钻孔注浆护壁技术在大南湖二号露天矿火烧区爆破中的应用

梁 斌

（新疆安顺达矿山技术工程有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

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效果，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Ⅳ火烧区地质条件下的钻孔爆破，现场采用恒特HT150 型一体化潜孔钻机、SWD138R 型一体化潜孔钻机进行火烧区钻孔作业，由于岩石性脆易碎，钻孔过程中风机吹渣压力过大会导致炮孔吹成空洞，钻具抽取后就塌孔无法进行后续的装药爆破，给Ⅳ火烧区的剥离作业造成很大影响，必须采取措施解决火烧区钻孔成型问题，以保证火烧区的正常剥离作业。目前，该矿烧变岩石区域正位于采场推进前方，无法解决钻孔问题，将直接影响采场剥离爆破，从而影响采煤生产，因此，解决火烧区钻孔质量问题是首要任务。

1 工程概况

哈密大南湖矿二号露天煤矿位于新疆哈密市境内，属哈密市南湖乡管辖，距哈密市区约84 km，距南湖乡约45 km。相互平行的哈罗公路和哈罗铁路从大南湖二号露天煤矿西北部穿过，哈罗铁路在本矿附近设有巴特站，将满足大南湖矿区优势资源转化。目前新疆重要的运输干线兰新铁路和甘新公路（312 国道）自东南而西北由矿区北东侧经过，距矿区边界约60 km。矿区交通十分便利。

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）。矿区及周边50 km 范围内无地表水系。

大南湖矿区西区地处哈密市南无植被荒漠戈壁区，气候条件比市区更差。哈密市年平均气温8～11℃，1 月最冷，7 月最热，最热月与最冷月的平均气温之差（气温年较差）较大，一般可达36～40 ℃。

哈密大南湖二号露天煤矿Ⅳ火烧区位于矿田中北部，火烧面积较大，火烧面积大约7.06 km2，占年度总剥离量的1/3，Ⅳ火烧区是由于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。同时岩石中存在大量烧变程度较高，较硬的孤石。

2 火烧区爆破难题解决

首先，改进钻孔设备，通过对原装FH400 型水井普通钻机进行改进，并在钻孔成形后及时进行泥浆护壁，成孔率显著提高，可达95 %以上；其次，改变爆破参数，将岩石剥离爆破台阶高度由原来的10 m 调整减少到5 m，分台阶进行爆破，减少炮孔深度、增加钻孔成孔率；再次增加穿孔密度，降低穿孔直径，将孔网参数由原来的排距5 m，孔距为7.5～8 m，调整为排距5 m，孔距为6～6.5 m，将孔径φ138 mm 调整为φ120 mm。经过工程实践，取得了良好的爆破效果[1-4]。

2.1 常规钻孔设备

常规钻孔设备一般为露天潜孔钻机，常用潜孔钻机有分体机和一体机，分体机机械化程度较低，如金科590 型潜孔钻机、开山KG510 型潜孔钻机等，钻机和动力设备空压机是分开的2 台独立设备，一体机机械化程度较高，如SWD138R 型一体化潜孔钻机，恒特HT150 型一体化潜孔钻机等，空压机和钻机的动力设备是由同一台采油机提供，集成化程度较高。常用钻孔直径为120 mm 或138 mm，最大钻孔深度25 m。最大提升速度25～30 m/min，回转速度0～100 r/min，最大爬坡度25°～30°。分体机钻机质量4～5 t，最大行走速度1.8～2.5 km/h，钻孔能力40～50 m/h。一体机钻机质量15～25 t，最大行走速度3.5～4.5 km/h，钻孔能力60～70 m/h。

2.2 设备改造

根据火烧区地质情况，普通潜孔钻机钻孔完成钻孔后，钻具抽取后就塌孔，无法进行爆破作业。只有采用水井钻机钻孔，采用泥浆护壁技术才能完成钻孔，采用普通型水井钻机钻孔效率较低，效果不理想。因此，对原装FH400 型水井普通钻机进行了改进，改进主要内容为：①对履带进行了加长，增加了钻机的稳定性；②对钻机塔架进行了前移，使操作较原机更为方便、灵活；③将空压机、发动机、发电机、泥浆筒、泥浆泵、散热器集中设置安装在钻机平台上，成为一体式钻孔机，改进后设备功能齐全、布置合理、使用方便，适合火烧区作业。

2.3 设备钻具技术改进

1）冲击器位置。常规潜孔钻机的冲击器紧接着钻头，处于钻孔底部，冲击器效率较高，但是对钻孔周边振动较大，周边围岩破碎时，易振动造成塌孔。钻杆的连接采用的是牙形丝扣连接。钻头底部设置2 个垂直小孔。因下置冲击器接触孔周边破碎围岩时，易振动造成塌孔，现将原来的下置冲击器，改进为顶置冲击器，克服了原设备的缺点，钻孔成孔率大大提高。

2）钻杆的材质强度及改变钻杆形状。钻杆的材质由原来使用27CrMo 钢材，改为26CrMo 钢材（S135 钢级），提高了钻杆的材质强度，增加了钻杆的耐磨性，延长了钻杆的使用寿命。将原来使用圆形的钻杆，改为六棱形，其优点为：排渣空间大、效果好，在棱形边上可加焊EDZCr-B-OA 耐磨焊条，增加其耐磨损性，延长了使用寿命。

3）与钻杆的连接。原来钻头与钻杆的连接采用是牙形丝扣连接，现改为波纹丝扣连接，受力均匀耐用，克服了原来连接部位易断现象，延长了使用寿命。

4）钻头改进。将原有钻头底部设置的2 个垂直小孔（φ15 mm），改造为倾斜孔，克服了原来易堵小碎石的现象。在原有钻头上加焊6～8 条加强焊缝，厚度一般在3 mm，增加其磨损性。

3 护壁技术方案

1）爆破参数的确定[4-5]。情况下大南湖二号露天煤矿，岩石剥离爆破台阶高度10 m，孔径138 mm，炮孔布置参数为排距5 m，孔距7.5～8 m，钻孔超深0.5 m。由于火烧区钻孔成型难度较大，为了提高成孔率，确定台阶高度降低为5 m，孔深定为5.0 m，孔径减小为φ120 mm。

2）护壁技术选择。根据现有的技术和设备条件，护壁技术有2 个方案可供选择：①方案1：泥浆护壁，孔深到位后，孔内灌注泥浆，再通过空压机的风压作用将泥浆吹至孔壁围岩缝隙中，形成护壁层；方案1 优点：成孔率可达95%以上，成本低，人员较少，工艺较简单，操作时间较短；缺点：噪音较大；②方案2：跟管护壁，边钻边跟管，孔深到位后，下设抗静电PVC 套管；方案2 优点：成孔率高，达到100%，噪音较小；缺点：施工时间较长，成本高，人员使用较多，劳动强度较大，工艺较复杂。经过经济技术及优缺点比较，选择方案1 泥浆护壁技术，泥浆采用钻井液用膨润土与水配置而成，配比为1：14。

3）护壁工艺。钻孔2 m→孔口灌注泥浆，护孔口→钻孔到设计深度→打开空压机吹孔内岩渣→提钻杆距孔底100 mm→孔内灌注泥浆→打开空压机利用风压作用将泥浆吹至孔壁围岩缝隙中，形成护壁层新工艺[6]。

4 爆破参数改变及爆破效果

4.1 爆破参数改变

将爆破台阶由原来的10 m 台阶调整为5 m，分台阶进行爆破，减少炮孔深度、增加钻孔成孔率；增加穿孔密度，降低穿孔直径，将孔网参数由原来的排距5 m，孔距为7.5～8 m，调整为排距5 m，孔距为6～6.5 m，将孔径φ138 mm 调整为φ120 mm[7]。

火烧区内采用的爆破参数为：孔径φ120 mm，孔深为5 m，孔距为6～6.5 m，排距5 m，前排坡顶距3～3.5 m，均为垂直孔；炮孔一般布置4～5 排，为多排梅花孔布置方式，采用耦合连续装药方式，线装药密度14 kg/m，每孔装药量35 kg，填塞长度2.5 m，起爆药卷采用2 号岩石乳化炸药（φ32 mm，0.3 kg/卷），内设1 发电子雷管，炸药采用的是混装乳化炸药，爆破网路为电子雷管专用网络，孔间延期时间40 ms，排间延期时间80 ms，为正向起爆方式，平均单耗为0.21 kg/m3。

4.2 爆破效果

采用普通钻机在火烧区钻孔，成孔率仅为30 %，塌孔现象较为严重，爆破后经常有留根底现象，有时还需二次爆破处理，影响铲装作业，综合效率较低。采用新工艺泥浆护壁技术后，成孔率可达95 %以上，爆破后，无飞石冲孔现象，爆堆集中，达到了露天松动爆破的效果，爆堆最低处下降约100 mm 左右，无留根底现象，6～7 m 深度内可满足挖运作业的要求，爆破效果较好。

5 结语

对于大南湖二号露天矿火烧区内存在的烧变岩及烧变程度较高较硬的孤石，采用现有的穿孔设备施工时，钻具抽取后就塌孔，无法进行后续的装药爆破，通过技术创新，使用了适合火烧区的穿孔设备，采用了注浆护壁技术，成功解决了在火烧区烧变岩中进行穿爆工程的技术难题。