王 凯 李旺旺 闫永富

（1.鄂尔多斯市能源局；2.内蒙古科技大学矿业研究院）

露天矿开采过程中，为保持正常的矿石供应，需及时准备出新的工作水平，新水平的准备工作包括掘进出入沟、开段沟以及扩帮工作［1］。新水平开拓工程的特点为爆区规模小，钻机作业效率低；炮孔重心距离临空面远，爆破抵抗线大；设备长期在斜坡道作业，零部件磨损异常，且设备效率难以发挥；在爆区含水量较大时，会降低炮孔的成孔率；常规新水平开拓需要爆破3次，衔接工序多，耗时长［2］。应当考虑调整技术方法和工艺措施，对新水平开拓工艺进行优化。

掘沟的宽度以及深度是由矿山所采用的台阶高度、采掘设备以及生产工艺所决定，一般是一个定值，本次优化设计以某大型露天矿山为工程背景，台阶高度为14 m、掘沟宽度为50 m，出入沟和开段沟总长220 m，矿山已经具备大型牙轮钻和潜孔钻。通过调整新水平开拓工艺顺序、优化穿爆设计，进而缩短新水平开拓的工期。

1 传统新水平开拓工程分析

1.1 排水滞后

露天矿山的新水平开拓是一项系统性工程。传统的新水平开拓掘沟工艺按照时间顺序可以概括为穿孔、爆破、采装和排水4个工序。传统新水平开拓抽排水属于“滞后排水”，即在爆区开挖之后，在底部集中涌水区域设置一处微型抽水泵坑。在整个爆区穿孔过程中，地下水位没有得到有效的降低，孔内富水时需要在穿孔过程中增加吹渣风压才能将孔内岩渣排出孔外，高压力的排渣风会不断地冲击孔壁，对孔壁造成破坏，降低孔壁的自稳能力。另外排出的水也会对孔口造成一定的损伤，使其形成喇叭口，喇叭口不仅不能很好地保护炮孔，还会影响到穿孔过程中的排渣［3～4］，堆积而不能排出的废渣不仅降低钻机作业效率还会降低炮孔深度，降低成孔率。在采掘过程中同样由于地下水的不断补充导致采掘作业面涌水持续不断。有时掘沟底板出水严重时会导致采掘中断，影响采掘进度。

水是影响新水平开拓工程的主要因素，但是对于水的处理却是在采装过程中，因此可以考虑将排水工作安排到其他工序之前，尽可能早地对地下水进行抽排，使得整个新水平开拓工程处在一个贫水的环境中。

1.2 分区穿爆

传统的新水平开拓作业是根据矿山地质情况综合权衡后在露天矿坑底选取一处掘沟位置，考虑到露天矿底部涌水较大，为了保证成孔率，一般采用大型牙轮钻机进行穿孔。通常是将掘沟区域分为3个爆区进行组织（图1），第一区为掘沟的掏槽区，只有一个自由面，采用中心掏槽眼方形布孔，普通毫秒延期雷管导爆索起爆方式进行爆破，爆破之后电铲由设计的坡顶处开始采掘。此时钻机在爆区的后方对第二区爆破进行穿孔，电铲按照设定的坡度向下采掘到爆区的边界时，电铲退出作业面，进行第二区爆破，如此循环2次之后拉段沟已经形成，可以进行下一步扩帮作业。

爆区分区设计有2个主要原因：一是由于爆区涌水量大，钻机成孔困难，需要尽可能地缩短成区时间，减少炮孔被水泡塌的情况；另一个是由于自由面少，炮孔抵抗线大，爆破夹制作用大，所以需要多次分区域进行爆破。爆破抵抗线不合理是由于大型露天矿山一般新水平开拓所采用的炮孔均为牙轮钻孔，这是为了提高成孔率和减少爆区炮孔数量而采取的方式；但是如果在爆区处于贫水的情况下，可以采取倾斜的小孔径炮孔，倾斜炮孔的抵抗线更加合理，且倾斜炮孔更有利于改善爆破漏斗的抛掷效果。起爆网路设计宜采用数码芯片雷管［5-6］，不仅延期时间精确，而且可以较便利地设定延期时间。

1.3 穿孔用时

在露天矿的生产爆破过程中，新水平开拓工程一般不考虑炸药单耗的经济成本，因此本次测算的重点放在作业效率方面。大型牙轮钻机在掘沟区域的穿孔台班效率为ηy=180 m/d，潜孔钻在台阶爆破作业时的穿孔台班效率ηq=400 m/d，考虑掘沟区域有水，所以台效折减80%，按照ηq=320 m/d为准。

整个掘沟区域采用传统掘沟工艺所需要的炮孔数目Nc为215个（图1），台阶段高H为14 m，炮孔超深h取3 m，则可计算获得传统掘沟工作量Lc=Nc（H+h）=3 655 m，传统穿孔所需要的时间Tc=Lc/ηy=20.3 d，取21 d。

2 新水平开拓工程优化方法

2.1 抽排水工艺优化

优化之后的新水平开拓工程抽排水属于“超前排水”，即在爆区穿孔之前，先在爆区的中线部位利用大型牙轮钻机穿凿1排超深较大的垂直抽排水孔（图2）。该排水孔的目的主要有2个：一是为了探明整个爆区的地下水分布情况，且利用这些炮孔对该区域的地下水进行超前抽排；另一个是详细探明整个掘沟区域的岩性分布情况，为下一步的爆区穿爆设计提供参考资料。该方法最大的特点是利用大孔径炮孔，在富水区域进行多台水泵联合抽排水作业，将整个掘沟区域的地下水位进行降低，待整个区域的水位持续一段时间没有明显回流升高之后再开始利用潜孔钻进行穿孔，由于不再受炮孔水的干扰，此时的炮孔成孔率会得到改善。

2.2 穿爆工程优化

优化之后的新水平开拓穿爆工艺不再将整个掘沟区域划分为3个分区，而是将整个掘沟区作为1个大爆区。爆区中部设计大型牙轮钻机穿垂直的超前抽排水孔，该排水孔要求提前至少半个月以上时间形成，而后利用4台小型潜孔钻机先对涌水较小区域分区域进行穿孔，最后集中力量在富水区域快速作业，从而减少由于地下水的冲刷造成的塌孔。并且设计潜孔钻所穿的炮孔为倾斜炮孔，以中部大型牙轮钻的抽排水孔为对称轴，倾向爆区的中轴部位（图3）。该种设计是利用倾斜炮孔在改善炮孔抵抗线方面的优势，克服垂直炮孔难以克服的较大抵抗线，通过改变炮孔角度实现对有限自由面的充分利用。另外在抽排水孔的空间加密穿凿潜孔钻机炮孔，这些炮孔的目的是加大掏槽部位的炸药装药量，为中部掏槽提供更大的炸药能量。

为了最大限度地改善爆破质量，优化设计采用逐孔起爆技术，且为了更好地创造爆破补偿空间，优先起爆主掏槽孔和抽排水孔，之后依次起爆辅助掏槽孔和正常孔。根据矿山数码芯片雷管使用经验及结合文献资料线索［5-6］，孔间时间延期设置为30 ms，排间延期时间间隔设置为80 ms，其中掏槽孔的孔间延期时间设计为10 ms，最后一排边孔加大排间延期到100 ms。

爆破作业对与采场生产影响最大的是爆破警戒工作［7］，爆破警戒要求范围内的车辆与人员停止作业，撤离到安全区域，直至撤除警戒为止。扩大爆破规模、减少爆破次数是解决爆破警戒对生产影响的最好办法［8～9］。传统掘沟工艺需要组织3次警戒工作，优化后的掘沟工艺只需要组织1次警戒工作，可以减少2次警戒对生产的影响。

2.3 优化后的新水平开拓穿孔用时分析

采用优化之后的穿爆工程所需要的炮孔数目Ny为691个，其中正常孔孔数Ny1=578个，11 m深的孔数Ny2=90个，另外还有23个超深牙轮钻孔。由于超深牙轮钻孔为前期准备阶段所穿孔，所以不计入本次耗时内。由于设计的潜孔钻炮孔倾角α为75°，所以优化之后的掘沟工作量Ly=Ny1（H+h）/sinα+11Ny2/sinα=11 197.75 m，取11 198 m。穿孔所需要的时间Ty=Ly/ηq=35 d。由于采用4台潜孔钻联合进行作业，所以整个掘沟所需要的穿孔为8.75 d，取9 d。

3 指标对比

为了更直观地展示新水平开拓工程中穿爆工艺优化前后的效果，对前文中的设备数量、穿爆参数等做归纳总结，对比结果见表1。

通过对比发现，传统新水平开拓工程的穿爆工期为21 d，而优化后的工期仅为9 d，优化效果明显。

4 结论

（1）用空间换时间是加速狭窄重点区域施工进度的重要思路，在有限的空间分区域布置设备，可以大大缩短工程的作业时间。

（2）掘沟工程采用“超前抽排水”措施，可以有效降低掘沟区域地下水位，提高穿孔的成孔率，改善爆破效果。并且还可以对整个掘沟区域的岩性进行一个探查，为下一步的爆破参数设计提供依据。

（3）小孔径炮孔、倾斜炮孔掘沟可以合理分布炸药能量、降低大块率和碎岩抛掷，但是采用小孔径炮孔掘沟的前提是对爆区进行超前疏排水。

（4）采用出入沟和开段沟合区爆破，减少爆破警戒、设备避炮所需的时间；使用多台设备进行穿孔作业，缩短穿爆工程所需时间。