探討工程爆破技術在礦山開采中的運用

黃雯澤

近年來我國采礦領域進步迅速，這種進步在工程爆破技術方面有著直觀體現，但隨著各類新型工程爆破技術開始用于礦山開采，這類技術的應用難度持續提升。為保證工程爆破技術應用效果，本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1 工程爆破技術相關概述

隨著采礦事業的不斷發展，工程爆破技術出于對安全與效率的考慮也在不斷優化，就目前發展現狀而言，主要分為兩類，一類是控制爆破，另一類是地下菜場爆破。對于前者而言，當前常見的控制爆破方法有三種，分別為微差爆破、預裂爆破以及擠壓爆破，具體選擇需要結合礦山實際情況而定；對于后者而言，在地下采場爆破中具有非常多的炮孔數量，相較于其他爆破方式，此類爆破技術的范圍較大，所以爆破基礎是大量炸藥。在實施該爆破技術時，需要在綜合考慮后制定科學爆破方案，以此降低礦石損失，保證爆破開采安全性。目前，爆破技術已經成為礦山開采工程中的重要技術，因此，掌握技術運用要點是必要的。

2 常用工程爆破技術

2.1 鑿巖劈裂技術

在礦山開采領域，鑿巖劈裂技術的應用較為廣泛，該技術能夠通過爆破設備進行鑿孔，以此處理大型礦山巖石，同時將劈裂桿放置在鑿孔得到的孔洞中放置，劈裂設備可在運行中通過劈裂桿產生反作用力，巖石內部在劈裂桿逐漸施加的壓力下能夠被鑿開，鑿巖劈裂技術在礦山巖石處理中的表現較為突出。世界范圍內，鑿巖劈裂技術的應用較為廣泛，很多發達國家研發的先進劈裂機能夠較好滿足礦山開采需要，這使得鑿巖劈裂技術廣泛用于世界各地。深入分析可以發現，通過向巖石施加強大壓力，鑿巖劈裂技術能夠在應用中具體性破壞巖石，采礦區域在這一過程中受到的影響極小，同時周邊地區也不會受到鑿巖劈裂技術帶來的影響。在便捷、小巧且具備全新功能的劈裂機支持下，存在較為稀薄巖石層的礦山可應用鑿巖劈裂技術進行開采，巖石能夠在技術支持下實現高效率開采，更好滿足礦山開采需要。

2.2 定向爆破技術

定向爆破技術在礦山開采領域的應用同樣較為廣泛，該技術利用炸藥，屬于最為常見的工程爆破技術之一，但不同于傳統的非定向爆破，以往傳統的炸藥爆破屬于非定向爆破技術，即盡管能夠保證順利爆破，但是無法控制爆破時巖石碎屑的準確方向，難以為現場工作人員提供安全保證。同時，運用炸藥的非定向爆破技術也無法準確預測爆炸結果，往往需要投入大量的時間成本與人力物力，甚至引發重大安全事故。而定向爆破技術的炸藥使用方式更為先進，可實現對爆破后巖石碎屑準確方向的確定，在應用效果和安全性方面的表現更為突出，能夠有效降低礦山開采的不安全因素。相較于無法準確預測爆炸后造成結果的傳統非定向爆破技術，定向爆破技術能夠有效節約時間，避免重大安全事故產生。近年來國內外定向爆破技術發展迅速，如礦山懸掛礦石的定向爆破已經能夠實現，這使得礦山開采效率進一步提升，定向爆破技術快速推廣。在各地區礦山開采實踐中，礦洞內礦石進入井中等情況在金礦開采中較為常見，這會導致礦洞被堵塞，直接影響礦山開采效率和效益，開礦作業難度也會同時提升，但在定向爆破技術支持下，依托銅制圓盤與烈性炸藥，快速沖向巖石的銅盤可實現高達1.5m 的巖石穿透度，礦石溜井等現象在定向爆破技術支持下有效縮減，而通過適當調整炸藥量，礦山開采的不同需求也能夠較好滿足。

2.3 二氧化碳爆破技術

一定高壓下的二氧化碳能夠轉變為液態，將二氧化碳通過高壓泵以業態形式在爆破管（圓柱體容器）內壓縮，同時裝入導熱棒、破裂片、密封圈，將合金帽擰緊后即可應用二氧化碳爆破技術進行礦山開采。二氧化碳爆破技術的應用過程需要在礦山爆破現場固定爆破管，具體需要固定在需要爆破處的鉆孔中，并完成起爆器電源連接。在高導熱棒通過微電流時，安全膜由這一過程產生的高溫擊穿，氣化的液態二氧化碳會急劇膨脹，泄壓閥在由此生成的高壓沖擊波下會自動打開，堆積物或被爆破物品受此影響會在幾何級當量沖擊下推進。二氧化碳爆破技術僅存在0.4ms 的低溫爆破過程，由于不會產生電火花和電弧，且爆破前后不會產生有害氣體，該爆破技術在應用中不會受到高熱、高溫、高寒、高濕影響，同時存在無粉塵、無震蕩特點。作為典型的惰性氣體，二氧化碳能夠通過物理反應的體積膨脹滿足礦山開采爆破需要，使近年來該技術的應用日漸廣泛，如基于二氧化碳致裂器用于煤礦致裂切頂。

2.4 爆系統技術

起爆系統技術同樣能夠為礦山開采提供支持，該技術能夠保證礦山開采安全和效率，這使得長期以來起爆系統技術的研究和推廣向來受到重視，如何成功過濾雜質電流直接關系著起爆系統技術應用效果。電器起爆系統屬于較為傳統的起爆系統，該起爆系統在應用中會受到雜質性電流影響，這種影響會作用于起爆時間上，進而影響工程爆破技術應用效果，嚴重時還會導致安全事故。相較于電器起爆系統，激光起爆系統和光纖起爆系統屬于現階段應用較為廣泛的起爆系統技術，二者不存在雜質電流，而且激光起爆系統可通過光纖進行傳輸，不會對周圍工作人員造成任何影響，還會增加起爆系統的起爆距離。此外，這種起爆系統以電起爆作為基本前提，創新了以往傳統的起爆系統，所以在礦山開采中的應用更具安全性、穩定性。在整個起爆系統中，相較于以往傳統的普通雷管，為提高爆破技術的可控性，所以采用的是電子雷管。普通雷管通過化學引線控制雷管的爆炸情況，但是由于爆破過程中存在較多影響因素，所以可能會影響到具體的起爆時間，這一不確定性因素極易造成人員的傷亡。但是電子雷管對起爆時間的控制是依托于其內部的小型電路，整體可靠性更強，能夠有效改善爆炸過程中爆炸時間拖延或不準確的問題，進一步保證爆破安全。

2.5 等離子爆破技術

等離子爆破技術主要利用蓄電池組，通過將電能存儲在其中，并在巖石孔洞中放置金屬級，通過結合實際環境合理設置遠程開關，能夠在實現爆破目標的同時避免對周圍工作人員造成安全危害。一旦開關啟動，蓄電池組將會在極短時間內向孔洞的金屬級釋放之前存儲的強大電能，在該情況下，電解質轉變為高壓，從而順利爆破。雖然該爆破技術與化學爆破實現的最終效果基本相同，但是所運用的機理卻天差地別。由上述爆破技術布置可知，等離子爆破技術主要利用大量電能釋放時產生的巨大壓力，以此催動巖石孔洞的金屬級，最終形成強大沖擊力量，在該情況下，爆破后并不會產生任何有害氣體，在滿足礦山開采爆破要求的基礎上，對周圍環境造成的影響較小。

3 工程爆破技術的具體應用

3.1 工程概況

以內蒙古某大型鐵礦露天開采為例，案例鐵礦的礦產成因多變且地質環境復雜，廣泛存在花崗—綠巖地體，受地質條件影響，巖石爆破屬于鐵礦露天開采必須解決的問題。以案例礦區鐵礦2 號脈為例，礦脈傾角、厚度分別為25°、40cm，同時存在2m 左右的礦體露頭埋深，地表水豐富，礦區300m 范圍內存在通訊電纜線、高壓線，500m 范圍內不存在居民點和公路。

3.2 技術方案

圖1為深孔微差爆破技術應用的技術方案，該技術的具體應用需要在較淺礦體埋深區域通過挖掘機完成覆蓋層超前剝離，以此得到爆破自由面，高度按照2m ～3m 控制，必要時可按照可挖掘的深度控制爆破自由面。

圖1 技術方案

深孔微差爆破技術在具體應用中需要關注爆破參數的科學設計，結合礦山機械設備情況和生產能力，案例鐵礦采用潛孔鉆機完成炮孔鑿巖，型號為KT8，炮孔傾角、炮孔直徑分別為90°、90mm，由淺到深布置炮孔深度，具體控制在3m ～20m區間。

按照菱形進行炮孔布置，結合性硬度要求確定孔網參數，圍繞6m×3m、5m×3m、4m×3m 開展試驗，可得到圖2 所示的最佳爆破孔網參數。

圖2 最佳爆破孔網參數

為提升爆破規模并控制爆破用品成本，案例鐵礦采用深孔現場混裝乳化炸藥裝藥技術，該技術存在較低的成本且能夠較好適應礦區存在的大量地表水，在提升作業效率方面也有著出色表現。在起爆方法選擇上，采用圖3 所示起爆網絡設計。

圖3 起爆網絡設計

按照菱形進行各排炮孔布置，相同參數的起爆藥包和延時雷管裝填于各炮孔內，延時雷管彼此相連，起爆藥包與延時雷管的另一端連接，具體選擇孔底起爆方式。分組圍繞第一排炮孔雷管開展，1 組包括4 個～5 個炮孔雷管，通過并聯方式進行各組雷管連接，串聯方式用于每排間雷管連接。在深孔微差爆破技術的具體應用中，大自由面作用下的第一排炮孔首先起爆，后續爆破孔逐排起爆，可得到順著自由面拋擲的大多數爆破巖石。

3.3 技術優化

為進一步降低成本并優化爆破效果，還應進一步優化深孔微差爆破技術應用，這一優化可圍繞中深孔爆破參數、爆破間隔時間、起爆方法及起爆網絡、裝藥參數共四方面入手。

3.3.1 深孔爆破參數優化

基于90°鉆孔傾角、90mm 鉆孔直徑，在潛孔鉆機KT8 支持下進行鑿巖，可得到穿過鐵礦脈的炮孔深度，同時礦脈埋深會直接影響炮孔深度，為控制采礦成本，按照20m 控制最大炮孔深度，具體控制在3m ～20m 區間；開展小臺階模型爆破試驗優化炮孔排距及間距，以此控制炸藥單耗和爆破塊度，在具體試驗中，在穿孔參數不變，菱形布孔并設置1.5m 最小抵抗線時，調整炮孔排距及間距，可確定炮孔排距、間距分別為3m、4m 時，存在0.7g/m3炸藥單耗、6cm 特征塊度，炮孔排距、間距分別為3m、5m 時，存在0.5g/m3炸藥單耗、15cm 特征塊度，炮孔排距、間距分別為3m、6m 時，存在0.6g/m3炸藥單耗、30cm特征塊度。結合試驗可以確定，為控制炸藥單耗、降低大塊率、改善爆破質量，需選擇最佳炮孔排距、間距，分別為3m、5m。

3.3.2 微差爆破間隔時間優化

在礦山爆破領域，微差爆破技術的應用較為廣泛，該工程爆破技術存在鮮明地震波特點，最大振幅值小、頻率高、周期短且主震響持續時間短。微差爆破間隔時間參數在微差爆破技術應用中較為關鍵，直接影響爆破振動和爆破地震波效應，因此案例礦山同樣在爆破間隔時間優化方面投入精力。結合現有研究和實踐可以發現，三方面因素決定起爆時差，包括后排藥包炸藥爆破后應力波、裂隙擴展至自由面、前炸藥包形成自由面對應時間，結合案例礦山的爆破實踐，按照25ms ～500ms 控制微差爆破間隔時間，孔間延遲、孔內炸藥爆破延遲分別為25ms、500ms。

3.3.3 起爆方法及起爆網絡優化

案例礦山選擇現場混裝乳化炸藥方式，基于延時雷管孔間微差起爆開展多排孔微差逐排爆破，所有炮孔采用的延時雷管規格為25ms ～500ms，第一排炮孔并聯起爆用雷管規格為500ms，排間的炮孔段串聯使用25ms 延時雷管，第一排3 組雷管線管引爆由起爆雷管完成，第一排延時雷管由此同時導爆，逐步完成逐排微差爆破。為實現爆破大塊產出率控制并高效利用炸藥爆破能量，設置起爆藥包于炮孔底部，起爆藥包與延時雷管500ms 段連接，孔底集中起爆可由此實現，其中炮孔間延 時 分 別 為0ms、25ms、50ms、75ms、100ms、125ms、150ms、175ms、200ms、225ms、250ms 時，對應孔底延期時間分別為500ms、525ms、550ms、575ms、600ms、625ms、650ms、675ms、700ms、725ms、750ms。

3.3.4 裝藥參數優化

由于案例礦山所在地區存在豐富地表水，為應對較高的炮孔水位，為提升炸藥利用率和裝藥效率，選擇現場混裝乳化炸藥進行爆破的方式，這能夠實現裝藥高度降低，裝藥安全系數也能夠同時顯著提升，更好保證爆破作業安全。圍繞深孔裝藥結構進行分析可以發現，炸藥裝填前需要將炮孔礦脈超深距離通過填塞物堵塞，之后預留填塞物于炮孔上部，具體長度控制在2m ～3m，炮孔填塞選擇存在較小粒度的碎巖。結合計算可以確定，相較于0.6kg/m3藥卷式乳化炸藥的炸藥單耗，現場混裝乳化炸藥存在0.43kg/m3的炸藥單耗，優勢極為顯著。

3.4 爆破效果

在應用深孔微差爆破技術的過程中，底部鐵礦體可通過炮孔內的炸藥振裂，鐵礦開挖便利性因此大幅提升。同時，技術應用能夠直接朝自由面方向進行爆破巖體拋擲，可得到塊度均勻爆破巖石，僅存在10%左右大塊率，爆破沖擊波、地震波及飛石等危害得到有效控制，周邊建筑物受到的爆破振動損害基本消除。自應用新技術以來，案例礦山未出現爆破安全事故，礦山安全生產得到保障，由此可直接了解深孔微差爆破技術的應用價值。

4 結論

綜上所述，多方面因素均會影響工程爆破技術在礦山開采中的運用。在此基礎上，本文涉及的技術方案、起爆方法及起爆網絡優化、裝藥參數優化等內容，則提供了可行性較高的工程爆破技術應用路徑。為更好服務于礦山開采，工程爆破技術應用還應關注爆破模擬的科學開展、安全管理的進一步強化等方面內容。