大南湖二号露天煤矿烧变岩石爆破试验

沈君东，李 超，王 玮

（新疆安顺达矿山技术工程有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

烧变岩石区岩体岩石密度较小，呈红褐色，属易碎裂岩石，耐冻性差，抗风化能力弱。岩体裂隙、孔隙相对发育，结构面粗糙，岩体完整性差，同时岩石中存在大量烧变程度较高，较硬的孤石，岩段岩石质量以极劣为主，岩体破碎，稳固性差。

岩石的爆破破碎主要是炸药爆炸应力波和爆炸气态产物膨胀共同作用的结果，要保证烧变岩石爆破质量，就必须保证钻孔质量、装药质量和填塞质量。大南湖二号露天煤矿前期烧变岩石区采用金科590型潜孔钻机、恒特HT150 型一体化潜孔钻机、SWD138R 型一体化潜孔钻机进行钻孔作业。

由于烧变岩石性脆易碎，前期钻孔过程中风机吹渣压力加大导致炮孔吹成空洞，提杆后炮孔下部坍塌，孔深达不到装药要求，无法有效装药[1]；风机吹渣压力减小会导致孔内碎渣太多，无法取出，提杆后碎渣滑落，无法成孔；综合造成现场钻孔成孔率低，孔深达不到设计要求，无法装药，爆破效果差[2]。目前烧变岩石区正位于采场推进方向，无法解决钻孔爆破质量问题，将直接影采场剥离及采煤工作，为此，开展烧变岩石爆破实验研究势在必行。

1 矿山概况

大南湖二号露天煤矿位于新疆哈密市，属哈密市南湖乡管辖，距哈密市区约84 km，位于大南湖煤田的西部，哈密市南-西南方向，直线距离50～70 km，设计能力为1 000 万t／a，境界内最大采深670 m。

大南湖二号露天煤矿位于残丘台地区，残丘山体低而散乱，山顶浑圆，相对高差不大，干谷宽阔，台地台面较平坦，地表被残积、坡积的岩屑层所覆盖，通称戈壁（南湖戈壁）。矿区及其周边50 km 范围内无地表水系，矿田内为无地表植被的荒漠区。

烧变岩石区（烧变岩石区域）位于大南湖二号矿田中北部及矿田东部。烧变岩石是煤层自燃导致煤层上覆岩系及围岩烧变、烘烤，使变形特性原本塑性的岩石变的性脆易碎，岩体呈碎裂结构，结构体呈片状、板状、碎块状、楔形、菱形体等。愈邻近燃烧煤层的顶板，岩貌显现为熔融岩，以局部发育微小的气孔构造为特征。总体烧变岩段岩貌以红色色调为主，次为浅黄、黄、灰白等杂色。

烧变岩石区东西长约3 800 m，南北宽约1 800 m，火烧面积大约为7.06 km2，该岩段在三维空间的分布形态较为复杂，烧变岩厚为0～87.55 m，最深为87.55 m。

根据采样钻孔岩石测试成果统计，采区内以粉砂岩、泥岩、砂质泥岩为主，剥离物强度小于6 MPa的岩石比例约为7.5%，介于6～15 MPa 的岩石占66%，大于15 MPa 的岩石占26%，煤系地层岩性多以泥岩、泥质胶结的粉砂岩为主。剥离物强度不均一，岩层对比较困难，岩石强度在平面上变化较大。

大南湖二号露天煤矿剥离开采工艺采用单斗-卡车间断开采工艺，采煤开采工艺采用单斗-卡车-半移动式破碎站-带式输送机半连续开采工艺，煤系地层上覆剥离及层间厚层剥离的标准台阶高度10 m，即烧变岩石区正常台阶高度为10 m。

2 烧变岩石爆破试验

2.1 烧变岩石区台阶分层爆破试验

针对现有潜孔钻机进行烧变岩石区钻孔作业时，成孔率低，孔深达不到设计要求情况，研究决定将烧变岩石区爆破台阶由原来的10 m 台阶调整为5 m，各台阶分层进行爆破[3]，减少炮孔深度、增加钻孔成功率，以达到良好爆破效果，同时满足现场采剥设备分层采剥要求。上层5 m 爆破采剥后将作业面平整完毕再次进行钻孔、爆破及剥离作业，以达到标准化作业要求。

单纯采用台阶分层爆破，减少了单个炮孔深度，钻孔成功率有所增加，但增加有限，而且此方法将10 m 台阶分为两次爆破，增加作业程序，单次爆破量较低，采剥效率不高，且局部焦结块由于孔网参数较大[4]，未进行有效钻孔爆破，挖运后仍形成孤石、大块，需液压破碎锤二次处理。

2.2 孔网参数和孔径调整爆破试验

根据大南湖二号露天煤矿采场岩石性质及日常爆破经验，现用烧变岩石区爆破孔网参数为排距5 m，孔距9 m 或者排距5 m，孔距7 m，钻孔直径138 mm，但通过台阶分层爆破试验发现局部焦结块由于孔网参数较大，未进行有效钻孔爆破，挖运后仍形成孤石、大块[5]，且部分炮孔为实现有效钻孔深度必须加大风压，吹出碎渣，138 mm 钻孔直径加大风压后直接导致炮孔被吹成150 mm 甚至180 mm 直径炮孔，或底部直接形成空洞，无法装药。

针对此情况，进行孔网参数调整，孔排距调整为排距5 m，孔距5 m，增加钻孔密度；同时缩小钻孔直径[6]，孔径由138 mm 降低为120 mm，在钻孔过程中适当加大风压，提高钻孔成功率、合格率。

采用台阶分层爆破，同时将孔距、排距由原来的9、5 m 和7、5 m 调整为5、5 m，钻孔直径调整为120 mm，钻孔成孔率增加的同时，增加了钻孔密度，有效对未知焦结块进行钻孔，但同时出现新的问题，钻孔密度增加后[7]，每到焦结块区域钻孔时，现有潜孔钻机仍无法有效成孔，形成部分孤石，需破碎锤二次处理，无法根本解决烧变岩石区钻爆问题。

2.3 合金套管和PVC 管护壁成孔试验

通过前期试验中对烧变岩石区台阶高度、孔网参数、孔径等方面进行调整试验，可知受钻机设备限制，无法从根本上解决烧变岩石区钻孔问题，爆破效果仍无法保证，对现有钻机设备进行改造调整。

具体工艺改装方案如下：①拟改装1 台φ70 mm钻杆的钻机；②将现有φ120 mm 冲击钻头改装成φ156 mm 偏心钻头；③将现有φ120 mm 的定位套改装成φ170 mm 定位套；④为钻机准备4 根外径φ168 mm 的高强度合金套管，套管长度为1.5 m，以及φ120 mmPVC 管（防静电）若干。

作业过程：钻机进行第1 根长3 m 钻杆钻进前，将高强度长1.5 m 合金套管套在钻杆上，套管随钻头钻进沉入炮孔内部。钻孔深度达到1.5 m，进行提钻、卸钻杆作业，加上第2 根套管，以此类推，直至4根套管增加完毕，钻孔深度达到6 m。然后进行提钻、卸钻杆、钻头作业，此时套管上部挂住孔口，临时支护孔壁，将φ120 mm 的PVC 管放入炮孔中，然后将合金套管固定在钻架上，提钻拉出合金套管。

通过进行钻机设备改装调整，现场选取作业区域进行钻孔试验，但此次钻机改造，现场实际操作复杂、效率低下，未能达到预期试验效果，且各项材料使用成本较高，不具备大规模应用条件[8]。

2.4 适合烧变岩石的钻机设备改造试验

通过前期烧变岩石区爆破试验，为从根本上解决烧变岩石区钻孔、成孔及爆破问题，又联系钻机厂家生产人员，经多方研究，结合相关资料，以及对烧变岩石区岩性进一步分析，最终决定使用2 台山工170 改装型钻机进行烧变岩石区钻孔作业，该钻机安设有除尘设施及注浆设施，可根据不同地层选择注浆或填土造孔（浆水中有高度黏合剂），以此达到钻孔完整稳定的目的。结合烧变岩石区实际情况，计划在钻机钻孔过程中，减小风压，通过注浆设施不断向孔壁注入防塌剂，防塌剂通过钻杆旋转及吸附作用吸附在孔壁表面，形成1 层良好的吸附层，抑制岩石的碎裂分散，以此达到保护炮孔、提高成孔率的作用。

现场采用山工170 改装型钻机进行钻孔作业，通过添加黏合剂护孔，钻孔成孔率大大提高，且遇到坚硬焦结块也可正常钻孔，钻孔深度也全部在5 m以上，深度均匀，台阶面钻孔作业能按照钻孔设计开展，作业效率虽有降低，但基本满足烧变岩石区挖运进度，同时爆破质量提高，大块、孤石大大减少，配合免爆，轻松平整作业面，为二次5 m 钻爆作业提供作业条件，从根本上解决了烧变岩石区钻爆问题。

3 结语

1）通过对烧变岩石区台阶高度、孔网参数、孔径及钻机设备等方面的不断试验探索，单一调整无法从根本上解决烧变岩石钻爆破问题，单一调整存在效果差、效率低、经济花费高等明显缺点。最终采用分台阶爆破，台阶高度调整为5 m、钻孔直径定为120 mm、孔网参数调整为孔距5 m 排距5 m，同时使用山工170 改装型钻机进行钻孔作业，多措并举，进行爆破实验总结。

2）半台阶调整后，结合现有改装钻机特点，钻孔效率和普通台阶钻孔相比无变化，满足现场施工进度要求；经济效益方面，山工170 改装型钻机新增注浆、注水部，成本增加较小，在合理范围内；爆破效果方面，相较于以往烧变岩石区作业从根本上改善了爆破质量，无高大孤石遗留，爆破产生大块在可控范围内，作业面及边帮平整度大大改善，满足标准化作业要求，同时也为类似性质岩石钻爆开采作业提供参考。