我国“缺油、少气、多煤”, 煤炭占一次能源消费结构的70%左右, 今后相当长时期内煤炭仍将是我国的主要能源^[1]。《煤矿安全规程》规定^[2], 有瓦斯突出危险的矿井的爆破作业, 只容许使用三级煤矿许用炸药。对于软岩和煤, 三级煤矿许用炸药可满足爆破破碎的需求, 但对中硬以上的岩石, 则现有的三级煤矿水胶炸药和三级煤矿乳化炸药的爆破破岩能量不足。大量的生产实践证明^[3-6], 对中硬岩石, 采用三级煤矿许用炸药, 爆破的炮孔利用率低, 岩巷掘进效率低下。因此, 现有煤矿三级许用炸药远不能满足煤矿建设和煤炭高效开采的需要。

我国现有常用的煤矿炸药主要有两大类, 一类是乳化炸药, 另一类是水胶炸药, 水胶炸药在爆轰稳定性、爆轰可靠性以及爆炸能量水平方面比乳化炸药优越。目前, 主要通过在炸药中加入消焰剂、提高炸药的爆轰稳定性、降低炸药的燃烧性、改进装药结构来提高煤矿炸药安全性^[7-9], 国内已有研制作功能力强的新型三级煤矿许用乳化炸药的案例^[10], 而三级煤矿许用水胶炸药的配方和生产技术自20世纪80年代初从美国杜邦公司引进后^[7], 配方改变较少, 系统研究和改进较少。鉴于水胶炸药中一般含有高能物质(硝酸甲胺), 较易调节爆炸能量和瓦斯安全性的关系, 为此，本研究选择了以水胶类炸药研制高威力三级煤矿许用水胶炸药, 通过不同配方炸药的性能检测, 选取最优配方进行中试和现场试验, 与现有的三级和二级煤矿许用水胶炸药的爆破效果进行对比分析。

炸药的爆炸性能主要包括爆速、猛度和作功能力、合适的殉爆距离, 而作功能力决定了炸药爆炸后造成被爆介质破坏范围的大小。炸药作功能力表达式表明, 增加爆热和比容均可以使作功能力有所提高^[7]。常用的方法主要有^[11-12]: (1)根据零氧平衡原则设计炸药的配方。因炸药在零氧平衡时, 爆炸反应完全, 放出的热量最大、作功能力也最大; (2)加入金属粉末。通常加入铝粉、镁粉或铍粉, 来提高爆炸混合药剂体系的爆热, 从而较大幅度提高炸药的作功能力; (3)采用细化、超细化的原材料和高温下的液液混合, 提高炸药的氧化剂、可燃剂、敏化剂和功能添加剂之间的混合均匀性, 充分发挥氧化剂、可燃剂分子的作用, 提高炸药爆轰的释放能量; (4)增加炸药的比容。

这四种方法对提高三级煤矿许用水胶炸药的爆炸性能存在一定困难, 因为三级煤矿许用水胶炸药的配方就是根据零氧平衡原则设计, 而后三种方法提高爆热对保证炸药的安全性不利。

现有三级煤矿许用水胶炸药采用惰性物质大理石粉(CaCO₃)作为消焰剂, 大理石粉的化学阻化效率低, 炸药爆轰反应时, 参与爆轰反应分解吸热, 要达到相应的安全级别, 就需要添加更多的量, 造成炸药的爆炸能量大大降低。根据研究, 碱金属卤化物是瓦斯燃烧分解反应最有效的化学阻化剂, 其消焰机理和大理石粉不同, 与大理石粉相比其在含量很少的情况下就能达到相应的安全等级, 且炸药的爆炸能量消耗较小。

因此, 在对现有二级、三级煤矿许用水胶炸药的配方、制造工艺和爆炸性能全面考查的基础上, 通过分析卤化物消焰剂的物理化学性质, 研究采用高效碱金属卤化物消焰剂来代替现有三级煤矿许用水胶炸药配方中的大理石粉, 并对其它成分(主要为硝酸甲胺(MMAN)、硝酸铵(AN)、硝酸钠(SN)、田菁胶(TG)、水(H₂O)、铝粉(Al)和膨胀珍珠岩)的配比进行调整, 设计了新配方高威力三级煤矿许用水胶炸药, 保证了煤矿许用水胶炸药可燃气安全度等级, 提高了炸药的爆炸能量。通过不同配方爆炸性能和安全性检测结果对比, 得到最优配方; 利用安徽舜泰化工有限股份公司的水胶炸药生产线, 进行最优配方中试生产。

中试产品和存储6个月后的产品, 送国家安全生产淮北民用爆破器材检验测试中心进行检测, 按照煤矿许用炸药抗爆燃性能测试方法及判定(GBT20061-2006)^[13]、煤矿许用炸药可燃气安全度试验方法及判定(GB18097-2000)^[14], 对送检水胶炸药样品进行可燃气安全度检验、爆轰速度、做功能力测试, 现有二、三级级煤矿许用水胶炸药性能见《水胶炸药》(GB18094-2000)^[15]。检验结果见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 高威力三级、二级和三级煤矿许用水胶炸药检测结果 Tab. 1 Test results of the high power class 3, class 3 and 2 permissible water gel explosive for coalmine performance high power class 3 permissible water-gel explosive class 2 permissible water-gel explosive class 3 permissible water-gel explosive conclusion pilot-scale after storage density/g·cm-3 1.11 1.09 0.95~1.25 0.95~1.25 accepted sympathetic detonation distance/cm 3/3 3/3 ≥2 ≥2 accepted detonation velocity/m·s-1 3300 3600 ≥3200 ≥3000 accepted brisance/mm 13 14 ≥10 ≥10 accepted power/mL 228 239 ≥220 ≥180 accepted toxic gas composition/L·kg-1 31 20 ≤80 ≤80 accepted fuel gas safety/g 429 ≥400 ≥180g ≥400g accepted impact sensitivity 0 0 blast probability≤8% accepted friction sensitivity 0 0 blast probability≤8% accepted thermal sensitivity 0/3 0/3 combustion or blast frequency 0/3 accepted anti-deflagration 0/10 0/10 sampling plan: 10, 10/0, 2:1, 2 accepted coal dust -fuel gas safety/g ≥250 ≥250 sample mean ≥150 g  sample mean ≥250 g accepted

表 1 高威力三级、二级和三级煤矿许用水胶炸药检测结果 Tab.1 Test results of the high power class 3, class 3 and 2 permissible water gel explosive for coalmine

表 1结果表明, 高威力三级煤矿许用水胶炸药的可燃气安全度满足三级煤矿许用水胶炸药要求, 爆速、做功能力、猛度等爆炸性能指标则达到二级煤矿许用水胶炸药标准; 且储存6个月后, 炸药的安全及爆炸性能没有下降, 储存的稳定性也满足要求。

试验选在淮南矿业集团所属新庄孜煤矿-774 m北一~北部B4底板回风大巷进行。试验前, 通过井下实地勘察、查阅资料、交流等方式, 对掘进工作面的实际情况进行调研, 包括巷道基本情况、穿过的岩石性质、使用的掘进设备、爆破材料、施工作业方式、施工组织等; 在此基础上, 进行中深孔掘进爆破方案和参数设计。

试验段巷道为直墙拱形断面, 巷道掘进宽度5.5 m、掘进高度4.25 m, 其中墙高1.5 m, 掘进断面面积20.13 m²。巷道穿过岩层主要为中粗砂岩, 灰白色, 中厚层状, 含少量石英成分, 整体性好、裂隙少、坚硬难爆, 实测岩石的坚固性在f=8~10。

巷道施工采用的主要设备有: CMJ17HT型凿岩台车、P-90B耙矸机、激光定向仪、电机车牵引3.0吨矿车运输。

基本思想:在同一条巷道、同一爆破参数, 分别采用二级煤矿许用水胶炸药、三级煤矿许用水胶炸药和高威力三级煤矿许用水胶炸药进行现场试验, 对爆破效果进行统计分析和比较。

(1) 爆破器材:药卷规格为: Φ35 mm×330 mm×330 g, 1-5段3.5 m长脚线毫秒延期电雷管。

(2) 掏槽形式与炮孔深度:采用目前较为高效的新型底部集能掏槽方式^{[3, 6]}, 具体为楔形斜眼加中心直眼掏槽方式, 两个一阶中心直眼, 六个二阶主掏槽楔形斜眼, 深度均为2.6 m, 每组对称两楔形斜眼眼间距1400 mm, 上下眼距400 mm, 要求钻眼时满足方向(角度)和深度要求。设计其它炮眼深度2.3 m。

(3) 崩落眼:紧挨掏槽眼的第一圈崩落眼(或称为辅助眼)与掏槽眼眼口间距控制在150~300 mm(设计值250 mm), 以避免孔底抵抗线太大难以崩落。

崩落眼间距和排距控制在500~650 mm, 上部布置参数较大、下部相对较小, 炮孔尽可能均匀布置。

(4) 周边眼布置:周边眼采用光面爆破技术, 炮孔布置在巷道掘进轮廓线上, 钻孔稍微向外偏斜, 孔底落在轮廓线外50~100 mm, 各炮孔相互平行, 深度基本一致。严格控制周边眼(特别是顶眼)间距, 由于岩石坚硬、整体性好, 周边炮眼间距适当加大, 控制在450~500 mm, 帮眼眼距450 mm。

底眼钻孔时, 开孔位置高出巷道底板150 mm, 适当倾斜下扎, 孔底落在巷道底板下150~200 mm。

(5) 装药结构:底眼采用正向装药结构, 其它炮眼采用反向装药结构。药卷用炮棍推至炮孔底部、连续装填, 药卷间不能留有间隙或碎石, 以保证药卷顺利传爆。周边眼上部采用水垫层装药结构, 即装完药卷后填少量炮泥固定药卷, 紧跟着充填5~6卷水炮泥, 最后炮泥封堵。

(6) 起爆网络与顺序:采用串并联连线方式, 各串联组雷管数目要基本相同(相差不超过三个), 以保证各路电阻平衡。采用200发大功率发爆器, 起爆顺序为:掏槽眼→崩落眼→周边眼(顶眼、帮眼和底眼)。

现场采用的爆破参数见图 1和表 2。

图 1(Fig. 1)

图 1 炮孔布置图 Fig.1 Layout of blast holes

表 2(Tab. 2)

表 2 爆破参数 Tab. 2 Blasting parameters in experimental blast hole hole number hole quantity depth/m hole diameter/mm loop diameter/mm charge detonation order volume per hole mass per hole/kg total mass/kg central hole 1~2 2 2.6 400 4.0 1.32 2.64 Ⅰ cut hole 3~8 6 2.6 400 1400 5.0 1.65 9.9 Ⅰ auxiliary hole 9~19 11 2.6 400, 730 250 4.0 1.32 14.52 Ⅱ caving hole1) 20~32 13 2.3 500, 570 600 4.0 1.32 17.16 Ⅲ caving hole2) 33~48 16 2.3 500, 610 650 3.0 0.99 15.84 Ⅳ side hole 49~51, 69~71 6 2.3 450 550 3.0 0.99 5.94 Ⅴ upper hole 52~68 17 2.3 450 550 2.0 0.66 11.22 Ⅴ bottom hole 72~80 9 2.3 600 4.0 1.32 11.88 Ⅴ total 80 89.1 Note: 1) Caving hole close to the auxiliary hole; 2) Caving hole close to side hole and upper hole.

表 2 爆破参数 Tab.2 Blasting parameters in experimental

按设计方案和爆破参数进行现场试验, 其中, 二级煤矿许用水胶炸药试验共进行了20个循环, 循环进尺均在2.0~2.2 m, 总进尺42.2 m。三级煤矿许用水胶炸药试验共进行了16个循环, 平均循环进尺均1.875 m, 总进尺为30.0 m。高威力三级煤矿许用水胶炸药试验共进行了22个循环, 循环进尺均在2.0 m以上, 总进尺45.0 m。

不同炸药试验期间的原始条件、爆破器材消耗和综合爆破效果如表 3所示。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同炸药爆破试验综合效果比较(平均值) Tab. 3 Blasting test results of different explosive(average value) parameter class 2 permissible water-gel explosive class 3 permissible water-gel explosive high power class 3 permissible water gel explosive relativity (class 2/ class 3) basal area of roadway/m2 20.1 20.1 20.1 — hole depth/m 2.25 2.25 2.25 — hole utilization ratio/% 93.8 83.3 91.1 -2.7/7.77 footage/m 2.11 1.875 2.05 -0.06/0.18 rock solid volume/m3 42.4 37.8 41.2 -1.2/3.4 hole amount 78 78 78 0 total length of hole/m 177.6 177.6 177.6 0/ 0 explosive consumption/kg 91.9 93.39 92.4 0.5/-0.99 detonator consumption/projectile number 78 78 78 0 explosive consumption of unit volume/kg·m-3 2.18 2.47 2.24 0.06/-0.23 detonator unit consumption of unit volumeprojectile number·m-3 1.84 2.06 1.89 0.05/-0.17 explosive consumption per meter/kg·m-1 43.55 49.81 45.07 1.52/-4.73 detonator consumption per meter/projectile number 36.97 41.49 38.05 1.08/-3.44 hole consumption per meter/m·m-1 84.17 94.72 86.63 2.46/-8.09 recurrent number a day/projectile number 2 2 2 0 lumpiness of rock Lumpiness of class 3 water gel explosive is larger than class 2 and high power class 3, class 2 and high power class 3 almost the same, lumpiness is about 150~400mm, suitable for load and unload. casting the maximum throw distance is about 0~15 m quality of shape Greater  Note: During charge, 5 cm stemming material in bottom of hole, actual hole depth is 2.25 m.

表 3 不同炸药爆破试验综合效果比较(平均值) Tab.3 Blasting test results of different explosive(average value)

由表 3统计结果可明显看出不同炸药爆破效果的差别:

(1) 与二级煤矿许用水胶炸药相比, 高威力三级煤矿许用水胶炸药的爆破效果非常接近, 平均循环进尺少0.06 m; 在爆破材料和炮眼消耗方面, 循环炮眼消耗持平, 平均循环炸药消耗增加0.5 kg, 炸药单耗增加0.06 kg·m³, 雷管单耗增加0.05发/m³。可见, 高威力三级煤矿许用水胶炸药的爆破效果基本达到二级煤矿水胶炸药的水平, 而且爆破材料和炮眼消耗差别很小。

(2) 与三级煤矿许用水胶炸药相比, 高威力三级煤矿许用水胶炸药爆破效果显著提高, 平均循环进尺提高了0.18 m, 循环破岩实体体积增大了3.4 m³。在爆破材料和炮眼消耗方面, 平均循环炸药消耗减少0.99 kg, 炸药单耗降低0.23 kg·m^-3, 雷管单耗降低了0.17发/m³; 掘进每米巷道的炸药消耗减少4.73 kg、雷管消耗减少3.44发、炮眼消耗减少8.09 m, 节省比例分别为5.06%、4.41%、4.55%, 爆破效果显著。

(3) 由于岩石坚硬、整体性好, 三种炸药试验过程中巷道周边光面爆破效果良好, 岩石破碎块度均匀, 大块率低, 块径一般都在150~400 mm; 仅三级煤矿许用水胶炸药试验时块度稍大, 有少数达500 mm。爆堆也较为集中、抛掷距离无明显差别, 大量岩石的抛掷距离集中距工作面在0~15 m的范围内, 最大抛掷距离控制在25 m以内。

(1) 高威力三级煤矿许用水胶炸药的爆速3300 m·s^-1、作功能力228 mL、猛度13 mm, 达到二级煤矿许用水胶炸药标准, 可燃气安全度429 g、满足三级煤矿水胶炸药的要求; 且储存6个月后, 炸药的安全及爆炸性能没有下降, 爆速3600 m·s^-1、做功能力239 mL、猛度14 mm、可燃气安全度>400 g, 储存稳定性满足要求。

(2) 经国家安全生产淮北民用爆破器材检验测试中心, 高威力三级煤矿许用水胶炸药的摩擦感度、撞击感度、热感度及抗爆燃性能等安全性能满足三级煤矿许用水胶炸药的安全性能标准要求。

(3) 在相同的试验条件下, 三级高威力煤矿许用水胶炸药的爆破效果接近二级煤矿水胶炸药, 表明高威力三级煤矿许用水胶炸药的爆破威力基本上接近于二级炸药的爆破威力。

(4) 在相同的试验条件下, 高威力三级煤矿许用水胶炸药的爆破效果明显优于现有的三级煤矿水胶炸药, 同时在每米巷道材料消耗方面高威力三级煤矿许用水胶炸药也要低4%~5%, 充分证明了此种水胶炸药的优越性。