黑岱沟露天煤矿松动爆破空气间隔装药的研究与应用

姚建华

（神华准能集团有限责任公司 黑岱沟露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

在露天采矿的生产成本中，运输成本占比最大，其次就是爆破成本，约占生产总成本的23%[1]。因此，有效降低爆破成本，也是提高露天矿经济效益的重要手段之一。目前，国内外矿山都对分段装药进行了一定的研究，也取得了不错的成果。但每个露天矿的生产工艺和地质条件不尽相同，所研究的成果也不具有普适性。需要工程技术人员根据自身露天矿的特点进行针对性研究。通过对松动爆破时如何使用空气间隔器的研究，可有效改善爆破效果，对降低露天矿综合生产成本有着较大意义。

1 工程概况

国家能源投资集团准格尔能源有限责任公司黑岱沟露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市薛家湾煤田中部，露天矿的南侧为神华准格尔能源有限责任公司哈尔乌素露天煤矿，黑岱沟露天煤矿开采6＃煤层，原煤储量14.98 亿t，1990 年开始筹建工作，先后进行试产，正式生产以及多次改造，煤炭生产能力由1 200 万t/a 增加至3 400 万t/a[2]。黑岱沟露天煤矿采剥总量超过1 亿m3/a，为国内单坑产量最大的露天煤矿之一。

黑岱沟露天煤矿赋存的岩石主要种类如下：细砂岩、砂页岩、粗砂岩、泥岩、中砂岩和高岭土，均为沉积岩，层状分布[3]。根据黑岱沟露天煤矿现场岩体波速测试，泥岩岩体波速为1 273 m/s，砂岩岩体波速为796～1 118 m/s。根据实验室岩石波速测试，泥岩岩石波速为3 744 m/s，砂岩岩石波速为1 586～3 226 m/s[4]。

2 岩石破碎机理

依据露天岩石台阶深孔炸药破碎岩石机理得知，炸药起爆后，在炸药产生的冲击波及产生的爆炸气体共同作用下，钻孔四周由外向内分别产生震动区域、裂隙区域以及破碎区域。炸药产生的爆炸能量主要在裂隙区及破碎区，也就是说炸药对岩石的破碎主要集中在裂隙区和破碎区，台阶爆破炸药爆破区域图如图1。图中：Rb为钻孔半径，m；Rc为破碎区域半径，m。

图1 台阶爆破炸药爆破区域图

破碎区域半径计算如式（1）：

式中：ρ0为炸药密度，g/cm3；D 为炸药爆速，m/s；n 为爆炸产物膨胀碰撞孔壁时压力增大系数；Kd为装药径向不耦合系数；σcd为单轴动态抗压强度，Pa；α 为冲击波载荷传播衰减指数；lc为装药系数，lc＝装药长度/（炮孔长度-填塞长度），采用连续装药结构时，lc＝1；rb为炮孔半径，m。

式中：μd为动态泊松比，为静态泊松比的0.8倍；b 为侧向应力系数，b＝μd/（1-μd）。

根据式（1）、式（2）可以总结出：当钻孔直径、炸药的基本性能、岩石台阶的基本性质相同时，岩石破碎区域的半径和不耦合的系数Kd、轴向系数lc有关系。黑岱沟露天煤矿每年的爆破量很大，利用生产效率高的炸药混装车作业，要求爆破施工效率极高，采取径向耦合的装药方式。所以，破碎区域半径只与轴向装药系数有关，单孔装药量越少，破碎区半径越小。在这种情况下，应用空气间隔的方式，可以降低单个钻孔的装药量，并适当缩小孔距、排距和充填高度，增加炸药能量对岩石台阶上部、下部岩石的破碎，进而可提高爆破质量、降低露天矿山的综合生产成本。同时，利用空气间隔装药，可以减小钻孔内炸药爆炸的峰值压力，增加应力波在钻孔中的作用时间，减小破碎区域半径，避免破碎区域半径过大，消耗太多能量，造成炸药能力利用率低，导致爆破成本增高。

空气间隔装药按间隔位置可分为上部、中部以及底部3 种方式。由于岩石台阶上部、底部容易出现大块及根底，中部炸药能量相对充足，所以在岩石台阶的炮孔中部进行空气间隔。

3 空气间隔装药在煤台阶爆破中的应用

3.1 爆破参数和结构

1）爆破参数。露天煤矿煤层厚度平均28.9 m，使用牙轮钻机钻孔，孔径200 mm，超深3 m，使用炸药混装车进行装药，使用的炸药主要有乳化炸药、铵油炸药以及重铵油炸药。其中，铵油炸药占主导地位，抵抗线较大的炮孔使用重铵油炸药，水孔使用乳化炸药。采用连续装药的方式，地表管使用数码雷管进行毫秒延期，控制排延期时间为17 ms，支路排延期时间为42 ms，孔内使用导爆索。

2）装药结构。当装药结构为连续装药，炸药在炮孔内部爆炸产生的压力大，炮孔周围粉碎区的范围大，炮孔周围岩体破碎程度高，此区域大量消耗炸药能量，导致裂隙区范围较小，影响露天矿山的爆破效果及经济效益。采用分段装药可以有效降低破碎区的半径，增加裂隙区的半径，提高块煤率，提高炸药能量利用率。故将连续装药结构优化为空气间隔装药结构。

3.2 分段装药结构优化试验

依据6＃优质煤在煤层中的分布情况，确定间隔位置，并分2 个阶段优化间隔长度。原设计装药图如图2、第1 阶段装药图如图3，第,2 阶段装药图如图4。

图2 原设计装药图

图3 第1 阶段装药图

图4 第2 阶段装药图

1）第1 阶段。依据煤台阶岩性硬度，穿孔、爆破、采装等环节的工艺条件，进行较为保守的第1 阶段试验。排距8 m 保持不变，孔距由10 m 减小至9 m，采用空气间隔分段装药结构，煤层厚度为30～32 m，超深3 m，炮孔下部装13～15 m 铵油炸药，中部空气间隔的长度为6 m，上部装8 m 铵油炸药，保证6 上煤的爆破质量，充填高度由10 m 减小至6 m，综合煤台阶的炸药单耗降低15.3%。

2）第2 阶段。调整采掘设备，将采掘6 中煤的前装机调整为采掘能力较大电铲，可以适当增加煤炭的爆破块度，适当增加空气间隔的长度，空气间隔长度再增加2～8 m。排距8 m 保持不变，孔距9 m 保持不变，炮孔下部装10～12 m 铵油炸药，，上部装8 m装铵油炸药，保证6 上煤的爆破质量，充填高度由6 m 增加至7 m，综合煤台阶的炸药单耗由0.254 kg/m3减小至0.230 kg/m3。②试验第2 阶段煤台阶爆破块度再一次增加，由于调整的采掘设备采掘能力增加，仍未出现大的煤块影响设备采掘，也未出现爆破根底的问题，炸药单耗再次降低约9.4%。

综合煤台阶排距保持8 m 不变，孔距由10 m缩小至9 m，连续装药结构调整为8 m 空气间隔装药结构，炸药单耗降低了0.07 kg/m3，炸药单耗降低了23.3%。按黑岱沟露天煤矿年产煤炭3 400 万t、铵油炸药成本330 元/t 计算，每年可节约炸药成本493 万元。

4 空气间隔器在岩石台阶爆破中的应用

4.1 爆破参数和装药结构

1）爆破参数设计。露天煤矿岩石爆破单台阶高度15～16 m，使用牙轮钻机钻孔，钻孔直径250 mm，炮孔超深1～3 m，使用炸药混装车进行装药，使用的炸药主要有乳化炸药、铵油炸药及重铵油炸药。其中，铵油炸药占主导地位，抵抗线较大炮孔使用重铵油炸药，水孔使用乳化炸药。采用连续装药的方式，使用数码雷管进行毫秒延期，控制排延期时间为42 ms，支路排延期时间为100 ms。

2）装药结构对比选取。当装药结构为连续装药，炸药在炮孔内部爆炸产生的压力大，炮孔周围粉碎区的范围大，炮孔周围岩石破碎程度高，此区域大量消耗炸药能量，导致裂隙区范围较小，影响露天矿山的爆破效果及经济效益。采用分段装药可以有效降低破碎区的半径，增加裂隙区的半径，提高炸药能量利用率[5]。

4.2 分段装药结构优化试验及效果分析

用空气间隔器将炮孔内的炸药分隔成2 段，由于炮孔底部夹制作用较大[6]，故取上分段炸药量占单孔装药量的40%，下分段炸药量占单孔装药量的60%。选取岩性较为均一的砂岩分4 次进行试验对比，每次炮区长度为300 m，试验均平均分为3 部分，每部分台阶长度均为100 m，并命名为Xa、Ya、Za（a 取值为1、2、3），试验对照见表1。试验数据结果对照表见表2。

表1 试验对照表

表2 试验数据结果对照表

在岩性较为均一砂岩中进行爆破，获取相当的爆破效果时，间隔装药比连续装药炸药单耗低，综合成本可降低约4.8%；当采用相同的炸药单耗进行爆破时，间隔装药比连续装药获取的爆破效果好，可降低采掘、运输等其他环节的生产成本。

5 空气间隔装药在水孔中的应用

黑岱沟露天煤矿水孔约占总孔数10%，尤其在夏季，雨水较大，且会流入或是渗入炮孔，水孔的数量与水深均会大幅度增加，铵油炸药与水接触变会影响爆炸性能，故水孔使用防水的乳化炸药[7]。但乳化炸药生产程序复杂，价格高、密度大，不仅增加了炸药单耗、生产成本，而且乳化炸药装药效率低，严重降低了生产效率[8-10]。为此，将水孔的装药结构由乳化炸药连续装药结构调整为乳化炸药-铵油炸药混合装药结构，即当炮孔水深为0.5～3 m 时，在炮孔底部装5 m 乳化炸药，将炮孔内的水排至炮孔中部，使用间隔器把水隔开，上段使用铵油炸药。以标准孔深18 m 为例，炮孔水深0.5～3 m，炮孔下分段装乳化炸药，长度5 m，中段使用间隔器，上分段使用铵油炸药，长度4～5 m 充填。与乳化炸药连续装药相比，单孔可降低炸药成本约647 元。根据统计，2020 年黑岱沟露天煤矿水深在0.5～3 m 的炮孔数约为2 600 个，水孔装药结构优化后，黑岱沟露天煤矿每年可降低水孔装药成本约170 万元。

6 结语

黑岱沟露天煤矿岩石台阶松动爆破采用3 m 空气间隔比连续装药结构炸药单耗可降低约4.8%；综合煤台阶采用分段装药可降低炸药单耗，当间隔距离为8 m 时，炸药单耗降低约23%；采用乳化炸药-铵油炸药混合分段装药结构可有效降低水孔的炸药成本。