露天矿山台阶爆破技术发展现状及展望

李萍丰，张兵兵，谢守冬

(宏大爆破工程集团有限责任公司，广州 510623)

台阶爆破技术作为露天矿山安全高效开采的重要手段，广泛应用在煤炭、金属、非金属矿山等领域，广大专家学者针对不同的施工工序，在孔网参数、装药结构、填塞方法、起爆顺序、延时时间等方面，进行了比较深入的研究，爆破技术的改进显著提高了露天矿山的综合生产效率。随着台阶爆破的不断深入发展，涌现了一大批先进的仪器设备、实用软件及技术体系，如新型钻具及装药设备、数码电子雷管及新型炸药的推出，为工程爆破的高质量发展奠定了良好基础。现阶段，新兴信息技术引进及多学科交叉融合趋势不断加快，台阶爆破技术逐步朝着数字化智能化方向迈进[1]。

1 台阶爆破的发展历程

台阶爆破发展历程整体上可划分为控制爆破、精细爆破、数字爆破、智能爆破4个阶段，每个阶段都有着显著的特征。

1.1 控制爆破技术

鉴于矿山传统粗放爆破施工的安全性及高效性不足，爆破危害控制难度大，控制爆破技术应运而生。控制爆破主要是采用传统人工装药或者机械化装药的方式，通过爆破设计、优化施工、加强防护等技术手段，既有效保证了实际爆破效果，又将各类爆破危害效应控制在合理范围内。根据作用机理的不同，典型技术主要有松动爆破、延时挤压爆破、间隔装药爆破、陡帮开采，可满足露天矿山不同爆破需求[2-3]。

矿山控制爆破技术的不断发展，促进爆破基础理论研究深度不断加大，涌现了较多的先进爆破工艺和器材，爆破行业发展步伐显著加快。

1.2 精细爆破技术

随着精细化理念的不断输入，2008年4月，谢先启等提出了精细爆破[4]。主要是由目标、关键技术、支撑体系、综合评估体系和监理体系5个方面组成，其中关键技术主要体现在定量化设计、精心施工、精细管理和实时监测与反馈等方面，相对于传统控制爆破而言，精细爆破要求更高，爆破效果和爆破危害效应控制更好。

爆破基础理论研究的突破、计算机技术的大力推广、爆破器材的不断革新、检测监测技术的迅速发展以及钻爆设备的优化改进等，为实现精细爆破提供了强有力的技术支撑。在原有控制爆破技术的基础上通过定量化设计、精心施工、精细管理和实时监测与反馈，改进了传统施工的欠缺之处，使得大规模安全高效一次性起爆技术、复杂环境下的逐孔起爆技术以及特殊目的的爆破技术等，均取得了长足的进步，为露天矿山矿石分采分爆、控制大块率及粉矿率等方面提供了有力的支撑。

精细爆破理念为爆破行业高质量发展提供了新的思路，在推动爆破行业关键技术研究与应用做出了较大的贡献。

1.3 数字爆破技术

2002年中国爆破行业协会组织召开了数字爆破研讨会议，大量专家学者参与其中，旨在借助信息化平台、计算机数值模拟技术等，将爆破过程中可能涉及到的技术参数全部以定量化、数字化形式展现，以此指导爆破施工，实现降本增效[5]。经过近年来的不断探索，数字爆破内涵不断丰富，取得了长足的进步。

露天矿山台阶爆破施工作为数字爆破技术的核心所在，目前已在爆破现场数字化测量、钻孔定位与岩性测试、爆破设计、装药系统、起爆系统、爆破效果监测与分析、爆破管理等方面开展了大量的研究工作[6]，为推动爆破行业数字化、可视化和可追溯等方面发展做出了贡献，推动爆破行业向科学化、可持续的发展。

1.4 智能爆破技术

随着新兴信息科学技术及多学科融合发展不断加快，2012年汪旭光院士提出了智能爆破理念[7]，2020年11月国内第一家“智能爆破研究中心”正式成立，将物联网技术、云计算技术、系统工程技术和智能应用技术等与现代工程爆破技术紧密相结合，构成人与人、人与物、物与物相联的网络，动态详尽地描述并控制工程爆破全生命周期，以高效、安全、绿色爆破为目标，实现工程爆破的可持续发展。

爆破行业在露天矿山智能台阶爆破研究方面，开展了一系列科技攻关工作，智能爆破内涵不断完善，短板方面有所改善，涌现了一批先进爆破信息管理系统及智能化装备。智能爆破理念是数字爆破和精细爆破等概念的集成与升华，更加具体、全面、动态、详尽地描述工程爆破的全过程，为爆破行业的中长期发展指明了发展方向。

2 台阶爆破全生命周期技术现状

台阶爆破是一项系统工程，全生命周期主要包括爆破设计、钻孔、爆破施工、爆破效果分析与反馈优化改进等方面。目前在子系统方面的研究较为深入，而在子系统融合形成全流程施工与管理方面，仍有待提高。

2.1 爆破设计

爆破设计是在获取待爆区域地形地质情况的基础上，进行参数设计、模拟分析与方案优化，实现精心设计。传统的爆破设计是技术人员依靠工程经验自主设计，具有一定的盲目性；随着爆破设计软件的引进，可通过自主设定爆破参数、装药结构及联网方式等，在系统中自动生成相应的爆破设计方案。同时通过几个方案的对比，分析各自的预测爆破效果是否满足施工要求，进而给出最优设计[8]。人工劳动强度大幅降低，设计的准确度及设计效率大幅提升，数字化智能化水平较高，爆破设计软件得以广泛推广。但在仿真分析及精准预测方面，实践表明爆破设计软件准确度仍有所欠缺。

2.2 钻孔技术

钻孔技术是保证台阶爆破效果的重要前提，无论是垂直深孔爆破还是倾斜深孔爆破，钻孔不达标，爆破效果难以保障。其与钻机的更新换代密切相关，由早期的人工钻孔定位向仪器系统自动高精度定位发展，现阶段钻机性能参数与指标不断提高，可有效保证直径、角度、深度等基本指标符合钻孔精度要求[9]；同时配套的验孔技术也在快速进步，由早先的皮尺刻度量孔向传感器及激光自动测孔发展，效率明显提高，但在水孔验孔精度方面仍有所欠缺。而在提高不良地质条件下的钻孔成孔率方面，现有技术是在钻孔完毕后实施加固，保证在一定时间内较为完整，但很少有研究在钻孔阶段一次性解决成孔难题。

2.3 爆破施工技术

爆破施工是保证台阶爆破效果的核心所在，主要是由装药、填塞、联网、起爆等方面组成，其中又以装药技术和起爆网路设计最为重要。

1)装药技术。露天矿山装药技术从设备上来看，由早先的人工装药向机械化自动装药发展，基于混装炸药的方便快捷性，混装炸药应用范围不断扩大，混装一体化技术不断深入人心，装药效率和准确度大幅提升。在装药结构上，按照装药方式与炮孔有无间隙，分为耦合装药和不耦合装药，耦合装药一般用在常规台阶爆破，通过增大装药量破坏岩体结构；不耦合装药主要用在边坡控制爆破上，减弱对炮区的破坏作用，如缓冲爆破、预裂爆破、光面爆破等。装药结构又可分为连续装药与间隔装药，间隔装药既有2段、3段甚至多段，可有效降低炸药单耗、节约成本，在相同装药量的前提下，采用间隔装药可以提高装药的高度，使应力场轴向分布更加均匀，从整体上改善了岩石破碎效果。

2)起爆网路设计。现阶段，露天矿山常用的起爆网路主要有：毫秒延时爆破技术、排间顺序起爆、斜线起爆、V型起爆、逐孔起爆技术等。其中，逐孔起爆技术应用最为广泛，先起爆炮孔为后爆炮孔多创造了一个自由面，相邻炮孔间的碰撞挤压作用不断加强，爆破危害效应得以有效控制，爆破效果显著提升。随着数码电子雷管的不断普及，炮孔起爆延时控制精度更高，逐孔起爆优势更为突出。

2.4 爆破效果分析技术

爆破施工完毕后，爆破效果的及时高效分析至关重要，分析爆破方案的优点与不足，做到效果反馈与方案优化改进，建立台阶爆破效果实例库，可为类似地形地质条件的台阶爆破设计与施工提供重要的技术支撑。爆破效果综合分析主要包括爆破有害效应、爆堆形态、块度大小等方面，高速摄影机加上传感监测仪器设备，可有效监测飞石运行轨迹、爆破振动效应、爆破粉尘率等方面，再结合相应数据处理软件，爆破有害效应的监测较为系统化。爆堆形态及块度大小可通过扫描设备，如摄影机、无人机、三维激光扫描仪等[10-11]，可有效获取爆堆点云信息，重建爆堆真实形态及岩石块度尺寸，实现爆堆表面和内部结构的还原，但爆堆内部结构分析的准确度不够高，真实性需要结合挖装实际情况进行综合评判。

3 台阶爆破技术展望

3.1 构建爆破一体化技术体系

现阶段台阶爆破针对特定技术的研究较为深入，而全生命周期研究较为分散，尚未能真正实现流程化、标准化、一体化。台阶爆破一体化技术体系应包括混装一体化、钻爆一体化，真正实现设计—施工—监管—优化全流程精准控制。其中，混装一体化包括炸药生产、远程配送、自动化装药与安全监管，确保炸药安全高效使用；钻爆一体化包括爆破设计、精准穿孔、爆破施工、效果分析与反馈等方面全阶段高效管理。

3.2 炸药与岩石自动匹配度分析

良好的爆破效果依赖于炸药与岩石的高度匹配，需要改变传统意义上过多关注炸药参数与爆破参数而忽略岩石性质的影响，真正地将露天矿山岩石性质研究纳入至台阶爆破全生命周期，不再单纯通过改变孔网参数、单耗大小来实现预期目标。炸药与岩石自动匹配度研究，可有助于实现地质问题的超前预报以及工程规划设计，为露天矿山设备选型、爆破器材合理可靠选取等提供参考依据。

开展露天采场岩石性质测定，探究不同区域岩石可钻性与可爆型分级标准，构建岩石质量分级体系；研究不同类型炸药配方，并通过爆炸性能、爆破威力、储存期、炸药热分解等安全指标测定来进行验证。最终通过波阻抗、全流程匹配及能量密度匹配等指标进行岩石与炸药的自动匹配分析，保证爆破设计的高匹配性、现场施工的精准性、效果分析的可靠性。

3.3 台阶爆破数字化智能化转型

现阶段，国家大力推行各行业数字化智能化发展，矿山行业数字化转型如火如荼，作为露天矿山开采的重要组成部分，台阶爆破技术应紧跟数字化智能化趋势，开展科研攻关工作，形成核心成套技术，引领矿山爆破行业快速高质量发展。

引进5G通讯、大数据及云计算等高端技术，研制台阶爆破全流程装备，包括钻机、装药车、填塞车、爆破器材等，提高设备仪器的数字化智能化操作水平，向少人化、无人化方向发展。将爆破全生命周期涉及到的硬件软件系统进行智能优化整合，实现各环节数据端口的标准化，从设计、仿真、优化、反馈等入手，集中于钻爆一体化智能技术研究，开展智能化钻孔与岩性自动识别、装药流程全智能化精准管控、爆破效果实时智能反馈与优化处理，实现全周期的集成处理。

4 结语

台阶爆破广泛应用于露天矿山领域，取得了众多的技术突破，持续推动露天矿山安全高效开采与管理，创造了巨大的经济效益。但不可否认的是，仍存在一些技术瓶颈，如露天矿山岩石与炸药自动匹配度不足、爆破技术研究碎片化现象居多未能形成有效系统、数字化智能化水平略显不足，有待进一步克服。高校、科研院所、企业应共同开展智能爆破技术的研究，积极布局智能爆破科研攻关工作，逐步实现爆破全生命周期智能化管控与绿色高效生产，为爆破行业数字化智能化转型发展指明方向。