分集药包在爆破封堵非法盗采煤窑中的应用

马占科,王爱华

(宁夏天宏爆破有限公司,银川750001)

石嘴山市石炭井矿区“露头煤”分布广、埋藏浅、易开采,历来是盗采的重灾区,一些不法分子深入贺兰山腹地,采用简易洞采、人工开挖的方式非法开采,造成了贺兰山国家自然保护区内生态环境的严重破坏。自贺兰山国家级自然保护区环境整治工作启动以来,为保护贺兰山生态环境,彻底消除盗采煤炭资源的隐患,石嘴山市国土资源局决定,采用爆破方式将现有小川、菜园沟等区域的盗采煤窑彻底炸毁、炸塌,从根本上杜绝非法开采。

1 工程概况

小川地区盗采地点共有非法开采的煤窑11个,煤窑全部由山体根部煤层露头部分沿煤层走向往里挖掘,煤窑距离1.5～6 m不等,内部煤层大部分已被采空,相邻煤窑中间有煤柱支撑,开挖深度大约30～50 m,整体形成不规则的水平巷道,断面高约1.5～2.5 m,宽约2～3.5 m,内部环境十分恶劣,巷道内无支护或用木料进行简单的支护。煤层顶板为砾岩和砂岩,岩层水平分布,盗采地点位于贺兰山腹地,周边无需要保护的设施,爆破环境简单。煤窑的洞口环境如图1所示。

图1 盗采煤窑环境Fig.1 Illegal mining pit environment

2 爆破设计

2.1 方案选择

爆破封堵非法开采小煤窑的新闻媒体报道较多,但相关爆破实践的经验总结较少,一般参考采空区的处理方法,如充填法、崩落法、封闭隔离法和综合法[1]。考虑快速消除隐患,彻底阻断不法分子复采的可能和增强震慑效果,本次使用崩落法炸毁非法开采小煤窑,由于巷道支护条件差,不具备穿孔作业条件,无法采用钻孔爆破的方法对巷道进行封堵。崩落法一般采用“钻孔爆破”或“硐室爆破”的施工方法[2],其中钻孔爆破首先需要在坑道内进行凿岩,之后装填炸药炸毁小煤窑;硐室爆破是在巷道内直接放置药包,或者用人工在巷道一侧岩壁掏出一定大小的药洞装药,在药包位置两端分别用编织袋和碎石渣码放填塞,利用炸药爆炸释放的能量使巷道内围岩稳定性破坏,岩石坍塌封闭矿井。

硐室爆破中药包形态一般有集中药包、条形药包和分集药包,利用不同的药包形态进行爆破,可以实现不同的工程目的[6]。分集药包主要在处理一些特殊地形和地质构造,或者小抵抗线爆破、填塞效果不理想时采用[9],根据现场地质勘查分析结果,结合盗采煤窑巷道的分布情况,本次爆破的最小抵抗线方向与煤层顶板的岩层走向一致,易形成顺层冲炮,不利于爆破[7],结合类似工程经验[3-5],决定采用“分集药包结构、强松动爆破”的方案,爆后盗采煤窑顶部围岩整体坍塌,实现彻底封堵的目标。

2.2 药包布置

药包位置的确定是保障爆破和封堵效果的关键,本次盗采煤窑巷道需要炸毁长度约20 m,如采用集中装药结构,会使这种短支洞且填塞长度较短的巷道在爆破时易发生“打枪”现象,造成填塞料整体抛出,影响爆破效果。考虑到盗采煤窑封堵的要求,结合周边环境、地形条件和岩层构造,采用分集药包形式[10],单个药包间距4 m,药包靠凹陷一侧的洞壁码放,药包间用编织袋装土后进行填塞。有研究表明[5],带有空腔的分集装药结构,空腔比在4～5之间,爆破效果最好,并且一定的空腔比可改善爆破作用条件,提高炸药能量利用率。本次分集药包间隔段采用碎石渣填塞,并留有一定比例的空腔。为了保证爆破安全及封堵效果,洞口和洞底填塞长度大于8 m。

图2 药包布置Fig.2 Charge layout

2.3 爆破参数

1)标准爆破漏斗炸药单耗。根据岩石容重:

式中:r为岩石容重,取2 700 kg/m3。

本次爆破选择的分集药包松动爆破的炸药单耗K=(0.2～0.6)K0=(0.28～0.84)kg/m3,实取K=0.44 kg/m3。

2)取最小抵抗线W=18 m。

3)根据爆破性质、地形条件和同类工程经验,取爆破作用指数n=0.8。

4)分集药包装药量:

5)采集药包压缩圈半径[12]:

式中:ρ为炸药密度,取ρ=0.85 g/cm3;μ为压缩系数,取μ=10,其他符号含义同前。

6)下破裂半径。斜坡地形:R=W 1+n2

7)上破裂半径。斜坡地形:R′=W 1+βn2,其中β为爆破漏斗上方向崩塌系数,β=6。

爆破参数计算如表1所示。

表1 爆破参数计算Table 1 Calculation of blasting parameters

2.4 起爆网路

采用主、副起爆系统,主起爆网路采用电雷管并、串联网路接入母线,联结线使用BV2.5 mm2塑料单芯线;副起爆网路采用非电导爆管起爆网路,每个起爆体的雷管数为4发,加工起爆体使用的雷管应逐个挑选。采用“簇联”方式连接,所有起爆雷管与接力雷管,在接点处标明段别标识,接头用胶布缠裹牢靠,胶布层数不少于3层。爆前实施1∶1的起爆网路准爆实验,加工好的起爆体应标明药包编号、雷管段别。联结网路人员持起爆网路图,按从后爆到先爆、从洞里到洞口的顺序联结,装入起爆体前应再次确认起爆体编号和雷管段别。起爆网路设计如图3所示。

图3 起爆网路Fig.3 Initiation network

2.5 装药与填塞

施工前应首先对盗采煤窑的周围环境进行详细勘察,确认盗采煤窑巷道有无塌方、落石等地质灾害的发生;煤窑内部有无有毒气体聚集,浓度是否超标,若发现危险隐患后,采取必要的安全防范措施排除后再进行施工。

药包位置由爆破工程技术人员现场布置,并对搬运人员进行设计技术交底,包括药包码放位置、装药长度与位置,填塞长度和位置、主、副起爆体位置、导线与导爆管长度等。巷道内装药应将炸药成袋(包)码放整齐,相互密贴;为了确保装药作业安全,起爆体最后装入,并放置于药包的前侧中间部位。装入起爆体内的电雷管脚线长度为20～30 cm,将置于起爆体内的电雷管与联结线接头严密包扎,不要有药粉进入接头中,脚线留有富余长度以确保接头在搬运和联线时不承受拉力。起爆体加工完成后再次测量电阻值。加工好的起爆体上应标明药包编号、雷管段别和起爆体总电阻值。

洞口填塞长度:LT≥1.2W,取8 m;药包间填塞长度取3 m,填塞时应保护好从药室引出的起爆网路,保证起爆网路不受损坏(见图4)。填塞时,安排专人负责检查填塞质量。填塞完毕,设计人员和爆破工程技术人员进行验收。

图4 装药填塞Fig.4 Charge clogging

3 爆破安全措施

本次爆破施工涉及的安全问题主要是爆破飞石[8]和施工安全技术措施等。硐室爆破飞散物一般是岩体表面射出并飞越很远的个别碎块,其抛散方向往往无法预测,会给爆破区域附近的人员、设备及建筑物的安全造成严重威胁[8]。在《爆破安全规程》(GB 6722-2014)中给出了硐室爆破个别飞散物的经验计算公式[15],其个别飞散物的安全距离Rf主要由最小抵抗线W、爆破作用指数n和安全系数Kf决定,即:Rf=20Kfn2W,经计算Rf=320.64 m,考虑盗采煤窑巷道尺寸规格不规范,药包放置的巷道不是直线,应采取以下措施进行飞石防控:①准确测量盗采巷道的尺寸,严格爆破设计计算,保证药量计算使用的抵抗线数值误差在控制范围内;②填塞质量好坏也会对飞石产生重要的影响,施工中应严控填塞质量,防止出现填塞不严或填塞长度不足,造成爆破飞石或封堵失败。

为了使爆破工作顺利进行,施工过程采取了相应的安全技术防范措施。

1)起爆网路联结由专人负责;网路联结人严格按设计图进行连接;网路联结,应遵循由里到外的顺序;电力起爆网路的所有连接线、导线接头,均应采用电工接法,并使用绝缘胶布缠裹。网路连接完成后,由项目技术负责人进行检查,确认联网方式与段别等是否有误。

2)硐室爆破时,起爆网路穿过填塞段的导线和导爆管,均应采取穿管保护,以防填塞时损坏。

3)设置专门的起爆站。起爆站应设在安全地点,并备有良好的通讯设备,通讯信息应清楚、准确。

4)起爆网路各支路连接完成后,应检查各支路引出线的电阻值,经检查确认合格后,方可与主线相联结;在下达准备起爆命令前,电爆网路的主线不得与起爆器联结;只有在无关人员已全部撤离,下达准备起爆命令后,方准许打开起爆器,将主线接入起爆器的接线柱上。

5)爆破的警戒距离不得小于600 m,在此范围内的人员和车辆必须提前撤离,各警戒人员必须相互在视野范围内用对讲机联络。

4 爆破效果

爆破过程沿洞口填塞部位产生飞石,飞石控制在200 m范围内。爆后检查无盲炮,洞口边坡岩石呈现自然塌落趋势,盗采煤窑巷道的顶板围岩坍塌,完全塌陷形成爆破漏斗,封闭了盗采煤窑的主巷道。本次爆破共使用粉状乳化炸药6 200 kg,采用“分集装药结构,强松动爆破”技术,并借鉴硐室爆破设计理念和施工措施,改善了爆破效果,保证了爆破施工作业的安全,达到了封堵盗采煤窑的目的(见图5～图6)。

图5 爆破过程Fig.5 Blasting process

图6 爆破效果Fig.6 Blasting effect

洞口产生大量飞石主要原因是封堵工程量较大,工期较紧,封堵工作面狭小,采用人工装运土袋工效较低,并且填塞长度不足,影响了洞口封堵的效果。由于爆区位于贺兰山腹地,爆破飞石未对周边产生危害。在以后的类似爆破工程中,应考虑爆破施工组织进度的合理性,合理安排工期和人员,避免因工期和其他原因造成填塞质量问题。

5 结语

本次盗采小煤窑炸封治理工程,是全面推进、保护贺兰山国家级自然保护区生态恢复和治理攻坚战的第一炮,受到自治区、石嘴山市各级领导的高度重视,通过精细设计、精心施工,达到了本项目政治任务的要求,取得了良好的社会效应,为类似工程提供了新的治理途径和方法,但由于应用案例较少,其爆破效果还需经过大量实践验证。