王剛波，彭繼楊，徐振堯

（云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，云南 開遠(yuǎn) 661699）

二氧化碳致裂器爆破技術(shù)在布沼壩露天礦的應(yīng)用

王剛波，彭繼楊，徐振堯

（云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，云南 開遠(yuǎn) 661699）

傳統(tǒng)化學(xué)爆破技術(shù)對(duì)露天煤礦最大程度提高塊煤率作用有限，布沼壩露天礦進(jìn)行二氧化碳致裂器物理爆破實(shí)驗(yàn)，塊煤率加大，煤的經(jīng)濟(jì)效益提升，且顯著減小了爆破飛煤和飛塵對(duì)生產(chǎn)安全和環(huán)境的影響。該技術(shù)不僅為煤礦綠色安全高效提供技術(shù)支持，而且為露天煤礦爆破產(chǎn)品的更新提供了一種新思路。

二氧化碳爆破；致裂器；塊煤率；物理爆破

Abstract:The traditional chemical blasting technology for improving the rate of lump coal to maximize is difficult.Buzhaoba Open-pit Mine carries out carbon dioxide fracturing blasting device for physics experiment,which increases the rate of lump coal, enhances economic efficiency,and significantly reduces the effect of blasting fly coal and dust on production safety and environmental.The technology not only provides technical support for the green,safe and efficient coalmine,but also provides a new idea for the updating of blasting products in open-pit coalmines.

Key words:carbon dioxide blasting;cracking device;rate of lump coal;physical blasting

0 引言

美國人朗艾爾·道克斯[1]首次提出關(guān)于液態(tài)二氧化碳物理爆破的方法，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)爆破。到20世紀(jì)80年代二氧化碳物理爆破技術(shù)開始得到迅猛發(fā)展，隨著技術(shù)進(jìn)步，逐步應(yīng)用到需要從源頭減小爆破震動(dòng)、避免引火源的井工礦、露天礦等特殊領(lǐng)域，成為一種實(shí)用且具有巨大市場潛力的新型爆破器材。致裂器爆破的內(nèi)容物為二氧化碳，屬于物理爆破，由于二氧化碳的不可燃性，替代以化學(xué)內(nèi)容物為主的炸藥爆破，用于井工煤礦爆破，避免了采用化學(xué)爆破時(shí)產(chǎn)生火花的風(fēng)險(xiǎn)，從而避免瓦斯、煤塵爆炸[2]。由于國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)二氧化碳爆破器材類型不斷增多且產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，因此，二氧化碳爆破技術(shù)使用范圍進(jìn)一步變廣，從井工礦開采生產(chǎn)發(fā)展到露天礦開采生產(chǎn)，許多礦山實(shí)際應(yīng)用的成功為二氧化碳爆破技術(shù)的發(fā)展提供了事實(shí)依據(jù)。當(dāng)前，二氧化碳爆破技術(shù)雖已得到大量應(yīng)用，但其仍處在不斷成長和發(fā)展階段[3]。

布沼壩露天礦是小龍?zhí)兜V務(wù)局的主要生產(chǎn)基地，坐落在云南省紅河州開遠(yuǎn)市小龍?zhí)舵?zhèn)，于1953年開創(chuàng)，是西南地區(qū)主要能源基地，煤炭產(chǎn)量約占云南省煤炭總產(chǎn)量的1/9以上，電煤產(chǎn)量占全省電煤總產(chǎn)量的1/3[6]。布沼壩露天礦已經(jīng)完成了四期擴(kuò)建，是一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施完善，技術(shù)先進(jìn)的現(xiàn)代化露天煤礦?，F(xiàn)正在進(jìn)行五期擴(kuò)建工程，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力將由480萬t/a擴(kuò)大到1 300萬t/a[6]。隨著布沼壩露天礦五期擴(kuò)建工程的進(jìn)行，生產(chǎn)規(guī)模逐年擴(kuò)大，吸引來更多的客戶，客戶們對(duì)塊煤需求量不斷加大。但傳統(tǒng)化學(xué)爆破方法存在塊煤供應(yīng)不足，塊度大小達(dá)不到客戶要求，安全環(huán)保問題突出等問題。對(duì)布沼壩露天礦而言，爆破塊度是評(píng)價(jià)爆破效果、提高生產(chǎn)效益的重要指標(biāo)。通常情況下,塊煤的售價(jià)都高于粉煤,所以近些年很多工程技術(shù)人員對(duì)影響煤巖爆破塊度的因素如巖石性質(zhì)、炸藥單耗、起爆順序、布孔方式等都進(jìn)行了較多的研究。通過改變爆破方式提高塊煤的生產(chǎn)率,獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益,己成為生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)露天煤礦發(fā)展具有極大現(xiàn)實(shí)意義。布沼壩露天煤礦為探索出提高爆破塊煤率，增加露天煤礦的經(jīng)濟(jì)效益，為煤礦綠色安全高效提供技術(shù)支持的新型爆破方法,實(shí)地進(jìn)行二氧化碳爆破技術(shù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)[7]。

1 二氧化碳致裂器爆破技術(shù)

1.1 二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)及原理

氣態(tài)二氧化碳通過高壓、低溫壓縮為液態(tài)二氧化碳，用配套設(shè)備將液態(tài)二氧化碳注入致裂器內(nèi)，致裂器內(nèi)裝有安全膜、破裂片、導(dǎo)熱棒等原件，安裝上充裝閥即完成對(duì)單支致裂器的二氧化碳充填工作?，F(xiàn)場爆破時(shí)，將電路正常的致裂器按釋放口在下的原則插入鉆孔中并將炮孔封堵嚴(yán)密，以提高爆破效果，然后連接起爆器。當(dāng)微電流通過高導(dǎo)熱棒時(shí)，低壓保險(xiǎn)絲引發(fā)快速反應(yīng),產(chǎn)生高溫?fù)舸┌踩ぃ构軆?nèi)的二氧化碳迅速從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，急速膨脹的二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生高壓沖擊致破裂片破碎，二氧化碳從排氣孔向外爆發(fā)，致裂器利用瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大推力對(duì)煤層做功，沿自然或被爆破引發(fā)的斷裂面破開煤層,使被爆煤塊脫離煤層主體，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)被爆煤層的貫穿、破壞[3-5]。二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)

1.2 二氧化碳致裂器中深孔裝填及爆破

二氧化碳致裂器末端有懸掛鋼繩的裝置，填裝時(shí)用吊裝設(shè)備將致裂器緩慢送入爆破孔內(nèi)，用細(xì)砂或者碎煤填充致裂器與炮孔間隙，如遇孔口煤質(zhì)較松散，還需用炮泥封堵炮口，經(jīng)儀器檢查各致裂器導(dǎo)通正常后連接導(dǎo)線，通過起爆器起爆。由于二氧化碳致裂器屬于抗高壓特殊材料，價(jià)格高昂，需回收重復(fù)使用，因此在裝孔及回收致裂器時(shí)設(shè)備需垂直炮孔，降低對(duì)致裂器的損傷。電起爆網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)方式，確保每一根致裂器都能爆破，消除盲炮隱患，提高作業(yè)環(huán)境安全系數(shù)。由于致裂器管徑限制，裝填二氧化碳有限，可根據(jù)爆破量的需要設(shè)置多排孔，可以加強(qiáng)對(duì)煤層的爆破破壞作用。

1.3 二氧化碳爆破的優(yōu)缺點(diǎn)

近幾年的主要爆破方法有高壓流體，高壓氣體，機(jī)械破壞等物理爆破法和傳統(tǒng)的化學(xué)爆破法。二氧化碳爆破屬于物理爆破，炸藥爆破屬于化學(xué)爆破。二氧化碳是一種惰性氣體，其特點(diǎn)是無毒，氣化時(shí)吸收大量的熱，不會(huì)燃燒，也不助燃，因而把二氧化碳作為致裂器爆破材料具有很高的安全性[3]。另外，二氧化碳致裂器作用力大小有2個(gè)決定因素：能瞬間釋放出的壓力和二氧化碳的裝填量。釋放的初始?jí)毫赏ㄟ^炮孔的嚴(yán)密封堵及選擇孔隙少的地形實(shí)現(xiàn)，而二氧化碳裝填量可以通過使用直徑大小不等的致裂器實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。因此，這2個(gè)因素都具有可控、可調(diào)節(jié)性。從能量來看，二氧化碳爆破對(duì)被爆物體做功的主要能量來源為液態(tài)二氧化碳汽化時(shí)瞬間膨脹產(chǎn)生的能量，與傳統(tǒng)化學(xué)炸藥爆破相比，具有爆破地震波小，揚(yáng)塵比較少，顯著減少了爆破飛煤和飛塵對(duì)生產(chǎn)安全和環(huán)境的影響，因而適合在易燃易爆煤炭開采礦山使用。其缺點(diǎn)是二氧化碳致裂器裝填工藝和現(xiàn)場施工需專業(yè)輔助設(shè)備；對(duì)炮孔的直徑以及垂直度要求較高[3]；致裂器瞬間釋放能量和二氧化碳的體積這2個(gè)因素決定著二氧化碳致裂器作用，釋放壓力能通過改變釋放管孔徑大小實(shí)現(xiàn)，但二氧化碳沖裝量只能通過改變致裂器的長度及直徑實(shí)現(xiàn)，購買不同型號(hào)致裂器增加了前期成本。

2 二氧化碳爆破技術(shù)在塊煤開采中的應(yīng)用

2.1 穿孔爆破

二氧化碳爆破技術(shù)采用串聯(lián)布線方式，將所有致裂器串聯(lián)，用專業(yè)設(shè)備檢查各炮孔導(dǎo)通正常后連接起爆器，各炮孔毫秒間隔爆破。孔網(wǎng)參數(shù)情況見表1。

表1 孔網(wǎng)參數(shù)情況

2.2 爆破效果

爆破后煤層沿著布孔方向產(chǎn)生明顯的橫向裂隙，臺(tái)階整體沒有大幅度移動(dòng)。爆破產(chǎn)生的震動(dòng)波很小，只能激起少量灰塵，且由于串聯(lián)爆破，不存在盲炮，對(duì)提高爆破安全和環(huán)境保護(hù)作用顯著。

2.3 二氧化碳爆破與傳統(tǒng)炸藥爆破效果對(duì)比

采用二氧化碳爆破技術(shù)后，露天礦塊煤率得到大幅度提升，大大降低傳統(tǒng)炸藥爆破的負(fù)面影響。二氧化碳爆破與傳統(tǒng)化學(xué)炸藥爆破效果對(duì)比見表2。

表2 二氧化碳爆破與傳統(tǒng)化學(xué)炸藥爆破效果對(duì)比

3 二氧化碳爆破與炸藥爆破的經(jīng)濟(jì)對(duì)比

3.1 二氧化碳爆破實(shí)驗(yàn)單耗

按雙排 11個(gè)孔，孔距 5 m、孔深 5 m計(jì)，爆破單耗為

式中：H1為二氧化碳爆破實(shí)驗(yàn)得出的單耗成本，元；N1為爆破孔數(shù)；M為單孔爆破筒數(shù)；L為單根爆破內(nèi)置耗材，元；K為單孔二氧化碳消耗，元/孔；p為配套設(shè)施成本，元；S1為爆堆面積，m2；h1孔深，m。

3.2 炸藥爆破單耗

按單排 11個(gè)孔，孔距 5 m、孔深 5 m計(jì)，爆破單耗為

式中：H2為化學(xué)炸藥爆破單耗成本，元；E為炸藥單價(jià)，元/kg；R為單孔藥量，kg；N2為炮孔個(gè)數(shù)，個(gè)；P為單孔綜合起爆器材費(fèi)用，元/孔；p2為配套設(shè)施成本，元；U為孔距，m，A為排距，m，h2為孔深，m。

3.3 年爆破成本下降產(chǎn)生的效益

式中：W1為煤層采用二氧化碳爆破技術(shù)爆破相對(duì)采用化學(xué)爆破技術(shù)爆破每年產(chǎn)生的效益，萬元/a; Q為采煤量，萬m3/a。

3.4 年采裝成本提高

采用二氧化碳爆破后，由于塊煤量增多，塊煤塊度增大，挖掘機(jī)的采裝效率下降，油耗和故障率有所提高。統(tǒng)計(jì)表明，與傳統(tǒng)化學(xué)爆破法相比，煤炭綜合采裝成本上升了1.02元/t，由此總成本增加20.40萬元/a[8]。

3.5 塊煤帶來的效益

由實(shí)驗(yàn)可知，二氧化碳爆破與炸藥爆破相比，塊煤率由55%上升到了70%。

式中：W2為塊煤率提高產(chǎn)生的效益，萬元/a；Q1為適合生產(chǎn)塊煤的量，萬t；V2為采用二氧化碳爆破后的塊煤率，70%；V1為采用化學(xué)炸藥爆破的塊煤率，55%；K為塊煤相對(duì)碎煤單價(jià)，48元/t。

3.6 年經(jīng)濟(jì)效益匯總

4 結(jié) 語

1）布沼壩露天礦二氧化碳爆破實(shí)驗(yàn)使塊煤率由55%提高至70%以上，體現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2）傳統(tǒng)化學(xué)炸藥審批程序繁雜，運(yùn)輸、存儲(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)大，而二氧化碳不助燃，性能穩(wěn)定，安全性高，易于購買，且爆破中震動(dòng)小、飛塵少，對(duì)提高爆破安全和保護(hù)環(huán)境具有顯著作用。

3）二氧化碳爆破需采用提升設(shè)備，對(duì)人力配備以及設(shè)備要求高；另外對(duì)煤炭的松散度也有較高要求，煤質(zhì)過于松散，氣孔多則爆破效果不佳。

4）隨著二氧化碳爆破技術(shù)的不斷創(chuàng)新與完善，二氧化碳致裂器的容積大小、形狀和配套設(shè)施將逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、系統(tǒng)化，致裂器能量大小變得更具可控性，真正發(fā)揮二氧化碳爆破技術(shù)綠色環(huán)保、高產(chǎn)高效的特點(diǎn)。

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【責(zé)任編輯：張 夙】

App lication of carbon dioxide fracturing for blasting technology in Buzhaoba Open-pit M ine

WANG Gangbo,PENG Jiyang,XU Zhenyao
(Yunnan Province Xiaolongtan Mining Bureau,Kaiyuan 661699,China)

TD824.2

B

1671-9816（2017）10-0040-03

2017-06-15

王剛波（1993—），男，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)任云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局布沼壩露天礦生產(chǎn)技術(shù)管理員。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.10.012

王剛波，彭繼楊，徐振堯.二氧化碳致裂器爆破技術(shù)在布沼壩露天礦的應(yīng)用［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（10）：40-42.