王 斌

(中國神華能源股份有限公司 哈爾烏素露天煤礦,內蒙古 鄂爾多斯 010300)

爆破環(huán)節(jié)是煤礦與巖石開采工程的主要工作內容之一[1]。當前露天煤礦煤巖爆破技術隨著生產發(fā)展的需求提升而提升[2],基本能夠符合露天煤礦煤巖開采的基本標準,但是煤礦開采深度的提升與周邊地表環(huán)境的復雜性變化都隨爆破工作的質量提升更高要求[3-4]。因此,露天煤礦煤巖爆破參數(shù)優(yōu)化具有重要意義。

謝全敏等[5]通過數(shù)值分析法構建模型,對全巖斷面爆破掏槽進行優(yōu)化;吳永祥等[6]采用工程試驗法對爆破孔網(wǎng)參數(shù)進行優(yōu)化。上述2個文獻的研究均從單一指標參數(shù)角度出發(fā),對于最終爆破質量的提升效果影響并不顯著。文興等[7]針對深部大直徑深孔爆破工程中的參數(shù)進行優(yōu)化;彭錦浩等[8]針對巷道爆破工程中的爆破參數(shù)進行優(yōu)化。上述2個文獻的研究均具有主觀針對性,導致優(yōu)化方法的普適性較差。

針對這些問題,研究露天煤礦煤巖爆破參數(shù)優(yōu)化及應用,分析露天煤礦煤巖爆破過程中不同環(huán)節(jié)的能量傳播形式;根據(jù)重要性、獨立性的原則選取影響爆破質量的主要指標:臺階高度、底盤抵抗線、超深與孔深等,計算各指標的參數(shù)值。并通過調整炮孔密集系數(shù)、降低炮孔超深等方式優(yōu)化指標參數(shù)。希望通過該研究能夠提升爆破工程質量,降低煤巖開采成本。

1 露天煤礦煤巖爆破參數(shù)優(yōu)化及應用

1.1 露天煤礦煤巖爆破破碎原理

露天煤礦煤巖爆破的過程大致分為3個階段[9],具體描述見表1。由表1可知,露天煤礦煤巖爆破過程中,炸藥爆炸后形成的能量向煤巖傳播的形式分為2種,分別是沖擊波能與爆炸氣體膨脹能[10-11]。在炸藥爆炸產生的全部能量中,第1種能量占幅為(10±5)%,而第2種能量占幅為(60±10)%。

表1 露天煤礦煤巖爆破過程分析Tab.1 Analysis of coal and rock blasting process in open-pit coal mines

露天煤礦煤巖爆破所形成的破壞區(qū)也可分為2部分,如圖1所示。

圖1 露天煤礦煤巖爆破所形成的破壞區(qū)劃分Fig.1 Division of damage areas formed by coal and rock blasting in open-pit coal mines

破壞區(qū)分別是:①粉碎區(qū),該區(qū)域內煤巖粒度較小[12],有較大概率在篩選環(huán)節(jié)被篩下;②裂縫區(qū),該區(qū)域的大小對篩下物數(shù)量與塊煤產出率產生直接影響[13],同前者間呈正比例相關,同后者間呈反比例相關。由此可知,在露天煤礦煤巖爆破過程中需降低粉碎區(qū)范圍,擴大裂縫區(qū)范圍,由此提升露天煤礦的塊煤產出率。

1.2 爆破參數(shù)設計原則

影響露天煤礦煤巖爆破性能的參數(shù)主要包括:臺階高度、孔徑、孔深、孔距、超深、排距、單孔裝藥量與底盤抵抗線等。在設計露天煤礦煤巖爆破方案過程中,各主要參數(shù)的設計是否合理對于最終的爆破結果產生直接影響[14]。例如,露天煤礦煤巖爆破過程中所設計的底盤抵抗線過大,將導致根底規(guī)模顯著提升,由此造成大塊煤產出率提升;在該參數(shù)設計過小的條件下,則會由于煤巖抵抗不足造成沖炮飛石等危險產生。

在爆破參數(shù)優(yōu)化過程中,判斷影響爆破質量的主要指標極為重要,指標選取原則如圖2所示。

圖2 爆破質量主要影響指標的選取原則Fig.2 Selection principles of main impact indicators on blasting quality

(1)重要性。爆破質量影響指標選取最主要的原則[15],對于影響小的指標應忽略。

(2)獨立性。由于部分指標具有相似性,因此在指標選取過程中需關注意義明確的指標[16],忽略意義模糊的指標,確保不同指標間的相關性最低。

(3)定量性?？蔀槁短烀旱V煤巖爆破設計提供明確數(shù)值的指標。

(4)簡單性。確保指標的易獲取性、明確性與易量化性。

(5)通用性。確保所選指標在不同類別的爆破設計中均能夠正常使用[17],忽略應用于特殊情況下的指標。

1.3 爆破參數(shù)計算

基于爆破質量主要影響指標的選取原則,選取的露天煤礦煤巖爆破性能主要影響指標見表2,并對這些指標的參數(shù)進行優(yōu)化。

表2 露天煤礦煤巖爆破性能主要影響指標Tab.2 Main impact indicators of coal and rock blasting performance in open-pit coal mines

基于表2中的各主要影響指標,計算爆破參數(shù):

(1)臺階高度。根據(jù)露天煤礦的開采參數(shù)能夠得到,煤巖臺階的高度為10 m。

(2)底盤抵抗線。該指標參數(shù)值過大將導致根底數(shù)量提升,大塊率較高[18];相反該指標參數(shù)值過小將造成炸藥浪費、穿孔工作量提升,或者飛石的危險。該指標參數(shù)值為臺階高度的70%±20%。

(3)超深。該指標的主要功能為抑制臺階點抵抗線的約束作用,保障露天煤礦煤巖爆破后不會產生根底,在開挖后得到的底部較為平整。該指標參數(shù)值為臺階高度的15%±10%。在爆破臺階較為松軟的條件下,可設定較小的超深值;相反在爆破臺階較為堅硬的條件下,需設定較大的超深值。

(4)孔深。該指標參數(shù)值的經(jīng)驗計算公式為:臺階高度參數(shù)與超深參數(shù)的和。

(5)孔距。針對該指標,在確保炸藥單耗的條件下,令各孔負責的爆破面積大致相同,該指標參數(shù)值的經(jīng)驗計算公式為:炮孔密集系數(shù)與底盤抵抗線的乘積。優(yōu)化該指標,理論上令炮孔密集系數(shù)(孔距與排距的商值)取值為1.3±0.1,選取寬孔距小抵抗線方式,因此可根據(jù)裝藥量上限前后驗算且確保各孔爆破面積大致相同。該指標參數(shù)值的優(yōu)化需以各孔爆破負責面積大致相同為基礎[19],參數(shù)的優(yōu)化結果需持續(xù)在試驗中實施驗證,且在試驗過程中需以提升孔距,降低排距為原則,由此獲取最優(yōu)孔距最優(yōu)參數(shù)值。

(6)排距。該指標參數(shù)值的大小對于爆破質量的影響較為顯著。后排孔受約束作用影響,排距值需下降,該指標參數(shù)值為底盤抵抗線的80%±20%。該指標參數(shù)值的優(yōu)化需以各孔爆破負責面積大致相同為基礎,參數(shù)的優(yōu)化結果需持續(xù)在試驗中實施驗證,且在試驗過程中需以提升孔距,降低排距為原則,由此獲取最優(yōu)排距最優(yōu)參數(shù)值。

(7)炸藥單耗。該指標所描述的是單位體積巖體所需炸藥量。通常情況下,該指標的最優(yōu)參數(shù)值為滿足爆破效果條件下的最小炸藥量[20]。該指標參數(shù)值的經(jīng)驗計算公式為:臺階高度與超深值的和減去填充高度再乘以裝藥密度,將所得結果與孔距、排距、臺階高度的乘積進行求商。

(8)單孔裝藥量。在計算第1排炮孔(包含單排炮孔)的該指標參數(shù)時,經(jīng)驗公式為:炸藥單耗與孔距、臺階高度和底盤抵抗線的乘積。在計算第2排炮孔與后續(xù)各排炮孔的該指標參數(shù)值時,經(jīng)驗公式為:炸藥單耗與孔距、排距和臺階高度的乘積。若所得的該指標參數(shù)值不大于設定的裝藥量閾值,那么說明該指標參數(shù)值為合適的;若該指標參數(shù)值高于設定的裝藥量閾值,也就是所得參數(shù)值無法完全轉入孔內,即可對該指標參數(shù)進行適當優(yōu)化。

2 爆破參數(shù)優(yōu)化應用研究

為驗證本文方法的實際應用效果,選取某露天煤礦為研究對象,采煤工作線長約1 200 m,寬約85 m,平均臺階高度29 m,爆破總量約為0.00 287 km3,炮孔直徑為250 mm,爆破密集系數(shù)取值為1.8,炮孔采用連續(xù)裝藥結構,梅花形布孔方式。采用本文方法對研究對象的爆破參數(shù)進行優(yōu)化,所得結果如下。

2.1 概況

以沉積巖為上覆蓋巖層,所產的巖石種類包括不同粒度的砂巖、泥巖與高嶺土,研究對象的煤巖種類見表3。

表3 煤巖種類Tab.3 Coal and rock types

研究對象作為我國單坑產量較高的露天煤礦,其每年核定煤礦產出能力為3 350萬t。煤巖松動爆破過程中,選取現(xiàn)場混裝車安裝炸藥,并采用CDM75作為鉆機。

2.2 孔距、排距與炸藥單耗等參數(shù)的優(yōu)化

部分爆破試驗參數(shù)優(yōu)化結果見表4。分析表4能夠得到,與研究對象初始爆破方案相比,優(yōu)化方案一的炸藥單耗并沒有改變,但其爆破效果卻明顯提升;而優(yōu)化方案二的炸藥單耗與初始爆破方案相比下降幅度達到2.4%左右,也就是在爆破效果一致的條件下,炮孔密集系數(shù)(根據(jù)孔距與排距的商值確定)越小,炸藥單耗越低。

2.3 超深、孔深等參數(shù)的優(yōu)化

煤礦巖石堅固性系數(shù)為2.3±0.4,這表明研究對象具有較為優(yōu)越的可爆性,因此,超深范圍可約束在(1.62±0.54) m內。依照相關試驗,匯總分析超深與泥巖根底高度間的相關性,所得結果如圖3所示。

圖3 炮孔超深與根底高度的相關性Fig.3 Correlation between blasthole super depth and root height

當巖石類型為砂巖時,設定以下爆破試驗參數(shù):臺階高度與單孔裝藥量分別為10 m和505 kg,孔距與排距分別為10、7 m,炸藥單耗為0.42 kg/m3,依照電鏟挖掘后平盤標高同設計標高間的差值設定根底高度,由此獲取的超深同根底高度間的相關性曲線如圖4所示。分析圖4可以得到,當研究對象中的巖石類型為砂巖時,設定炮孔超深為2 m較為合適。通過試驗結果可知,在爆破效果基本一致的條件下,超深為2 m時的炸藥單耗與3 m時相比降低4%左右。

圖4 砂巖條件下炮孔超深同根底高度間的相關性Fig.4 Correlation between blasthole super depth and root height under sandstone conditions

當巖石類型為泥巖時,設定以下爆破試驗參數(shù):臺階高度與單孔裝藥量分別為10 m和505 kg,孔距與排距分別為10、7 m,炸藥單耗為0.42 kg/m3,依照電鏟挖掘后平盤標高同設計標高間的差值設定根底高度,由此獲取如圖5所示的超深同根底高度間的相關性曲線。

圖5 泥巖條件下炮孔超深同根底高度間的相關性Fig.5 Correlation between blasthole super depth and root height under mudstone conditions

分析圖5得到,研究對象中的巖石類型為泥巖時,設定炮孔超深為1.5 m較為合適。通過試驗結果得到,在爆破效果基本一致的條件下,超深為1.5 m時的炸藥單耗與3 m時相比降低7%左右。

2.4 塊煤率統(tǒng)計結果

采用本文方法對研究對象的爆破參數(shù)進行優(yōu)化,對比本文方法優(yōu)化前(2021年3月—7月)的塊煤率和本文方法優(yōu)化后(2021年8月—12月)的塊煤率,所得結果如圖6所示。分析圖6可得,在采用本文方法對研究對象爆破參數(shù)進行優(yōu)化前,末煤率與塊煤率均值分別為53.72%和34.37%。優(yōu)化后的末煤率與塊煤率均值分別為42.24%和45.61%。與優(yōu)化前相比,末煤率下降了11.48%,塊煤率提升了11.24%。試驗結果說明采用本文方法優(yōu)化爆破參數(shù)能夠顯著提升爆破質量。

圖6 本文方法優(yōu)化前后研究對象的塊煤率Fig.6 Lump coal rate of the research object before and after optimization of the method in this paper

2.5 爆破應用效果

為了對煤礦全局范圍內塊度分布特征進行分析,計算得到了原始方案與優(yōu)化方案條件下整個區(qū)域內的各碎塊種類的平均質量百分比,見表5。

表5 優(yōu)化前后全區(qū)域煤塊平均尺度Tab.5 Average scale of coal blocks in entire region before and after optimization %

從表5可以看出,在全區(qū)域范圍內,顆粒煤質量百分比能夠由 44.12%減小到 32.56%,而塊狀煤質量百分比則由 42.54%提高到60.25%,幅度達到 17.71%,而大體積煤質量百分比變化不大,基本能夠控制在10%內。

煤層爆破現(xiàn)場如圖7所示。從圖7可以看出,本次爆破試驗,爆破效果理想,爆破質量較好,基本沒有產生大塊,沒有根底殘留,能滿足現(xiàn)有設備的鏟裝要求。

圖7 優(yōu)化方案下煤層爆破現(xiàn)場Fig.7 Coal seam blasting site under optimization scheme

3 結論

針對當前露天煤礦煤巖爆破參數(shù)設計過于單一的問題,本文選取爆破質量主要影響指標,對這些指標的參數(shù)進行優(yōu)化,并通過試驗驗證了本文方法能夠顯著提升塊煤率,為露天煤礦的發(fā)展提供了數(shù)據(jù)參考。