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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: ——

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 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……
    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, 能够装满180多辆。爆炸当量相当于日本广岛核爆炸的1/4, 相当于 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。是中国继白银铜矿、 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 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。当前在世界范围内仅中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 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但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。
　　 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, 可是设备回撤后, 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 8月开始, 神华宁煤集团开始组织相关单位重复研究论证, 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 。
　　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 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 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。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。因此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。因此如何安全爆破, 是另一大棘手难题。
　　另外, 当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, 可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”。
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
现场研制”钝感炸药”
　　谁都知道, 炸药的保存是严禁高温的。因此要在炎热的岩洞内安装炸药, 那不等于找死么? 为此, 来自广州宏大爆破公司的几位专家专门研制出了”钝感炸药”。这种”钝感炸药”耐高温, 用普通雷管都无法引爆。不过, 迟钝过头了, 又会出现无法引爆的问题, 因此专家们经过上百次科研实验才成功。

　　而更为惊人的是, 因为大峰煤矿周边环境恶劣, 山路崎岖不平, 如果要沿途运输近6000吨炸药, 谁也不敢担保没有意外发生。因此经过国防部特批, 施工单位从广州拉来了5辆混制炸药车, 在羊齿采区山下推出半个足球场大的场地, 建起小型”炸药生产厂”, 将制造炸药的原料从山下拉来后, 倒入炸药混制车, 经过采用最新技术, 混制炸药车每分钟能够生产258公斤炸药。花了几天时间, 现场配制了几千吨炸药。

地质部门科研机会难得
    一次装药量近5500吨, 是中国上世纪八十年代至今第一大硐室爆破工程, 爆炸当量相当于 10月9日朝鲜核试验的6倍, 爆炸所释放的能量相当于一次5.0级左右地震。这给地质部门提供了一次难得的科研机会。为此, 中国地震局工程力学研究所在大峰矿附近选择了一个湖泊遗址作为观测点, 中国地震局物探中心从大峰矿爆点至安徽岳西县布置100多个监测点, 中国地震局地球物理研究所在山西临汾盆地设置测线, 北大地球物理研究所在银川盆地北部, 内蒙古自治区阿拉善左旗至陕西定边约300公里距离设置测线, 中国地质大学(北京)在银川北部布设100公里测线, 宁夏地震局从大峰矿炮点到固原七营每隔10公里就布置一台监测仪器。以前国家的地震模拟测试最多是2—3公里, 而这次的测试长度长达200多公里。

    经过此次地质部门监测数据分析, 能够研究宁夏及相临省区, 特别是银川盆地地壳速度结构, 研究宁夏和邻近地区地震波走时, 以便以后更加精确确定天然地震发生地。这一系列的研究结果, 可有效应用于宁夏以后建筑物设计、 爆破损坏评估和赔偿仲裁, 有利于地下煤矿的采煤设计和地表场地的规划设计应用, 提高宁夏的地震预测能力。同时还填补了中国人防工程抗爆抗震性观测数据的空白, 并为国家立法制订有毒气体、 粉尘等的界定标准提供了宝贵的案例资料。

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。当前, 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, 经过爆破观测, 能够获得多项科研数据, 填补中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经过多次研究, 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, 提高中国防震工作精确度。

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, 经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
294名民警确保安全
    爆炸当天, 石嘴山市294名公安民警提前进入爆破警戒区, 以爆点为中心, 在半径2公里范围内实施警戒, 清理疏散1 名工人、 家属以及周围居民, 检查供电、 加油站、 铁路等重点单位的撤离工作。负责周围地面的灭火工程、 小露天矿、 井工矿、 宁蒙交界内蒙一侧的几处高帮露天矿、 井工矿停止生产撤出所有员工及设备。
　　同时, 交警在当日10时至13时, 封闭羊白公路0km至7km+200m处和羊齿沟口至汝箕沟矿区路段。供电部门在10时30分至13时30分将停止潮汝、 常汝110kv输电线路供电, 汝箕沟矿区将全部停电。为了确保爆破工程安全顺利进行, 石嘴山消防支队还出动40名消防官兵和4辆消防车在爆区执勤。

    12月20日上午11时30分, 当”5、 4、 3、 2、 1”的起爆声喊响后, 人们只觉脚底微微一抖, 有种电梯上升瞬间的感觉; 而后耳边传来几声恰似远空的”闷雷”。最令人惊叹的是: 爆破的整个过程竟如一个”慢镜画面”, 观者能够从先后产生的烟层, 清晰地看到山体犹如”刀削面”一般, 被一片片往外抛! 约3分钟后, 烟雾才凝结成一大朵”蘑菇云”。

     5500吨炸药炸得‘很温柔’啊! 现场很多人都称这是在欣赏爆破。一位在现场值勤的民警对爆破叹为观止, 她甚至用了”伟大”这个词, 爆破造成的视觉冲击力确实让人难忘。不过接近”半个原子弹”的威力, 怎么会产生如此的感官效果呢? 原来爆破专家们特别设计这几千吨炸药分布于山体内部的100多个硐室里, 并分为4层, 从两边向中间以每层10毫秒的时差分25次爆破, 这就犹如在锅里炖东西一样, 人们于外面听到的声响已大大减弱了。

    80多岁的中国工程院院士、 著名爆破专家冯叔瑜和68岁的中国工程院院士、 著名炸药与爆破专家汪旭光亲临现场观看。汪旭光院士对此次爆破给予了很高评价: ”震动很小, 爆体松散, 爆破很成功, 这次爆破从筹备到最后成功引爆, 能够写一本书了。”
    爆破10分钟后, 工程总指挥郑炳旭博士宣布: 爆破达到预期效果, 无拒爆、 半爆情况; 石方松散; 震动比预测的小。爆破清理完后, 矿区就可直接转为大规模的”露天复采”。

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但被破碎、 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, 使被开挖的工程经过爆破基本成型。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。