高原露天礦剝巖爆破技術研究及走向趨勢的分析

張俊堯

摘要：隨著科學技術的進步，露天礦山主要向著精細化及智能自動化的方面發展。通過定量的爆破技術、精心的爆破施工和精細的爆破管理，實現爆破過程或效果更加可控，危害效應更低，安全性更高，經濟效果更佳，以獲得最好的礦山開采經濟效益、環境效益與社會效益。

關鍵字：露天礦山：爆破管理：爆破過程：經濟效益：社會效益

一、露天礦爆破技術分析

露天礦場內的礦巖在采裝之前一般需要預先破碎，穿孔爆破法一次爆破量大，能破碎十分堅硬的礦巖，因而在露天礦破碎礦巖作業應用最為廣泛。

露天礦多采用微差控制爆破技術，該方法是利用等能原理、藥包微量化原理，將裝藥在爆破巖體內進行合理分布，把一次起爆的大藥量，以延時起爆系統分解為數段或數十段，依次逐一起爆的小藥包;若延期時間選擇合理，可以有效的控制爆破的破碎程度、破壞范圍、拋擲方向以及有效的控制爆破地震波、空氣沖擊波、飛石等的危害效應，把同等安全條件下的爆破規模擴大數倍至數十倍。現場爆破，良好的孔網參數、合理的爆破延期、合適的裝藥結構、炸藥和巖性的合理匹配，是獲得最佳爆破效果、降低采礦總成本的先決條件。

炸藥對巖體的爆破作用是一個十分復雜的過程，爆破破巖機理目前在學術界仍沒有得到一致認同。它牽涉到炸藥爆炸時作用在炮孔壁上的爆轟壓力及其與巖體的相互作用過程，計算巖體爆破的理論模型，確定巖體爆破破碎的理論判據，對爆破產生的反射和釋能作用等方面。而對于裂隙巖體，更加劇了巖體爆破的復雜性，由于裂隙的存在使爆炸能量分布極不平衡，嚴重地阻礙著應力波的傳播，加劇了應力波能量的急劇衰減。大量實踐表明，巖石裂隙面對爆破效果的影響超過了巖石物理力學性質的影響，在具有裂隙巖體中進行爆破作業時，如果忽視裂隙面存在特性，往往難以達到理想的爆破效果。

二、對爆破效果的要求

大型露天礦的巖石剝離及礦石回采工程中，工程質量要求高，而且要求爆堆比較集中，爆堆形狀合理，不超高、不埋道、不留根底、不出現傘檐和硬幫，巖石塊度均勻，大塊率低，便于機械化裝巖，加快施工速度快，且能夠滿足露天礦大型設備高臺階開采的要求。安全方面要求爆破地震效應低、無飛石，保證爆破作業安全;成本控制方面要求優化爆破參數，盡量減少炸藥、爆破器材及鉆孔的單位成本，降低剝離成本。

三、國內外技術發展概況及國內需求狀況

國外裂隙巖體爆破的理論研究研究開始于50年代初，Obert等人首先指出：裂隙的存在是應力波在裂隙巖體中傳播差異的原因所在，應力波在裂隙面的反射和透射取決于裂隙的閉合、充填程度，閉裂隙比張裂隙對應力波傳播的影響小。60年代以來，Ash就裂隙面對應力波傳播與巖石破碎的關系作了較全面的研究，他認為，裂隙面的存在對爆破效果的影響超過了巖石物理力學性質的影響，裂隙面的存在使應力波能量的急劇衰減，因此裂隙巖體的爆破破碎比無裂隙型差。裂隙面在巖體內的不均勻分布使爆炸能量分布不均，導致巖體的不均勻破碎。進入80年代，Fourney等人對層狀模型作了進一步研究指出爆破時裂隙的形成和擴展由裂隙不連續面所控制，應力波能造成爆源附近的裂隙破裂，破裂縫除了從孔壁向外擴展，還有自由面的反射波在距離爆源較遠的小裂隙處破裂，確認了破裂縫是由應力波作用形成。Danell（1987）等將斷裂強度因子KIC引入BCM模型，并將修正的BCM模型嵌入DYNA-2D有限元程序中，成功模擬了油母頁巖和煤互層的爆破破碎過程。Rossmanith（1993）研究了應力波對巖體裂隙面的影響，通過將連續介質的破壞法則與粘彈性界面材料的本構方程相結合，建立了巖層界面的破壞發展模型。

國內研究裂隙巖體性質也是從50年代開始的，對于裂隙長度比裂隙間距小的非貫穿裂隙的理論工作是從60年代開始的，到70年代有了進一步的發展。中國科學院力學研究所尚嘉蘭、郭漢彥，南京工程兵學院錢七虎、王明洋等人結合實際的地質特點，根據斷層與裂隙帶的幾何關系，運用平面彈性波在無限彈性介質中傳播斜入射于無限平面界面理論，考慮到垂直位移、應力連續以及界面兩邊的剪力分別等于各自的正應力與摩擦系數之積的邊界條件，分析并討論了在壓力小于數千帕范圍內，對于貫穿平面閉裂隙，應力波通過裂隙帶的衰減規律、波的走時和時間，給出了不同摩擦角情況下的縱波和橫波斜射入單一裂隙的反射透射系數之間的關系式。李夕兵就巖體軟弱裂隙面對應力波傳播的影響作了研究，得出爆炸應力波斜入射到能滑移、有摩擦的軟弱裂隙面時波勢、應力和能流的透反射關系和一些計算結果。張奇對應力波垂直于裂隙入射時的傳遞過程進行了分析。中國地質大學何思為博士在研究裂隙巖體時，提出主結構面控制裂隙巖體爆破質量的觀點，并建立了爆生氣體作為炸藥板作用于臺階巖體的懸臂薄板物理模型。東北大學張繼春博士在研究裂隙巖體爆破塊度時，應用分形理論對裂隙的分布進行了定量描述，同時將巖體視為損傷體，建立了爆破塊度計算的損傷力學模型。

四、智能自動化爆破技術是未來礦山爆破的趨勢

近年來，國內外露天礦臺階爆破技術智能自動化進展情況，總體上基本可歸納為以下幾點：

①整體生產工藝已逐漸實現了自動化，從爆破設計、鉆孔，一直到裝藥、爆破、裝載均有實時監測;

②廣泛采用順序爆破、微差爆破和孔內分段爆破技術

③能根據巖石特點，自動計算爆破參數，組合或選擇不同的炸藥品種;

④廣泛采用了計算機智能爆破設計技術

⑤采集生產過程有關數據，建立卡車調度系統

⑥建立了較完善的數字礦山模型，基本實現了生產過程的全自動化在露天鉆孔爆破作業環節，國內外礦山大量采用GPs、格洛納斯（GLONASS）、北斗等星定位技術，實現精確的炮孔與機載監控信息有機配合，大幅提高鉆孔效率降低鉆孔爆破費用，取得良好效果。如在鉆車裝上機載計算機和gps自動定位設備，對鉆機自動定位并可以自動確定孔口高程，同時調節鉆孔深度，使合階高度保持在設計高度平面。

前大型露天礦常規采用大孔徑高臺階爆破技術，臺階高度一般在10-25米，孔徑般在250-380毫米：中小型礦山臺階高度較低。孔徑在9015毫米爆破技術研究發展主要體現在下列四項：

①不耦合裝藥。它是近代國內外發展起來的控制爆破技術，使炮孔壁的爆炸壓力明顯增加，作用時間明顯增長，同時有效控制爆破飛石和空氣沖擊波和減少爆破對臺階引起的震動及爆生有毒氣體量，爆破作用強度大、能量利用率高，從而達到安全、增效降耗。

②深孔底部空腔爆破。孔底空腔裝藥爆破技術采用孔底空腔間隔裝藥結構，降低爆破峰值壓力，延長爆破作用時間，提高爆破能量利用率可以降低炸藥單耗，減小對建基面的破壞，提高爆破質量和塊度均勻程度。國內東鞍山鐵礦為典型代表，臺階高度1m，孔徑260270mm，深孔底部空腔爆破，底部裝塑料簡或竹簡長約1.3-1.5m）

③空氣間隙裝藥。采用空氣間隙裝藥結構，可以改普爆破能量在孔壁中的作用時間，有效提高爆破能量利用率，明顯改善爆破效果的作用，最大限度地降低采礦綜合成本。近年來國內先后有東北大學等單位相繼在礦山開展空氣間隙裝藥爆破試驗，并取得效果良好。

④孔內多段裝藥。主要通過改變裝藥結構，避免裝藥集中于炮孔中下部，使炮孔中上部能承受炸藥爆炸作用，從而提高爆破質量和效果。在裝藥結構方面，底部一般多采用乳化炸藥，提高爆力，中部為重銨油炸藥，上部為銨油炸藥。起爆時采用孔內微差起爆，即下部先起爆上部后起爆;如果分段較多，則可采用先中間再下部最后上部的起爆方式。

縱觀上述理論研究及分析，露天礦山爆破要以裂隙巖體爆破的力學特征為依據，采用合理的爆破設計，運用先進的科技手段，以實現理想的爆破經濟效益、環境效益和社會效益。