急倾斜露天煤层高温火区爆破安全技术实践

2024-01-12万小龙兰小平

西部探矿工程 2023年12期

万小龙，兰小平

（新疆天河爆破工程有限公司，新疆库车 842000）

露天煤矿急倾斜煤层由于其煤层赋存的特点，煤层间相互的垂直作用力相对较小，层间存在着更多的原生裂隙，使得空气较容易进入，且自然发火的煤层由于层间垂直方向上的较大裂隙，火苗会在较短时间沿着垂直向的煤层间裂隙向上快速发展，这就给火区治理工作带来了更大难度，火区爆破安全风险增大，本文在国内现有露天煤矿高温火区爆破技术的基础上，采用快速灭火和注水爆破等综合技术，实现了急倾斜煤层高温火区的安全治理，为同行提供依据。

1 工程概况及研究现状

1.1 工程简介

新疆大宛其煤矿位于新疆阿克苏市至拜城县约180km 处，拜城县北东45km，属于新疆库拜煤田，新疆库拜煤田位于阿克苏市，分布在库车县、拜城县及温宿县，呈近似东西走向的长条状，地层总体为近东西走向，向南倾斜，倾角一般52°～83°，具有西部缓、中部陡（局部直立倒转）、东部缓的特征[1]，煤炭变质程度高、煤质好，煤层倾角大、局部近似直立，煤层露头长度大，为稀缺煤炭资源。

大宛其煤矿共有可采—局部可采煤层16 层，可采煤层平均总厚度为40.92m。目前施工区域为矿区东西边界向中部延伸。矿区共划分4 个施工区，分别为第一、二、三、五施工区，项目部承接的区段为第二、三施工区。地形主要以山地为主，北部为天山山脉，南部为冲积扇沟壑谷地。地质条件较为复杂。首先岩层倾角83°，岩层走向为东西走向，岩层倾向南偏西10°。其次地质构造以层状发育为主，岩层构造复杂。岩石种类主要以砂岩为主，也存在片岩、泥岩，岩石普氏硬度在6～8左右。

大宛其煤矿火区主要位于二工区1750～1680m 东山头区域，台阶高度10m，目前共形成开采台阶7个，均不同程度存在高温火区，温度从55℃～400℃之间，现场具体情况见图1。

图1 大宛其煤矿火区现场照片

图2 徕卡全自动监测机器

图3 拓普康固定翼测绘无人机

图4 手持式热成像测温仪

图5 火区分区

1.2 国内近年来露天煤矿高温火区爆破研究现状

国内在内蒙、山西、宁夏等地，对于露天煤矿高温火区的爆破技术和组织管理方式实践已较为丰富和成熟，大多数主要采取的测温、灭火降温和爆破综合技术，选用耐高温爆破器材、药包隔热防护和特殊起爆方法等综合防治技术，但这些研究往往忽视了不同煤层赋存对于火区降温爆破的影响程度，针对急倾斜煤层高温火区爆破安全技术的研究均较少，由于急倾斜煤层露天火区存在着回温速度快、降温难度大等特点，值得爆破同行们共同努力。

1.2.1 炮孔测温方面

高温孔测温一般均使用手持式红外热成像测温仪，近年来，有些单位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[4]，有效克服常规测温手段的不足。

1.2.2 灭火降温方面

高温孔灭火降温方面主要采用注水降温法进行高温孔浇水降温工作，在宁煤大峰露天煤矿研发出了水中加CaCl2、MgCl2的炮孔注水降温方法[2]，均取得了较好的效果。束学来、郑炳旭等在宁夏宁煤汝箕沟火区注液氮、液态二氧化碳可以使炮孔快速降温，可以在炮孔温度极高或者降不下来的情况下使用，注水降温方法经济方便，效果优良，可以在火区爆破炮孔降温中大量使用[7]。

1.2.3 爆破技术方面

目前国内高温孔装药一般一次性装药爆破规模控制孔数10 个左右，易普力在宁夏大峰矿达到45 个，均采用在装药前先连接好网路并做好安全警戒，最后进行装药爆破的反程序作业法，从炸药到起爆时间控制在10min之内，爆后检查时间不少于15min。

张杰、郝新民等在鄂尔多斯鄂托克旗以及乌海周边地区露天煤矿高温爆破时，针对少数难以降温或降温回温很快的炮孔，就必须使用隔热材料进行隔离装药。目前使用的隔热材料有PVC管、竹筒、石棉类隔热材料以及海泡石等。海泡石制作隔热被筒里外温差可达到100℃以上，价格只是一般石棉类的2/3。使用PVC管间隔装药，操作量较小且简单方便，装药密度均衡，对于中、低温炮孔不需要专门制作起爆药包，保证了爆破器材起爆的可靠性[9]。

1.2.4 施工组织方面

从组织管理模式方面，一般均采用定人定责任，加强培训和技术交底，严格控制作业现场人员的数量，有些单位采用成组炮孔和双人制的爆破作业组织方式[3]，避免了爆破装药现场组织管理混乱，缩短了装药和起爆的时间，提高了爆破作业的安全保障能力。谢钱斌等在宁夏大石头矿高温火区爆破中采用PDCA 循环管理与高温火区爆破钻孔、装药、联网及起爆、爆后检查各工序施工结合起来，对促进高温爆破施工管理起到了推动作用[9]。

2 急倾斜煤层开采特点与火区治理的难点

急倾斜煤层在我国已探明的储量中占4%，全国有70 个煤田开采急倾斜煤层，主要开采急倾斜煤层的矿井有100多个，与缓倾斜煤层相比，急倾斜煤层在进行火区治理时存在以下难点：

（1）急倾斜煤层的倾角大于岩石安息角，急倾斜煤层都经历过强烈的地质变动，地质构造较复杂，赋存不稳定；

（2）急倾斜煤层在开采过程中比缓倾斜煤层和倾斜煤层更加容易自燃发火，且火速和回温速度较快，火区治理更加困难；

（3）当采空区已经发火，也往往难以隔离处理，灾情难以一次性消除[5]。

为了加强急倾斜煤层开采的安全管理，针对目前急倾斜煤层安全开采和火区治理存在的问题，2007年3月份和2015 年5 月，原国家煤矿安全监察局和新疆煤矿安全监察局分别下发了有关急倾斜煤层安全开采的指导意见（煤安监技装[2007]5号）和加强急倾斜煤层安全管理的紧急通知。

3 高温火区爆破综合安全技术

3.1 高温火区爆破总体方案

根据大宛其煤矿高温火区特点及相关规定，大宛其煤矿高温火区爆破作业总体方案，采用钻孔前采用火区勘测与分区技术，钻孔后采用火区综合灭火与降温技术，爆破作业采用反程序爆破工法即：清场警戒—联网—装药—起爆—爆后检查的工艺方案。

3.2 火区勘测与分区

为了全面掌握和控制高温火区分布与温度，大宛其煤矿采用徕卡全自动监测机器人对边坡进行全天候在线监测，拓普康固定翼无人机航测技术对塌陷区勘测与定位技术火区精确定位，采用海康威视H36 型热了火区高温孔降温效率，减少了传统由于只靠几根主管道浇水，水压和水量过大造成毁孔严重的问题，“树杈状多管路三级注水法”第三级小软管成本低，爆破前可不予撤离，也保证了在装药前每个炮孔均能浇上水，第三级注水采用小的塑料软管，现场操作方便，减少了浇水人员，加快了高温火区爆破及剥离的整体进度，保证了安全，具体见图6。

图6 树杈状多管路三级注水法

3.3 灭火与降温技术

为了对高温火区进行灭火与降温，保证爆破作业的正常进行，大宛其煤矿采用精细化炮孔注水降温与剥挖法配合，对高温火区进行灭火与降温工作，从刚开始的“粗放式注水降温”到最后采用精细化的“树杈状多管路三级注水法”，取得了较好的效果。“树杈状多管路三级注水法”，第一级是采用一根120mm的主供水管路供水，第二级是采用多路60mm区间的水管将水引至各个爆破区域，第三级是采用30mm的多路软管将水引至各个炮孔，为了保证注完水和装药完成后快速撤离，第一级主管路和第二级区间管理设置在爆破飞石飞散距离之外，通过实施“树杈状多管路三级注水法”，提高成像测温仪对火区表面和炮孔温度进行测量，根据火区温度高低和分布，将火区分为三个区域，分别为低温区（炮孔温度在60℃以下且保持稳定区域）、高温区（炮孔温度在60℃～80℃且注水后温度能快速将至80℃以下且回温超过30min的区域）、异常高温区（炮孔温度在80℃～90℃或者炮孔温度超过80℃且温度变化异常区域），具体见图2～图5。

3.4 爆破参数与施工技术

（1）孔倾角、孔径和孔深的选择。大宛其煤矿爆破参数的具体选择见表1。

表1 爆破参数表（单位：m）

（2）爆破器材的选择。

①炸药的选择：根据相关试验和研究，2#岩石乳化炸药能在90℃高温环境下保持4h 后仍然能正常起爆，周新利等用岩石乳化炸药进行试验，发现乳化炸药在251.19℃度高温时才快速发生分解[6]。

②起爆器材的选择：根据相关试验和研究，普通导爆索能在100℃高温下保持2～10d 后仍然正常起爆，故根据《爆破安全规程》GB6722相关规定，孔内起爆器材选择导爆索起爆。

③孔外传爆器材：根据现场经常性测温，地表温度均保持低于50℃，普通导爆管在90℃的高温下能够保证正常传爆[10]，故孔外采用高强度导爆管雷管进行传爆能够保证安全。

（3）警戒与网路连接。为了保证能够在最短时间了完成高温孔的装药和爆破作业，采用反程序爆破作业法，即在装药前先进行网路连接和爆破安全警戒，由于高温孔装药至撤离的时间原则上应为最短，所以大部分现场爆破作业均采取弱填塞或不填塞作业，所以应加大爆破警戒范围至500m 且所有人员均应在避炮掩体下进行警戒和起爆工作，待网路连接和周围无关人员和机械清除出安全范围外后再进行装药工作。

（4）装药前的检测与隔热处理。针对低温区和高温区，经过多次现场试验和实践，一般能够保证在钻孔完成后24h将孔温降到60℃以下，采用在装药前将孔内水注满后进行装药；针对异常高温区，一般很难在24h将孔温降至60℃以下，个别孔回温速度较快，故采用在装药前将80mm石棉管插入炮孔中，再在石棉管内和石棉管与孔的空隙内均注满水，最后再装药，装药时，按照低温区、高温区、异常高温区的先后顺序装药，对于温度超过90℃且回温速度较快的孔，不得装药。通过采用本文高温孔爆破方案，可保证一次可最多爆破60个孔，较大提高了高温孔爆破作业的效率和规模，具体见图7。

图7 炮孔隔热降温示意图及使用的石棉管

（5）装药与堵塞。在全部炮孔进行了装药前的检测合格和隔热处理后，按照先低温区再高温区的顺序进行装药，装药时应根据炮孔数量多少（大宛其煤矿项目最多一次性爆破60个孔且多次作业）选择多人现场同时装药，采用2#岩石乳化柱状药装药，从开始装药至全部炮孔装药完毕所有人员撤离现场的时间控制在10min之内，确保在15min之内进行起爆。填塞采用编织袋弱填塞或不填塞，加大安全警戒距离。

（6）起爆与爆后检查。由于在装药前已经做好了周围的安全警戒，待所有装药人员全部撤离至安全地点后，爆破指挥长下令进行起爆，起爆后超过15min 且确定安全后方可进入爆破现场进行爆破后检查工作。