胜利露天煤矿煤层可爆性评价研究

张京涛，聂守虎，丁小华，黄月军，邢博康，秦 浩

（1.国能北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林郭勒 026015；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

可爆性是煤岩体固有的基础性质，反映了煤岩体能抵抗爆破作用破坏的能力；可爆性越好，则爆破时煤岩体越容易破碎；反之，越不易破碎，容易出现大块。当前，露天煤矿多使用爆破开采，但矿山企业并没有适用的可爆性分析方法，往往通过参考相似经验的方式来决定装药量，爆破效果差强人意。

煤岩体的可爆性至今仍然是一个没有统一标准的模糊概念，随着不断研究与实践，在不同层次，使用不同原理分析煤岩体可爆性的方法越来越多。常见的分析煤岩体可爆性的方法有几十种之多，按照分析方法的不同，可以将这些方法分为基于单一指标的可爆性分级法和基于综合指标的可爆性分级法2 种[1]。

基于单一指标的可爆性分级法只选用某一种来进行分析，分析过程较简单；这种方法优点是灵活方便，可以在工程中快速使用，但其精度较低，效果较差。单一指标分级法有基于抗压强度的普氏分级法[2]、基于节理裂隙的勒科谢达洛夫分级法和基于爆破试验的利文斯顿爆破漏斗分析法[3]等。

基于多重指标的可爆性分级法通常会选取较多的因素进行综合评价，选取的因素越多，分析过程越复杂；这种方法考虑的因素较多，精度较高，可降低偶然误差，适合在做工程计划时进行详细分析，进行精细化施工管理；但是这种方法往往需要的大量不同类型的数据作为基础，更需要相关专家进行数据权重分析，评价时间较长，难度较大。多重指标综合分级法有基于脆性指数和熵权理论的可爆性分级法[4]、基于CRITIC－Vague 模型的可爆性分级法[5]、基于模糊多元线性回归模型的可爆性分级法[6]和基于综合赋权云模型的可爆性分级法[7]等。

现有的可爆性，多数是基于坚硬岩石与金属矿石，很少有专门针对煤层的可爆性分析，而煤层爆破相较岩层爆破和金属矿爆破有很大不同。岩层爆破只需要考虑减少爆破大块，利于运输；煤层爆破也要考虑减少末煤，提高效益[8-9]。即煤层爆破的威力不能太小，太小会产生过多大块，不利于装运，需要二次破碎，妨碍生产的连续性；也不能太大，太大会产生过多末煤与粉尘，不仅会降低企业效益，产生的粉尘也会污染环境，不符合国家保护环境、建设绿色生产的发展战略。

针对胜利露天煤矿的作业条件，采用基于单一抗压强度因素的普氏分级法和基于多因素的综合赋权云模型分析法进行煤层可爆性分析；找出一种合理的煤层可爆性分级法，在矿山生产中指导爆破装药工作，可以提高生产经济效益和保护环境。

1 可爆性分级方法

表1 抗压强度可爆性分级表

2）综合赋权云模型分析法。云模型是由李德毅院士结合概率论与模糊数学理论提出的处理定量数值与定性概念不确定转换的数学模型，能够有效解决模糊概念定量化问题。基于综合赋权云模型的可爆性分级法需要先选取煤的特征指标，测量相应指标值，再生成特征云模型并计算特征指标的确定度，然后对特征指标进行综合赋权以得到特征指标的综合确定度，最后得到煤的可爆性分析结果。

2 可爆性分级标准与分级特征

2.1 可爆性分级标准

参考相关岩石可爆性分级标准，可以根据煤的抗拉强度、抗压强度、密度、波阻抗和煤层的完整性系数将煤层的可爆性划分为极易爆、易爆、中等、难爆和极难爆5 个等级[7]，根据以上煤的5 个性质的值的范围确定的煤的分级标准。煤的可爆性分级标准见表2。

表2 煤的可爆性分级标准

2.2 分级特征参数

为了能够精准、全面地评价煤层的可爆性，在分析过程中选取的分级特征参数要尽量全面概括煤层爆破效果的影响因素。影响煤层可爆性的因素可以归纳为2 个大类：①煤层的物理力学性质；②煤层的节理裂隙发育程度。因此，综合选取胜利露天煤矿内煤的抗拉强度、煤的抗压强度、煤的密度、煤的波阻抗以及煤层完整性系数5 个指标作为胜利煤层可爆性分级的特征参数。

1）煤的强度。煤的强度分为抗拉强度和抗压强度。煤的抗拉强度和抗压强度是煤最基本的力学特征。在爆破过程中，煤层内部靠近炮孔的煤体会产生挤压破坏；边界上的煤体会因扩张产生拉破坏。煤的2 种强度直接决定了煤在受到爆破作用时破坏的程度，可以最直观地反映煤的可爆性。

2）煤的密度。煤的密度是煤最基本的物理参数，是煤各种物理性质的基础。

3）煤的波阻抗。波阻抗是煤层内部应力波传递需要克服的阻力。波阻抗越大，应力波越难传递，达成理想爆破效果需要的爆破威力也越大；反之，达成理想爆破效果需要的爆破威力越小。

腹腔镜输尿管切开取石手术在操作中，也存在一定的局限性[6]。如较为常见的结石移位，尤其开展初期，由于术前对输尿管结石位置判断不准确，在游离输尿管的过程中反复牵扯，挤压，导致结石从嵌顿处松动逃脱，进入到扩张的输尿管甚至进入肾盂、肾盏内；此外，输尿管结石合并肾盏结石，在腹腔镜输尿管切开取石后，对肾盏内结石处理极为不便，往往难取净结石，即使选择PCNL也难于将各盏结石取出，且PCNL手术过程中对输尿管嵌顿结石的碎石往往时间较长，容易出现输尿管损伤，术后输尿管狭窄发生率较高。

4）煤层完整性。煤层完整性是煤层内部节理裂隙发育程度的综合评价，在很大程度上影响了煤层的可爆性。煤层越完整，代表内部节理裂隙越少，爆破越困难；反之，则煤层内部节理裂隙较发育，爆破容易，可爆性好。煤层的完整性可以使用煤层完整性系数进行量化。

3 室内试验与现场试验

3.1 煤的强度测量

3.1.1 煤的抗拉强度

在室内实验室使用大型单轴抗压试验设备测量煤的抗拉强度。选用直径50 mm，高度25 mm 的标准圆柱形试样。将试样装入巴西劈裂转换装置，使用单轴压缩试验机施加轴向压力，直至煤样破坏。转换装置会改变煤样的受力结构，将煤样受压破坏改变为受拉破坏。通过试验机内的压力传感器测得10 组煤样抗拉数据，煤样的平均抗拉强度为0.83 MPa。煤样抗拉数据见表3。

表3 煤样抗拉数据

3.1.2 煤的抗压强度

煤的抗压强度测量采用单轴压缩方法，利用室内大型单轴压缩试验机向放置在试验机上的试样施加轴向载荷，直至试样破坏。试样为直径50 mm，高度100 mm 的标准圆柱形试样，通过试验机内的压力传感器测得10 组煤样的单轴抗压数据，煤样的平均抗压强度为5.18 MPa。煤样抗压数据见表4。

表4 煤样抗压数据

3.2 煤的密度与波阻抗测量

3.2.1 煤的密度

在室内实验室使用电子天平测量6 组直径50 mm，高度100 mm 的标准圆柱形煤样，煤样的平均密度为1.26 t/m3。煤样密度数据见表5。

表5 煤样密度数据

3.2.2 煤的纵波波速

在室内实验室，采用TICO 超声波检测仪测量煤的纵波波速，煤样为直径50 mm，高度100 mm 的标准圆柱试样。利用声源讯号发射器向压电材料制成的发射换能器发射电脉冲。激励晶片振动，发射出声波在测试材料中传播，后经接收器接收，把声能转换成微弱的电信号送至接收系统，经信号放大后在屏幕上显示出波形，从波形上读出波幅和初至时间，由已知的测试材料距离，便可计算出超声波在测试材料中传播的纵波波速。测得10 组煤样的纵波波速，煤样的平均纵波波速为1 823 m/s。煤样纵波波速见表6。

表6 煤样纵波波速

计算得到煤的波阻抗：

式中：Z 为煤的波阻抗；ρ 为煤的密度；vpr为煤样纵波波速。

由式（1）可计算得出胜利露天煤矿煤的平均波阻抗为2.30×106kg/（m2·s）。

3.3 煤层波速与完整性系数

3.3.1 煤层纵波波速

在露天煤矿现场进行爆破测试，使用CD－21 型振动传感器测量煤层的纵波波速。在爆破炮孔附近布置2 个拾振器，用石膏固定在煤岩上。由于场地限制，2 个拾振器之间的距离尽量大，并且与炮孔在1条直线上。药包爆破后，在煤岩中产生体积波和表面波，体积波中又有横波和纵波。在各种振动波中，纵波传播的速度最快，最先到达测点1，触发测点1 处的拾振器并记录纵波最先到达的时刻t1，然后又到达测点2，测点2 处的拾振器并记录纵波到达的时刻t2，这样就可以计算纵波在测点1 和测点2 传播的时间差，再根据这两点间的距离，就可得到纵波在煤岩中的速度。如此通过爆破试验测得煤层的纵波波速为1 275 m/s。

3.3.2 煤层完整性系数

煤层完整性系数是1 个评价类的指标，无法通过直接测量得到，需要使用已知的煤层和煤样的纵波波速计算得到：

式中：Kv为煤层完整性系数；vpm为煤层纵波波速；vpr为煤样纵波波速。

经计算，煤层完整性系数为0.49。

4 爆性分级计算

通过以上试验，得到的可爆性分级指标见表7。

表7 可爆性分级指标

分别运用层次分析法和熵权法计算这5 个指标的权重，得到可爆性分级指标综合权重见表8。

表8 可爆性分级指标综合权重

按照一定的数字特征计算方法，结合以上的煤层可爆性分级指标数据，使用MATLAB 编写的正向正态云发生器进行运算，生成云模型。

数字特征可以将定性的评价转换为定量的表达，数字特征的选取是生成云模型的关键。数字特征包括期望Ex、熵En 与超熵He。期望为云空间的中间值，是最核心的定量表达；熵代表了指标的定性程度，反映了定性概念的模糊程度与随机程度；超熵则是对熵的不确定性的度量，超熵越大，定量评价的分布越发散。胜利煤层可爆性评价云模型的数字特征见表9。

表9 胜利煤层可爆性评价云模型的数字特征

通过云模型，可得计算指标确信度，煤层可爆性各指标分级确信度如图1。从左至右5 条曲线依次为极易爆至极难爆的可爆性。

图1 煤层可爆性各指标分级确信度

将表7 中的可爆性分级指标具体数据分别代入图1 中各个分级指标确信度曲线的横坐标，找到曲线上与横坐标相对应的纵坐标值，该值即为可爆性分级指标的单一确信度。将得到的各指标单一确信度按表8 中的综合权重进行综合计算，得到胜利露天煤层可爆性综合分级在各等级的确信度，确信度最高的等级即为最终的煤层可爆性等级。胜利煤层可爆性在各等级的确信度见表10。

表10 胜利煤层可爆性在各等级的确信度

胜利煤层为极易爆等级的确信度最高，故可以判断，使用综合赋权云模型分析法得到的胜利露天煤矿煤层的可爆性等级为极易爆，爆破最容易。

使用工程岩体分级标准表，根据煤层的抗压系数0.52，判断煤层属于极松软的软岩，爆破很容易。使用2 种结果所得的结论相似，互为佐证，验证了评价结果的准确性。

5 结语

1）针对胜利露天煤矿的实际条件，从基础到直观，从煤样到煤层，选出了5 个可以充分表征煤层可爆性的特征参数。

2）通过现场和室内试验详细测量了5 个特征参数的数值，并引入岩石可爆性分析中常用的普氏分级法与综合赋权云模型分析法，对胜利露天煤矿的煤层进行分析。

3）将胜利露天煤矿煤层的可爆性等级划分为极易爆等级，应尽量采用威力较小的爆破方式，有效指导了现场开采工作。