常治国^1,2，李克民^1,2，丁小华^1,2，马力^1,2，李涛^1,2
(1．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221008；2．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221008)
摘  要：我国现有露天煤矿很大一部分位于内蒙古中北严寒干燥地区，受寒冷气候影响，露天矿山爆破作、遇到诸多困难。针对实际爆破中遇到的一些常见问题，诸如炸药性能、水结冰、冻土、爆破振动等进行理沦分析，并结合矿山实际工作者的经验，提出了相应的解决措施，最大限度地改善严寒气候对露天矿爆破造成的负面影响。
关键词：严寒气候；露天矿爆破；冻土；长短孔；防冻炸药
 
1   引  言
我国现有的露天煤矿很大一部分位于内蒙古中北地区。该地区冬季寒冷干燥，温差较大。例如，霍林河露天煤矿从11月份到次年3月份，平均气温一般在-10～-20℃左右^【1】；内蒙呼伦贝尔盟牙克石市1年中有7个月的冰冻期，最低气温达-40℃以下。在这种严寒气候条件下，露天矿山在实施爆破作业时遇到了很多困难。应高度重视爆破环节中遇到的诸多问题，使钻爆作业不至于影响后续的采装作业环节，以保证露天矿的正常生产。
 
2   严寒气候对爆破作业主要影响
2．1对炸药方面的影响
低温情况下，炸药容易发生硬化，导致起爆感度、爆轰感度和爆炸性能急剧下降。国外研究资料表明，炸药的爆速是药包直径和温度的函数，其随外界温度的降低而减小^【2】，因此低温对爆破效果有直接的影响；同时在低温情况下，炸药爆轰反应会丧失大量热量，也将导致炸药的威力下降。另外在填装炸药时，由于炸药硬化不易变形，导致装药困难，也会影响现场作业。
2．2对钻机钻孔方面的影响
冬季钻孔作业时，若岩层有水，水将从孔内随着压缩气体一起喷出，易造成钻具、机架、电动机和操作窗口等处结冰，导致钻机回转工作困难、难以提升，同时大大增加了钻头的耗损，影响其使用效率。另外低温环境下钻机各关节处的润滑油易冻凝，导致保养时注油困难，对钻机的维护、钻孔作业都有一定的影响。
2．3水对炮孔的影响
钻孔遇到含水量较大岩层时，水会在孔壁冻结成冰，导致孔径变细，如果孔径缩小到小于炸药的药卷直径时，造成装药困难；同时，钻机作业时水从孔内向外喷出，流到附近的回填岩土上导致冻结，炮孔填塞时需要从别处取土回填，增加了人工劳动强度，减慢装药和回填速度，装药质量下降，从而影响最终的爆破质量^【3】。
2．4冻顶和冻帮问题
冻顶和冻帮问题都可归结为冻土问题。冻土的形成过程实质上就是土中水冻结成冰，将固体颗粒胶结在一起成为整体，物理力学性能发生质变的过程^【4】。文献[4]中还提到，矿岩在冻结状态下，矿岩体抗剪切和拉伸性能显著增强；这将导致爆后大块率较高，增加了二次破碎环节，不仅降低了采装设备的生产效率，加剧了运输设备的磨损，同时对采装设备的安全作业也造成了威胁。
2．5冻土爆破地震反应比较强烈
冻土表面完整坚硬，是地震波传播的良好传播体。文献[5]通过应力波在冻土层及非冻土层中的传播状况比较得出，爆炸应力波主要在二维表层冻土中传播，没有结构面阻隔，地震波传播衰减慢，传播距离远，可通过冻土层直达端帮，造成其强烈振动，对边坡稳定性危害较大。因此，冻土地区爆破振动对安全生产有很大的影响。
2．6安全生产方面的问题
冬季矿山安全生产面临着诸多问题。例如，采场边帮渗水、导致路面结冰以及下雪路滑现象，对装药车辆的安全运行及钻孔设备的正常作业有很大的影响；实施冻土爆破，由于炸药埋深比较浅，如果填塞质量不好，极易产生爆破飞石，威胁设备正常作业和现场工作人员的生命安全。
 
3   解决问题措施和方法
3．1炸药性能问题
针对严寒气温下普通炸药性能降低的情况，在组织爆破作业时，应优先考虑抗冻型炸药和雷管。国内外多家单位已对耐冻型炸药和雷管做了大量研究，并且研制出了多种有效的耐严寒炸药。例如，北京矿冶研究总院与原苏联哈萨克斯坦列宁诺戈尔斯克多金属公司合作研发的KDW型抗低温乳化炸药。该型乳化炸药可在严寒(-35～-50℃)条件下连续冷冻18d不结冻，起爆可靠，其爆轰性能与常温下基本保持一致^【6】。如果只能使用普通炸药，则应在生产过程中适当添加防冻剂和敏化剂，同时在保管环节上，尽量减少库存时间，防止因严寒失效或性能下降，同时也可以减少因炸药硬化带来的装药不便。
3．2钻孔问题
(1)为防止钻孔作业时水随孔内压缩气体一起喷出，可选用一块较硬质的胶板，在其中心处钻一个和钻杆等太的孔套在钻杆上压住孔门，防止水直接喷射到钻机架上，同时在提升电动机前端加挡水板。在钻机上配备喷灯，特殊情况下可进行人工加热，使钻头处保持一定的温度不至于结冰。
(2)对于钻机的保养维护，检修工人应加班加点提高检修速度，通过边检边修方式，保证了生产的正常进行以及钻机的整体良好状况。
(3)要求操作工精心操作、时常点检、勤注油、勤保养。
(4)做好备件的合理储备，保证设备发生故障时及时排除。
3．3水结冰问题
针对孔径因冰冻变细的现象，可利用小于孔径的钢管，将其前端磨锋利，套在长木棍上，制成专用的削冰工具，可有效地处理孔口结冰的现象，但此方法往往需要花费大量的精力。特殊情况下也可进行人工加热，待孔内的冰消融后，立即进行装药。必要时还可以把炸药挤成细长条状，再进行装药。
3．4冻土问题
针对冻土爆后顶部存在大冻块而导致铲装困难的现象，可采用间隔装药或长孔套短孔。问断装药应在主爆孔正常装药且回填至冻土层时，装入一定量的炸药，采用孔内延时起爆，使得冻土层先后得到两次爆破作用。长孔套短孔是指按照既定的孔网布置方式布置长孔，然后在长孔之间适当地布置一些长度近似于冻土层厚度的短孔的爆破方法，短孔是为了破碎冻土，起到控制爆后冻块过大的作用。不管是间隔装药还是长短孔套用，其冻土层装药结构应根据冻层厚度分成两种^【5】：
(1)当冻土层厚度不足1m时，应将药包放于非冻土层。此时钻孔深穿过冻层，这种浅孔装药爆破方式既能顶起破碎了的冻土层，也无飞石产生，效果较好，但由于炸药放在非冻层内，所需药量较大。
(2)当冻土层厚度超过1m时，将药包放于非冻土层下，不易使冻土层鼓胀凸起，宜将药包放在冻土层中爆破。
采用合理的装药结构，能够有效地控制大块率，降低冻土层难爆破带来的负面影响。
3．5爆破振动问题
冻土地区爆破振动较大，可选择开挖防振孔或减振沟槽。实践证明，在爆破体与保护对象间设置不装药的单排或多排具有一定超深防振孔，防振率可达30％～50％^【7】。必要时也可以开挖减振沟，沟宽应以方便施工为前提，尽可能挖深些。用于减振的孔、沟，应注意防止充水，否则降振效果将大大降低。
采用毫秒延时爆破也可降低爆破振动。国内矿山的工程实践表明，采用毫秒延时爆破与齐发爆破相比，平均降振可达50％左右，且分段数越多，降振效果越好。在选用长孔套短孔的起爆网路时，可以使短孔先于长孔爆破，短孔作用于冻土层，使其产生一系列的裂隙，起到很好的降振效果。
3．6安全生产问题
冬季矿山安全生产管理主要可从以下几方面人手：
(1)加强道路管理。每天应进行道路养护，清理路边水沟积水，防止边帮渗水流到路面结冰。遇到冰雪天气，要及时处理路面积雪或在路面撒炉灰做好路面防滑工作，保证安全通车。
(2)加强车辆管理。对刹车、转向、灯光等安全设施，每班都要强化检查，严格控制车速、车距，保证安全运行。
(3)加强爆破工程管理及施工质量。合理设计，保证填塞质量(不但要保证填塞长度，而且要保证填塞密实，填塞物中避免夹杂碎石)。
 
4   结  论
本文结合众多矿山的实际经验，总结出我国严寒地区露天矿山冬季爆破作业中遇到的主要问题有炸药性能下降、钻机性能降低、地下水冻结、冻土爆破大块率高、地震效应强烈等，针对上述问题给出建议如下：
(1)在组织爆破时，应优先考虑抗冻型炸药和雷管；普通炸药的生产过程应适当增加防冻剂和敏化剂，减少库存时间。
(2)针对钻机和地下水的问题，现场工作人员应提高注意力，及时发现问题及时处理，防止情况进一步恶化。
(3)冻土爆破推荐采用间隔装药或长孔套短孔，且应根据冻±层厚度合理地选择装药结构。
(4)冻土爆破引起的地表振动较强，其有害效应显著，必要时可采取控制单响药量、增加分段延时、开挖减振孔和减振沟等办法减小爆破振动。
 
参考文献：
[1]杨树仁，张万里，张朝华，等．霍林河露天矿冻土爆破试验研究[J]．煤炭科学技术，1997，25(6)：30一32．
[2]陈彬，刘学武．冻土爆破方法[J]．露天采煤技术，1997(1)：22—24．
[3]梁凯河．高寒地区露天矿山冬季生产问题的探讨[J]．采矿工程，2009，5(30)：26—28．
[4]马芹永．冻土爆破性的初步研究[J]．焦作矿业学院学报，1995，14(6)：65—70．
[5]杨年华．冻土爆破的实践与认识[J]．铁道工程学报，2000(4)：95—97．
[6]崔安娜，任晓民，康廷璋，等．KDW型抗严寒乳化炸药的研制与生产应用[J]．有色金属，1996(4)：37—42．
[7]王德胜，龚敏．露天矿山台阶中深孔爆破开采技术[M]．北京：冶金工业出版社，2007．
摘自《工程爆破》总第66期