂反射型隔热材料，以减少部分辐射热的吸收。内层材料选择导热系数较小的隔热泡沫橡胶，并在其表面可涂覆1 层如红外发射粉末类的辐射型隔热材料，使得其内部热量能够以热发射的形式辐射出去，以保持炸药低温的特点[5]。

对降温后孔内无积水的干孔，可根据其深度下放对应长度(比孔深长20 cm)的柔性伸缩钢丝帆布管，外侧涂有上述隔热材料，直径125 mm，在孔口位置用特制的 “井”字型卡具将其固定，以防滑落，可快速将导爆索和粉状乳化炸药装入其中。

在高温火区爆破中导爆索的传爆性能是安全施工的必要保证，因此，本工程采用每孔双股导爆索并联后，填塞段加套隔热保温棉，下坠重物放置孔底。

每个孔口放置2个小沙包，电雷管与导爆索连接后，包裹隔热保温棉，用沙包一上一下压紧，防止高温蒸汽从地表裂隙逸出烫断导爆索或加热电雷管造成早爆、误爆等安全事故。

5)反程序施工：在高温火区爆破中，装药后，炸药和导爆索急速受热，是深孔高温爆破的危险期，最短的时间内实现安全起爆是最大的安全保障；故在复测孔温和孔深确定能进行装药起爆前，必须对爆区300 m范围内进行安全警戒，确定具备安全爆破的条件后，在炮孔周边放置适量的填塞碴料，根据孔深和炮孔含水情况确定合适的炸药类型、炸药量以及绝热措施。采用此方法施工具有工艺简单、现场可操作性强、施工安全系数高、施工成本低等特点[6]。

为了保证装药的速度，进行深孔高温爆破孔数不宜过多，一般为9 个，炮孔不宜太深，降温后孔深不超过13 m，坚持“少孔多爆”的原则，深孔高温爆破必须严格按照爆破安全规程的规定进行爆破作业。

6)装药异常情况的处理：装药时每人负责一个炮孔的装药和填塞工作，爆破总指挥在爆区外持对讲机和起爆站网路监测人员保持沟通；装药过程中如遇网路断路，爆破总指挥应立即下令停止装药，采取安全措施后检查网路，重新连接，检测合格后方可继续施工；遇到个别炮孔装药卡孔时，应立即放弃装药，将剩余的炸药搬至作业区外，尽快撤离至安全区域，等待起爆。

4 爆破施工与效果

高温火区爆破需要经验丰富的爆破从业人员进行装药作业，并进行现场安全技术交底：①按炮孔分配装药人员， 装药前理顺导爆索，谨防下放过程中打结，并对准备装药的全部炮孔进行检查。②从炸药运入现场开始，先确定警戒区范围，后搬运炸药至爆破作业区；搬运过程中应轻拿轻放，沿孔壁缓慢下放，经过绝热加工的药卷，装药填塞结束后，迅速撤至爆破警戒区外，严禁再进入爆区进行其他作业。③爆破作业前用GPS和RTK做好孔位坐标和装药量原始记录，如出现盲炮可根据测量数据进行放样，以便减少盲炮排除工作，提高其作业效率，进而实现高温火区安全高效爆破的目标。④装药过程中发生卡堵，导爆索损坏，严禁用炮杆进行处理，并及时向炮区负责人汇报，插上标志，按盲炮处理。⑤装药时，每人负责一个炮孔，其他无关人员严禁入内。⑥遵守劳动纪律，严格按设计要求进行施工。

本工程采用PDCA循环安全管理后未发生一起盲炮等安全事故，爆破效果良好，实现了高温火区安全快速施工，爆后效果如图1所示，可为今后类似工程提供参考。

图1 爆后效果