空气间隔技术在准东煤矿煤层爆破中的应用

关键词：空气间隔；不耦合装药；爆堆块度；爆破参数 

1、工程概况
准东露天煤矿由神华新疆能源有限责任公司（下称神新公司）投资开发，距吉木萨尔县120km，距乌鲁木齐市218km，向西距216国道10km。该露天煤矿位于区域性褶曲构造---帐篷沟背斜的西翼，露天矿内的侏罗系地层呈向西北向倾的单斜构造。煤层平均总厚72.58m，按西山窑组地层平均厚144.53m计，含煤系数为50.22%，其中可采、局部可采煤层1-5层，平均可采总厚65.83m。该露天煤矿自2008年5月正式开工，其钻爆施工由葛洲坝集团易普力股份有限公司准东项目部承接，岩层的剥离和煤层的采掘均使用爆破方法，采用深孔梯段爆破方式自上而下进行。
易普力股份有限公司准东项目部进行了一系列爆破实验，虽然块煤率有所提高，但仍然无法满足神新公司要求。
2、块煤率偏小的原因分析
通过调整孔网参数、微差时间等大量的工程实践，经过仔细分析比对，准东露天煤矿产生细粒煤、沫煤的原因主要有以下几个方面：
1、该煤矿的煤质较软，煤层易风化，属极易磨煤。
根据神新公司对B煤组正常煤层做了可磨性测试，测试可磨性指数（HGI）全区平均为103。单一煤层区Bm可磨性指数（HGI）101-139之间，平均109；分叉双煤层区B2可磨性指数（HGI）100-117之间，平均119。B1可磨性指数（HGI）95-109之间，平均102；分叉多煤层区B12可磨性指数（HGI）85-100之间，平均93。B11可磨性指数（HGI）78-104之间，平均103。B煤组煤层按国家煤炭行业标准MT/T852-2000划分，总体上属于极易磨煤。
2、挖装、运输、筛分等工序造成的物理破碎。
在煤层的采掘过程中，工作面上采用分层采装方式，主要采用PC360型单斗挖掘机采装—自卸汽车运输—筛分系统筛分的间断生产工艺，最后经筛分成为商品煤。这几道生产工序都会对煤块造成不同程度再次破碎。
3、连续耦合装药结构使得炮孔周围产生较大的粉碎圈。
易普力公司采用多孔粒状铵油炸药，连续耦合装药结构。连续耦合装药爆炸后产生的强冲击荷载作用于孔壁后，会产生较大的粉碎圈，从而造成了细粒煤、沫煤增加。
上述原因中，连续耦合装药结构应是引起煤层爆破细料偏多的最重要、最为明显的因素，改变装药结构、耦合方式，减少粉碎圈的范围是加大煤层爆破块度、减少粉煤的有效途径。
3、爆破实验方案
目前，准东神新煤矿煤层生产台阶高度为10m，钻孔设备为CM351型潜孔钻，钻孔孔径为115mm。使用的炸药为现场混装炸药车生产的多孔粒状铵油炸药。为了解决耦合装药结构爆破产生的过度粉碎，实验采用不耦合装药结构爆破，而现场混制铵油炸药具有极强的流动性，很难实现径向不耦合装药，因此，在煤层的爆破中采用空气间隔器实现轴向不耦合装药。
4、空气间隔作用机理
集中药包耦合装药，作用于炮孔周边岩体的冲击波压力峰值较高，会造成炮孔周围岩体过度粉碎，浪费炸药爆炸能量；冲击波对岩体的作用时间短，能量利用率低，并且会造成岩体破碎不均匀。在炮孔内药包之间设置一定的空气间隔，可以起到以下作用[1－2]：
（1）降低爆炸冲击波的峰值压力，减少炮孔周围岩石的粉碎性破坏。
（2）岩石受到爆炸冲击波的作用后，还受到爆炸气体所形成的压力波和来自炮孔孔底的反射波作用。
（3）延长应力的作用时间。冲击波作用于堵塞物或孔底后又返回到空气间隔中，由于冲击波的多次作用，使应力场得到增强的同时，也延长了应力波在岩石中的作用时间（作用时间增加2~5倍）,若空气间隔置于药柱中间，炸药在空气间隔两端所产生的应力波峰值相互作用可产生一个加强的应力场。
研究表明，采用空气间隔技术装药爆破时可以使岩石破碎块度更加均匀，且炸药可减少10%~20%。采用空气间隔技术进行爆破生产时，空气间隔长度是影响破碎块度水平的重要因素。
5、爆破实验及技术措施
易普力股份有限公司准东项目部从2009年9月中旬开始，历经了三个多月时间，分别在▽490、▽480、▽470、▽460四个采煤平盘进行爆破实验。在实验中不断总结，制定和采取了以下几点技术措施：
     （1）实验方案仍采用原有的钻爆参数，只通过改变装药结构及耦合系数来提高块煤率。
     （2）使用矿山充气袋来实现由空气间隔的轴向不耦合装药。装药结构示意图见图1。

      （3）起爆网络采用导爆索与非电雷管组合的分区排间微差起爆网络，排间微差时间控制在150ms左右。
（4）炮区自由面处不应有堆渣，避免出现大面积根底。
通过数十次煤层爆破实验，对爆后煤渣进行取样，除风化煤层及破碎带外，其块度尺寸区间分布基本保持不变。
根据实验结果，采用空气间隔技术爆破的块煤率比原来的常规爆破有所提高，提高了10～17%。
6、结束语
     （1）空气间隔技术有效的提高了炸药能量利用率，爆后煤渣的块度更加均匀，降低炸药单耗，减少了炸药用量。
     （2）在准东煤矿煤层爆破中，根据现有爆破施工条件，采用空气间隔技术实现轴向不耦合装药，缩小了粉碎圈范围，减少了细煤粒的产生，提高了块煤率。
     （3）在准东煤矿煤层爆破中，采用上部空气间隔装药结构，间隔长度为1.5m，爆破效果较好。
     （4）最佳空气间隔长度及位置需要通过爆破实验不断优化。

参考文献：
[1] 王玉杰.爆破工程[M]. 武汉:武汉理工大学出版社,2007.
[2] 于亚伦.工程爆破理论与技术[M].北京:冶金工业出版社,2007.