高原露天矿剥岩爆破技术研究及走向趋势的分析

张俊尧

摘要：随着科学技术的进步，露天矿山主要向着精细化及智能自动化的方面发展。通过定量的爆破技术、精心的爆破施工和精细的爆破管理，实现爆破过程或效果更加可控，危害效应更低，安全性更高，经济效果更佳，以获得最好的矿山开采经济效益、环境效益与社会效益。

关键字：露天矿山：爆破管理：爆破过程：经济效益：社会效益

一、露天矿爆破技术分析

露天矿场内的矿岩在采装之前一般需要预先破碎，穿孔爆破法一次爆破量大，能破碎十分坚硬的矿岩，因而在露天矿破碎矿岩作业应用最为广泛。

露天矿多采用微差控制爆破技术，该方法是利用等能原理、药包微量化原理，将装药在爆破岩体内进行合理分布，把一次起爆的大药量，以延时起爆系统分解为数段或数十段，依次逐一起爆的小药包;若延期时间选择合理，可以有效的控制爆破的破碎程度、破坏范围、抛掷方向以及有效的控制爆破地震波、空气冲击波、飞石等的危害效应，把同等安全条件下的爆破规模扩大数倍至数十倍。现场爆破，良好的孔网参数、合理的爆破延期、合适的装药结构、炸药和岩性的合理匹配，是获得最佳爆破效果、降低采矿总成本的先决条件。

炸药对岩体的爆破作用是一个十分复杂的过程，爆破破岩机理目前在学术界仍没有得到一致认同。它牵涉到炸药爆炸时作用在炮孔壁上的爆轰压力及其与岩体的相互作用过程，计算岩体爆破的理论模型，确定岩体爆破破碎的理论判据，对爆破产生的反射和释能作用等方面。而对于裂隙岩体，更加剧了岩体爆破的复杂性，由于裂隙的存在使爆炸能量分布极不平衡，严重地阻碍着应力波的传播，加剧了应力波能量的急剧衰减。大量实践表明，岩石裂隙面对爆破效果的影响超过了岩石物理力学性质的影响，在具有裂隙岩体中进行爆破作业时，如果忽视裂隙面存在特性，往往难以达到理想的爆破效果。

二、对爆破效果的要求

大型露天矿的岩石剥离及矿石回采工程中，工程质量要求高，而且要求爆堆比较集中，爆堆形状合理，不超高、不埋道、不留根底、不出现伞檐和硬帮，岩石块度均匀，大块率低，便于机械化装岩，加快施工速度快，且能够满足露天矿大型设备高台阶开采的要求。安全方面要求爆破地震效应低、无飞石，保证爆破作业安全;成本控制方面要求优化爆破参数，尽量减少炸药、爆破器材及钻孔的单位成本，降低剥离成本。

三、国内外技术发展概况及国内需求状况

国外裂隙岩体爆破的理论研究研究开始于50年代初，Obert等人首先指出：裂隙的存在是应力波在裂隙岩体中传播差异的原因所在，应力波在裂隙面的反射和透射取决于裂隙的闭合、充填程度，闭裂隙比张裂隙对应力波传播的影响小。60年代以来，Ash就裂隙面对应力波传播与岩石破碎的关系作了较全面的研究，他认为，裂隙面的存在对爆破效果的影响超过了岩石物理力学性质的影响，裂隙面的存在使应力波能量的急剧衰减，因此裂隙岩体的爆破破碎比无裂隙型差。裂隙面在岩体内的不均匀分布使爆炸能量分布不均，导致岩体的不均匀破碎。进入80年代，Fourney等人对层状模型作了进一步研究指出爆破时裂隙的形成和扩展由裂隙不连续面所控制，应力波能造成爆源附近的裂隙破裂，破裂缝除了从孔壁向外扩展，还有自由面的反射波在距离爆源较远的小裂隙处破裂，确认了破裂缝是由应力波作用形成。Danell（1987）等将断裂强度因子KIC引入BCM模型，并将修正的BCM模型嵌入DYNA-2D有限元程序中，成功模拟了油母页岩和煤互层的爆破破碎过程。Rossmanith（1993）研究了应力波对岩体裂隙面的影响，通过将连续介质的破坏法则与粘弹性界面材料的本构方程相结合，建立了岩层界面的破坏发展模型。

国内研究裂隙岩体性质也是从50年代开始的，对于裂隙长度比裂隙间距小的非贯穿裂隙的理论工作是从60年代开始的，到70年代有了进一步的发展。中国科学院力学研究所尚嘉兰、郭汉彦，南京工程兵学院钱七虎、王明洋等人结合实际的地质特点，根据断层与裂隙带的几何关系，运用平面弹性波在无限弹性介质中传播斜入射于无限平面界面理论，考虑到垂直位移、应力连续以及界面两边的剪力分别等于各自的正应力与摩擦系数之积的边界条件，分析并讨论了在压力小于数千帕范围内，对于贯穿平面闭裂隙，应力波通过裂隙带的衰减规律、波的走时和时间，给出了不同摩擦角情况下的纵波和横波斜射入单一裂隙的反射透射系数之间的关系式。李夕兵就岩体软弱裂隙面对应力波传播的影响作了研究，得出爆炸应力波斜入射到能滑移、有摩擦的软弱裂隙面时波势、应力和能流的透反射关系和一些计算结果。张奇对应力波垂直于裂隙入射时的传递过程进行了分析。中国地质大学何思为博士在研究裂隙岩体时，提出主结构面控制裂隙岩体爆破质量的观点，并建立了爆生气体作为炸药板作用于台阶岩体的悬臂薄板物理模型。东北大学张继春博士在研究裂隙岩体爆破块度时，应用分形理论对裂隙的分布进行了定量描述，同时将岩体视为损伤体，建立了爆破块度计算的损伤力学模型。

四、智能自动化爆破技术是未来矿山爆破的趋势

近年来，国内外露天矿台阶爆破技术智能自动化进展情况，总体上基本可归纳为以下几点：

①整体生产工艺已逐渐实现了自動化，从爆破设计、钻孔，一直到装药、爆破、装载均有实时监测;

②广泛采用顺序爆破、微差爆破和孔内分段爆破技术

③能根据岩石特点，自动计算爆破参数，组合或选择不同的炸药品种;

④广泛采用了计算机智能爆破设计技术

⑤采集生产过程有关数据，建立卡车调度系统

⑥建立了较完善的数字矿山模型，基本实现了生产过程的全自动化在露天钻孔爆破作业环节，国内外矿山大量采用GPs、格洛纳斯（GLONASS）、北斗等星定位技术，实现精确的炮孔与机载监控信息有机配合，大幅提高钻孔效率降低钻孔爆破费用，取得良好效果。如在钻车装上机载计算机和gps自动定位设备，对钻机自动定位并可以自动确定孔口高程，同时调节钻孔深度，使合阶高度保持在设计高度平面。

前大型露天矿常规采用大孔径高台阶爆破技术，台阶高度一般在10-25米，孔径般在250-380毫米：中小型矿山台阶高度较低。孔径在9015毫米爆破技术研究发展主要体现在下列四项：

①不耦合装药。它是近代国内外发展起来的控制爆破技术，使炮孔壁的爆炸压力明显增加，作用时间明显增长，同时有效控制爆破飞石和空气冲击波和减少爆破对台阶引起的震动及爆生有毒气体量，爆破作用强度大、能量利用率高，从而达到安全、增效降耗。

②深孔底部空腔爆破。孔底空腔装药爆破技术采用孔底空腔间隔装药结构，降低爆破峰值压力，延长爆破作用时间，提高爆破能量利用率可以降低炸药单耗，减小对建基面的破坏，提高爆破质量和块度均匀程度。国内东鞍山铁矿为典型代表，台阶高度1m，孔径260270mm，深孔底部空腔爆破，底部装塑料简或竹简长约1.3-1.5m）

③空气间隙装药。采用空气间隙装药结构，可以改普爆破能量在孔壁中的作用时间，有效提高爆破能量利用率，明显改善爆破效果的作用，最大限度地降低采矿综合成本。近年来国内先后有东北大学等单位相继在矿山开展空气间隙装药爆破试验，并取得效果良好。

④孔内多段装药。主要通过改变装药结构，避免装药集中于炮孔中下部，使炮孔中上部能承受炸药爆炸作用，从而提高爆破质量和效果。在装药结构方面，底部一般多采用乳化炸药，提高爆力，中部为重铵油炸药，上部为铵油炸药。起爆时采用孔内微差起爆，即下部先起爆上部后起爆;如果分段较多，则可采用先中间再下部最后上部的起爆方式。

纵观上述理论研究及分析，露天矿山爆破要以裂隙岩体爆破的力学特征为依据，采用合理的爆破设计，运用先进的科技手段，以实现理想的爆破经济效益、环境效益和社会效益。