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中国地质学会工程地质专业委员会 国际工程地质与环境协会(IAEG)中国委员会

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宁夏大峰煤矿硐室爆破工程

来源:中国工程地质专业委员会   浏览次数:3041   发布时间: 2013-05-25

 

                  世界最大爆破工程——宁夏大峰煤矿硐室爆破工程


工程总投资:5000万元以上
工程期限:2006年——2007年

       5500吨炸药如同小型核武器,爆破威力相当于广岛原子弹的1/4,为17年来世界第一大爆破工程1400万吨世界珍稀煤炭重见天日,首度为人防工程提供抗爆抗震数据.
轰……
       2007年12月20日上午11时30分,随着一声沉闷的巨响,神华宁煤集团大峰煤矿羊齿采区的一座相对高度230米的山峰被削平约40米,在不到1秒时间内,滚滚弥漫的尘烟瞬即袅袅升起,5500吨炸药不费吹灰之力,便将600多万立方米的山体“捏”个粉碎。
       此次爆破对羊齿采区海拔2100米以上水平进行硐室爆破,爆破后山体最大标高下降40米左右,总体积达到632.9万立方米,总装药量5500吨炸药(铵油炸药)。近5500吨炸药,如果用30吨的卡车装,可以装满180多辆。爆炸当量相当于日本广岛核爆炸的1/4,相当于2006年朝鲜核试验的6倍,能量释放相当于一次5.0级左右地震,规模世界罕见。是我国继白银铜矿、攀钢狮子山和珠海炮台山万吨级硐室爆破后,全国第四大硐室爆破,也是近17年来世界第一大爆破工程。


                                                                                   千万吨优质煤白白烧掉

  宁夏大峰煤矿地处宁夏石嘴山市汝箕沟矿区中部,矿区内储藏有约2200万吨的珍稀环保型优质煤——太西煤,这种煤燃烧后发热量大,无烟、无渣、无硫,具有高发热量、高比电阻、高块煤率、高化学活性、高精煤产率、高机械强度等特点,俗称“太西乌金”,是宁夏进行保护性开采的煤种。目前在世界范围内仅我国宁夏自治区和越南境内探明有储量。
       大峰煤矿羊齿采区煤炭总储量约2200万吨,近20年来,羊齿采区累计出煤365.38万吨,但只达到可采面积的25%。到2006年底该采区可采储量仅84.7万吨,如果按传统方法仅能开采三四年。
  由于大峰矿历史上一直属于煤层火区自燃严重矿区,煤层自清代起就开始持续自燃,火区燃烧已达180多年,矿区钻洞采煤经常遇“火灾”,每次灭火均花费巨大。如果继续实行传统井工开采,矿井废弃后,不能得到开采的地下煤层将持续自燃,火区面积继续扩大,产生的大量有害气体不仅危及到周边百姓生活,还将对贺兰山自然保护区的环境产生大面积污染,甚至会产生严重火灾。受自然条件的限制,这些太西煤就只能放弃开采。
  2006年5月8日,羊齿采区全部停止了采煤,神华宁煤集团把巷道中的设备全部回撤。按照规定,报废煤矿是国家政策允许的,但是设备回撤后,神华宁煤集团领导层和技术人员心里很不平静,1600万吨太西煤就这样白白自燃浪费掉了?


                                                                                   爆破工程改变开采方式

  从2006年8月开始,神华宁煤集团开始组织相关单位反复研究论证,根据羊齿采区的实际情况,决定停止羊齿采区的井工开采活动,改用露天开采方式进行复采,延长矿井的服务年限,最大限度回收利用无烟煤资源。据测算如果改用露天复采按90%的回采率计算,可多回收太西无烟煤1440万吨,延长矿井使用寿命15年。
  宁夏煤矿设计院为此作出《大峰露天矿羊齿采区露天复采初步设计》方案,提出对羊齿采区海拔2100米以上水平进行硐室爆破,使山顶岩石就地坍塌破碎,使羊齿采区山体高度下降40米左右,整体降低山体高度,实现露天采煤,让羊齿采区重新焕发昔日风采。
  大峰矿羊齿采区煤层多埋在海拔2254米的山峰下,地表为一独立山峰,地形复杂,岩墙密布,机械设备难以上到山顶,无法用常规方法进行施工。根据设计方案,神华宁煤集团以工程总承包的形式面向全国进行了公开招标,最终确定广东宏大爆破有限公司为该项目的设计施工承包单位。
  这次确定的爆破总体积为632.9万立方米,总装药量5500吨(铵油炸药)。爆区最大地形标高为2254.67米,最低标高为2100米,爆破后山体最大标高下降40米左右。本次硐室爆破采用以条形药包为主,集中药包为辅的布药方式,设计硐室总长度为8878.6米,开挖工程量24500立方米。如果爆破成功,矿井的服务年限将由原来的8年延长至23年,煤炭回采率由原来的45%提高到98%。使世界两大“太西煤”宝矿之一的宁夏大峰煤矿,从“井工开采”变为“露天复采”。按市场价格测算,将创造经济效益34.65亿元,解决300多人就业问题。
    由于本次硐室爆破总装药量达5500吨,是世界近17年来最大的一次爆破工程,也是中国煤矿历史上最大的一次硐室爆破。为此宁夏自治区公安厅于2007年11月5日委托中国工程爆破协会组织全国知名爆破专家现场对硐室爆破工程进行了安全评审,认为广东宏大公司提出的爆破方案合理,技术上可行。
       整个爆破工程剥离分为A、B两个区。A区最高点高程为2177.08米,B区最高点高程为2254.67米,A区业主对爆破工程质量的要求包括:爆破后山体降段高度不小于30米,有效抛掷量不低于15万立方米,大块率不超过5%。同时在安全方面要求保证离爆区600米的平罗煤矿和800米远的选煤厂不被严重破坏,尽最大努力减少滚石对南面公路的影响。爆破剥离至2100米高程,B区剥离至2140米高程,总爆破工程量632.9万立方米。同时还有一个C区为二期工程,是另一个孤立的山头,其爆破并无具体时间表。


                                                                                   爆破难度,史上未有先例

       大峰煤矿区地势险峻复杂,地下煤层持续自燃已近百年,内部石头温度高达几百摄氏度,还产生大量超标1百多倍的一氧化碳、二氧化碳;属受火区、瓦斯影响严重的高危矿井。而且山体很“脆”,不断发生大面积下塌,工人们怎么才能入山装炸药,成为一大难题。炸药测算和安装只要稍有微米的偏差,矿区将变成火山灾区,后果不堪设想。所以其施工难度和危险性超乎想象。
        大峰矿内是“冰火两重天”。煤层埋藏在海拔2254米的山峰之下,煤层上山体垂直高度近300米,四周多悬崖峭壁,山体下方有大量的采空区和坍塌区以及多裂隙和破碎带。由于煤层已自燃一百多年,部分硐室内岩体最高温度有230摄氏度,是名副其实的“火硐”;而另一部分硐室又是滴水成冰的状态,温度保持在-10摄氏度以下是名副其实的“冰硐”。在如此复杂的施工环境中开展硐室爆破,这在世界爆破史上还没有过先例。
  除了内部条件恶劣外,大峰煤矿的外部环境也非常复杂。不但自身山体陡峭、地势险峻、山石易碎,而且在600多万立方米山石爆破时,绝对不可伤及一毫的因素很多——山边便是一条煤车运输公路;山背300米是正在开采的煤矿区;山体周边500米范围内有高压线。所以如何安全爆破,是另一大棘手难题。
  此外,目前国际上关于安全工程一次爆破最大炸药用量的规定是3000吨,但是本次大峰煤矿一次性装药近6000吨。爆破过程中温度高达几万摄氏度,产生几万个大气压,如果把石墨放到硐洞里,爆破完了,全都堆积成了坚硬如钻的石头,可能连“金刚石都制出来了”。

                                                                                        图为装炸药,修在悬崖峭壁上的栈道

                                                                                    装炸药挖的隧道长近9公里


  本次待爆的山体非常陡峭,人根本上不了山去凿硐,怎么办?施工单位投资400多万元,硬是在几百米高的悬崖壁上修出了一条9.8公里长的盘山路,确保工程车辆能将人、设备和炸药运送到硐口。而就在山路上方10米左右的悬崖上,有一硐洞,那是专门为装炸药而挖的隧道,全长8900米,只能采用搭建脚手架修“天梯”的方式进行开凿。
        据介绍,硐室内采用以条形药包为主,集中药包为辅的布药方式,硐室开挖总长度为8900米,内部错综复杂,分4层7排布药,一次装药量近5500吨,共25响,每响间隔25毫秒。600万立方米山体一秒钟内一次性安全爆破,不会如烟火那样山石四溅;“山体就像‘刀削面’一样,被一层层地削掉,一共是25片,塌进山脚下挖好的坑内。

                                           硐室爆破装药三维示意图。黄线为一、三层;玫红线为第二层;绿线为四层。土黄色为山体

                                                                                         创造四个世界第一


         这次爆破将在科研价值方面创造四个世界第一。目前,大峰矿区地下有很多采空区和人防工程,如此大的爆破对山下人防工程破坏作用有多大?到底会造成弹性变形还是塑性变形,通过爆破观测,可以获得多项科研数据,填补我国人防工程在抗爆抗震性方面的空白,可谓世界第一。
        由于大峰矿区煤层已自燃多年,山体内部温度最高达168度左右,此次爆破要将炸药填充在130米深处,这在国外爆破行业中称为禁区。施工部门利用多年的爆破经验通过多次研究,克服重重难关将5500吨炸药安全填埋,可谓世界第一。
       瞬时爆炸后,会在周围6公里范围内出现滚滚烟尘,一氧化碳、二氧化碳以及氮化物等有害气体浓度最大,这些气体和粉尘会飘逸到周边500公里范围内,科研人员将对浮尘范围和对环境的影响进行观测评估,可谓世界第一。
  由于瞬间爆炸作用,将在周边300米范围内产生3.5级左右的地震。对此,有关部门充分利用这一机会,在爆区周边设置了上百个观测网络,将收集爆炸对高等边坡、房屋建筑的震动影响数据,提高我国防震工作精确度。


                                                                                        爆炸时间不到一秒

     此次爆破工程在百米山体上分四层开挖近百个硐室,挖掘隧道总长度近9公里。爆破设计采用条形加集中药包装药,多硐室、分层立体布置药室,每次单响药量不大于120吨。
   由于设计采用了多段毫秒微差爆破和条形药包布置,可最大限度地降低爆破对周围地表建筑物的破坏和影响。本次硐室爆破的设计地震波≤2.0cm/s(规程对砖混结构建筑的允许地震波为≤3.0cm/s),爆破时可保证1公里以外砖混结构建筑物的绝对安全。
  在上百个硐室内,通过电爆线路把各个硐室内的炸药连接起来,经过按钮操作,5500吨炸药会在750毫秒即不到1秒钟的时间内,从两边向中间引发25次爆破。在山体整体降低近40米的情况下,同时将40多万立方米的山体定点爆破到旁边的一条沟内。
  

                                                                       爆破前,负责安全巡逻的工作人员在调试对讲机

                                                                                     专为精密测量仪器搭建的防爆棚

                                                                                               硐室爆破


       硐室爆破法是将大量炸药装入硐室和巷道中进行爆破的方法。由于一次的装药量和爆落方量较大,故常称为“大爆破”。硐室爆破的分类方法比较多,按爆破目的分为松动爆破、崩塌爆破、抛掷爆破、扬弃爆破、定向爆破等。
      松动爆破,仅将土岩松动和破碎,而不得将岩块抛掷和扬弃。崩塌爆破,是利用爆破作用将岩石松动,然后使破碎的岩石在重力作用下塌落的一种方法。对于70°以上的陡坡及多面临空的地形,应用崩塌爆破是最节省炸药的爆破方法。它属于松动爆破,只是应用条件比较严格。抛掷爆破是使爆破作用范围内的岩石不仅被破碎、爆松,而且将部分岩块抛掷出爆破漏斗以外。它应用于多面临空和陡坡地形的效果最佳,其抛掷率可达70%~80%。扬弃爆破是在地面平坦或坡度小于30°的地形条件下,将开挖的沟渠、路堑、河道等各种沟槽或基坑内的挖方部分或大部分扬弃到设计开挖范围以外,使被开挖的工程通过爆破基本成型。定向爆破是将爆破的岩石抛掷到一定方位,其抛掷的距离,堆成一定形状的构筑物,如定向爆破筑坝等。

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