王君霞，郝亚飞，保天才，周桂松，朱 宽，曹进军

(中国葛洲坝集团易普力股份有限公司，重庆 401121)

在我国新疆、内蒙、宁夏、山西等煤层埋藏较浅地区，采用露天开采的煤矿越来越多[1]。由于露天煤矿的煤层露头，以及大量存在的采空区和密闭不严的空巷进入空气，易形成自燃区[2]。根据调查，我国北方煤田自燃区有50余处[3]，其中西北地区煤田自燃最为严重。煤层自燃区炮孔温度较高，局部高达400～600 ℃。由于炸药及爆破器材均有一定的热感度，环境温度达到热感度临界值时将引起早爆事故，危及爆破作业人员安全，煤层自燃对露天煤矿爆破构成了极大的安全隐患。我国《爆破安全规程》(GB 6722-2014)明确规定[4]，在温度高于60 ℃时，必须采取特殊爆破安全作业措施。

众多爆破行业人员对煤矿火区爆破进行了研究和探索[5]，露天煤矿火区爆破仍然存在诸多问题。目前，露天煤矿火区爆破作业仍然是以炮孔注水降温为主，以最快的速度装药、填塞、起爆，但无法从本质上满足爆破作业安全、进度、效益等需求。国内外主要在灭火降温[6]、爆破施工[7]、耐高温爆破器材[8]和爆破器材隔热防护[9-10]等4个方面开展了煤矿火区爆破的技术研究，并取得了一定的成果，对推动我国露天煤矿火区爆破技术的发展起到了一定的推动作用，但从使用现状来看，多数成果存在成本过高、施工工艺复杂、作业效率低下等缺点。

针对上述问题，笔者围绕炮孔温度监控、耐热防护装置、爆破施工工艺等方面进行研究，形成了一系列火区爆破耐热控温施工技术，具有安全可控、施工高效、成本低廉等特点，并在宁夏汝箕沟煤矿取得了成功应用。

1 工程概况

宁夏汝箕沟无烟煤矿羊齿采区位于宁夏回族自治区贺兰山北部，采区盛产的“太西无烟煤”以其优良煤质在国内外享有盛誉。但因历史上小煤窑开采及煤层露头较浅等原因在采区东西两头及南侧形成了三面火区，其温度异常区面积达29万m2，温度异常区强火带面积达4.2万m2，约占采区总面积的6.5%。火区边缘裂隙明显，火区内沿裂缝有青烟冒出，火势旺盛。在未采动情况下，火区燃烧速度沿煤层倾向每年延伸2～3 m；在采动情况下，火区燃烧速度沿煤层倾向每年延伸3～5 m，难以治理。由于无法从根本上防止煤层自燃，在羊齿采区进行爆破施工无法排除火区的影响。煤层自燃造成局部温度可达300 ℃以上，对钻爆工作造成很大的安全隐患，也严重影响工程施工进度。为了确保爆破安全，现场总结出一套“8个孔、9个人、3 min”的作业模式，且炮孔最高温度不能超过50 ℃，爆破规模受到极大限制；若个别炮孔局部温度升高过快，易发生安全事故。

若要提高煤矿火区爆破规模和施工效率，主要存在以下问题：

①常规高温炮孔温度测试仪器不能实现全孔深温度测量，无法克服煤层自燃导致炮孔内温度场不规律的问题，在煤矿火区炮孔适用性较差；

②传统露天煤矿火区爆破只是对装药前炮孔温度进行测量，当炮孔内温度达到安全爆破条件时开始装药，而在装药过程中及装药结束后对炮孔温度的监测存在盲区，实现露天煤矿火区爆破作业全过程炮孔温度监控是一个技术难点；

③常规的装药方式直接将炸药装入炮孔，炸药与周围介质直接接触，存在炸药容易泄露、受煤层自燃影响升温过快等问题，存在由于炮孔内局部温度异常区导致炸药早爆的安全隐患；

④常规的施工工艺严格控制爆破规模和作业时间，由于缺乏一整套具备安全可控、施工高效、成本低廉的露天煤矿火区爆破施工作业程序，尚无成熟经验可供借鉴。

2 火区爆破施工方案

2.1 炮孔温度监测

装药前和装药过程中对炮孔温度的准确监控是保证露天煤矿火区爆破作业安全的首要条件。采用炮孔全孔深测温装置和全过程温度监控装置，可实现露天煤矿火区爆破作业炮孔温度监控。

1)全孔深测温装置。目前，在露天矿火区爆破作业施工现场，一般采用热电偶测温仪和便携式红外测温仪检测炮孔内的温度，均难以实现对全孔深温度测量。采用全孔深测温装置能够便捷、快速、准确地检测炮孔全孔深的温度，有效克服常规测温手段的不足。该测温装置包括主机、探头、配重件、电缆、软件、电池、报警装置、无线传输装置、绞盘、平板电脑，测温范围-40～975 ℃。该测温装置具有数据无线传输、存储功能，可为后续炮孔注水后温度反弹变化规律提供数据支撑，对掌握整个炮区高温孔的分布具有重要意义。另外，因其电缆线上标有刻度，使用该装置测量温度的同时可实现孔深测量，提高了工作效率。某炮孔温度随深度的变化关系如图1所示。

图1 炮孔温度随孔深的变化关系Fig.1 Relationship between temperature changing and blasting hole depth

2)装药前全过程温度监测装置。在火区爆破作业过程中，存在炮孔局部温度升高过快而危及施工作业安全的可能性。采用装药前全过程温度监测装置，实现装药作业前施工全过程孔内温度的实时监测与报警，对保证施工作业安全具有重要意义。该装置包括温度监测器、温度传感器以及连接导线，其中温度传感器为柔性热电偶，柔性热电偶测温范围为-200～1 300 ℃，能够快速测试火区炮孔内各个监测点的温度，便于安装，测试温度精准。该装置能够一次性采集炮孔中多个部位的温度值，可对局部温度反弹较快的炮孔进行长时间监测，当温度超过安全阈值时，自动报警，从而为火区爆破施工安全提供保障。

2.2 耐热防护装置

耐热防护装置从内到外分为3层，分别由外层耐热装置、内层耐热装置和储水装置组成，装置外径与炮孔孔径大致相同。储水装置用于存储水，其熔点为120 ℃左右，在内部为水介质条件下不会发生破坏。耐热防护装置采用耐高温材料，能在500 ℃高温下整体结构不发生破坏，且表面具有一定的温度反射作用，可延缓热量传递速度，从而降低装置内升温速度。

耐热防护装置使炸药和起爆器材处于水介质环境，通过延缓热量传导给炸药和爆破器材的速度来增加安全作业时间，确保施工安全。耐热防护装置改变了常规的“岩体→炸药”的热量传递路径，热传导路径改变为“岩体→外层耐热装置→内层耐热装置→储水装置→水→炸药”，可以降低热传导效率，延缓装置内升温速度。耐热防护装置具有耐热控温特性，可实现露天煤矿火区快速、安全装药。

2.3 施工作业程序

常规深孔爆破施工作业流程：钻孔→装药→填塞→联网→警戒→起爆，从装药到起爆要完成填塞、联网和警戒等一系列工作，起爆器材和炸药在孔内滞留时间较长。基于露天煤矿火区爆破作业全过程炮孔温度监控相关仪器以及适合露天煤矿火区爆破作业的耐热防护装置，对常规施工工艺进行优化，总结形成与之配套的火区爆破施工作业程序。

通过对施工作业程序的调整和施工组织的优化，使炮孔装药温度安全可控，而且缩短了起爆器材和炸药在炮孔内的滞留时间，从而减小危险时间段。优化后的施工工艺程序合理，涵盖爆破设计、验孔、测温、降温、控温、装药、填塞、起爆等方面，具有可操作性强、流程清晰、操作简便、施工高效、安全可控等特点；并结合相关爆破施工工法和作业规程，为露天煤矿火区爆破形成了一整套的施工方法。

3 应用效果

在露天煤矿台阶爆破中，高温火区严重影响整体工作面施工进度，制约其他平台的爆破施工。按照常规的作业模式，宁夏汝箕沟煤矿采用“8个孔、9个人、3 min”的方式进行爆破施工。即注水降温后炮孔内温度在25～49 ℃为温度异常区，要求装药时爆区作业人员不超过9人，从装药到起爆的作业时间不超过3 min，每次爆破炮孔总数不超过8个，炮孔温度≥50 ℃时，禁止实施爆破作业，爆破作业规模受到极大限制。

通过对常规施工工艺技术的优化，形成适合露天煤矿火区爆破作业的施工方法，作业时间延长至1 h，单次爆破炮孔可达45个，炮孔温度允许范围从50 ℃提高至100 ℃，大幅提高了火区爆破的炮孔适用范围，突破了传统作业模式下对爆破规模、温度以及作业时间的限制，极大提高了爆破规模和施工效率。

优化后的施工作业程序在羊齿采区+2040水平和+2060水平的改道施工以及其他平台的高温火区爆破施工中试用成功，爆破效果满足挖运要求，达到了预期效果，有效扩大了火区爆破作业范围，加快了高温火区的剥离速度，促使常温区快速暴露，提高了采区爆破生产总量；同时减少了炮孔注水降温用水量，减少了煤炭资源的浪费，提高了爆破施工安全性，具有显著的经济和社会效益，在类似工程中具有极大的推广应用价值。

4 结语

1)采用全孔深测温装置和装药前全过程温度监测装置能克服常规测温方法的缺陷，不仅能实现全孔深温度的测量，还能实现装药前全过程的温度监控，有效防范因炮孔温度测量不到位而导致的安全隐患，为保证火区爆破施工安全提供了重要支撑。

2)采用具有耐热控温特性的耐热防护装置，提高了适用的炮孔温度范围，实现了露天煤矿火区快速、安全装药，加快了爆破施工进度，可节省大量的水资源，同时具有材料来源广泛、价格低廉等优点，为火区爆破施工安全提供了重要保障。

3)采用适合露天煤矿火区爆破的施工作业程序，覆盖爆破设计、验孔、测温、装药、监控等方面，具有可操作性强、流程清晰、操作简便、施工高效、安全可控等特点，可为露天煤矿火区爆破提供系统的解决方案，对露天煤矿火区爆破降本增效具有重要意义。