露天矿山深孔台阶爆破技术的现状与发展趋势

李胜林梁书锋李晨刘殿书

中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083

目前,全世界约三分之二的固体矿物是通过露天开采方式获得的,而这些露天矿山中普遍采用深孔台阶爆破。在国家倡导发展数字矿山、绿色矿山、智慧矿山的大背景下,大数据、5G、人工智能等新技术与传统爆破工艺不断融合,露天矿山深孔爆破技术也出现了大的调整与进步。本文基于近几年的科研工作,并结合文献调研,对国内露天矿山深孔台阶爆破技术的现状及发展趋势进行总结和分析,为露天矿山的爆破设计、施工以及技术理论研究提供参考与借鉴。

1 起爆系统电子化

2017年底,我国开始推广使用电子雷管,目前是世界上最大的电子雷管生产国和使用国。2020年,中国工业雷管总产量为9.56 亿发,其中电子雷管1.17 亿发。伴随着电子雷管技术标准的完善以及生产工艺的不断进步,用户体验不断改善,电子雷管的使用范围会进一步扩大,占比也将不断增高。

电子雷管使用电子芯片取代延期药实现延时,可在一定范围内指定延期时间,延时精度高。目前,国内有近30 家企业获得电子雷管生产许可。在矿山台阶爆破中,应用电子雷管的优势在于:

(1)精确延时改善了爆破效果。以普通延期电雷管(第1 毫秒系列)为例,延期时间在2 000 ms以下共20 个段别,2 段名义延期时间为25 ms,下限12.6 ms,上限37.5 ms,延期精度是±50%,20 段名义延期时间为2 000 ms,下限1 850.1 ms,上限2 149.9 ms,延期精度是±7.5% ;半秒系列和秒系列延期精度上限为±5%,下限为±17%,且稳定性差、易串段,尤其储存一段时间后,存在延期时间漂移现象。

电子雷管延期时间可在0～20 000 ms 间任意设置,延期精度可控制在±1% 以内。国际先进水平每段产品精度可控制为±1 ms,而且性能稳定,存储期长。

对比采用普通非电导爆管雷管的网路可知,采用电子雷管的爆破,爆破块度均匀且平均尺寸小,大块率低。神华准格尔能源有限公司黑岱沟露天煤矿采用电子雷管进行高台阶抛掷爆破,可将抛掷率提高5%～37%,一次性地将大量岩土排到指定的内排区域,有效减少了倒堆工作量[1]。

(2)爆破振动有害效应易于控制。爆破振动对周边构建物的伤害主要有2 个因素,振动幅值与频率。振动速度幅值主要与爆破的单段药量相关,使用电子雷管的起爆网路,可以方便地实现逐孔起爆,这大大减小了单段起爆药量,有效减小了爆破振动。

(3)安全性好。电子雷管具有良好的抗静电、抗射频、抗杂散电流等性能,不能被普通电源和工业用电引爆。其生产、装卸、运输、贮存和使用环节的本质安全水平大幅提高,同时消除了延期药生产过程的危险和污染问题。

(4)可追溯性强。电子雷管及其起爆系统实现了现场实时注册、检测、授权、时间设置、密码控制、APP 软件+后台系统平台数据交互、GPS 或北斗定位、爆破信息数据实时上传等功能,可做到电子雷管全流程、全领域的过程控制,实现了雷管使用的事前控制、事后追溯。

相对于电雷管或非电雷管,当前电子雷管产品与应用技术仍然未完全成熟,存在一些弊端。首先,产品的技术标准借鉴电雷管的国家标准,涉及电子雷管核心技术的生产条目及参数检验标准缺失。国家或行业未制定使用标准,各厂家自行制定本公司产品的使用流程,用户若使用几家公司的电子雷管,则需要购置多种类型的检测或起爆设备,遵照不同的使用流程,现场使用效率低下,且易混淆出错。其次,产品性能、质量和可靠性偏低。目前国内各厂家的生产组织仍处于手工或半自动化状态。整体技术和产业化水平不高,生产连续化、智能化、自动化水平偏低,同时造成产品质量可靠度偏低。

电子雷管在爆破作业中仍存在较多问题,拒爆、盲爆率较高,爆破作业过程中存在芯片模组器件损坏、电子雷管被压死的现象,带来了较大的经济损失与安全隐患。2020年6月,北京市工程爆破协会对国内几种电子雷管进行现场实验,检验电子雷管近距离起爆的可靠程度。当炮孔距离较近(30 cm)而起爆时差较大时,电子雷管出现大面积拒爆现象。当场取出拒爆的电子雷管不能正常检测,也不能被起爆,但一段时间(几天到几周)后,拒爆雷管各项技术参数又恢复正常,且能正常起爆。导致电子雷管被“振晕”的原因至今在学术界未有定论。

任何一个新事物的成熟,都需要一定的发展阶段。目前,中国电子雷管的应用正处于初级阶段,使用过程中不可避免地会出现各种问题,但瑕不掩瑜,伴随着技术进步,电子雷管产品会更加成熟,它也必然会促进工程爆破技术的革新与进步。

2 爆破智能化

2018年5月1日起,《智慧矿山信息系统通用技术规范》(GB/T34679-2017)在我国开始实施,其中提出了向智慧矿山转变的大量信息系统通用技术要求。智慧矿山以数字矿山为基础,融合了信息科学、采矿科学、大数据、人工智能、计算机技术和3S 技术[2]。爆破作为露天矿山生产工艺重要的一环,也必须向智能化迈进。

总体来说,露天矿山爆破智能化包含3 个系统:钻机系统、爆破设计系统、炸药现场混装与装填系统,而3 个系统间的信息共享应用与传输也是必不可少的。

2.1 智能钻机系统

智能钻机系统依靠传感器在钻进过程中采集参数,确定岩石种类,并为爆破设计系统及炸药装填系统提供数据。良好的智能钻机系统可以提高钻孔效率,改善成孔质量,减少对人工经验的依赖。

近些年,国内外的多家钻机公司陆续推出了一些新功能钻机,自动化程度越来越高,在某些功能上基本实现了智能化。例如,应用GPS 技术对钻机臂架进行自动定位,可以大幅度提高现场标记和定位的工作效率,能够使钻机操作人员集中精力监控钻孔的过程。

实际采矿工程中,准确掌握爆区岩体性质是保证爆破参数设计科学性的关键。理论上认为破碎单位体积岩石所消耗的能量多少反映了岩石破碎的难易程度,其与岩石的物理力学性质存在一定的关联性。依据此理论认识,在应用智能钻机系统钻孔时,可以采集以下几方面钻进数据用于岩性识别:

(1)钻进速度。钻机和钻头对同一岩石块体的钻进速度为常数[3]。因此,可以利用钻速的时空变化曲线实现工程岩体的快速分级和评价。

(2)回转速度。与岩性匹配的回转速度,可以提高钻孔效率,减少钻头磨损,此参数间接反映了钻机提供给钻具的能量。

(3)钻头上的轴向压力与扭矩。钻头旋转产生的切削力和钻头轴向冲击力是破碎岩体的能量来源,可以作为获取岩体分级中凿碎比能指标的重要依据。

(4)其他参数,如钻孔深度、工作气压等。20世纪中期,美国、日本等国家已开始尝试建立工程岩体质量与钻进参数之间的定量关系[4]。例如,美国的Bulgrus-Erjie 公司研发了牙轮钻机的HolePro 系统,并利用该系统采集钻速、回转速度、回转力矩和轴压力等数据,用于分析岩石的硬度。卡特彼勒公司则利用钻杆在钻进过程中产生的振动数据来辨别岩石岩性,实现了牙轮钻机钻进过程的自动化、智能化。

在岩性识别的基础上,可以对岩体进行可爆性分级,并为爆破设计与装药提供基础数据,这也是露天矿山实现爆破设计网络化、可视化、精细化和智能化的基础。目前,这项工作有待研究人员进一步发掘。

2.2 智能爆破设计系统

爆破参数设计是爆破作业的核心环节,对爆破质量以及后续的铲装效率均有较大的影响。传统的爆破设计往往依赖于工程师的经验,不利于有效控制爆破效果和爆破成本。为了提高爆破设计的科学性,国内外学者尝试将爆破理论、专家经验和计算机技术相结合,开发了爆破计算机辅助设计系统。

依据自动化程度,可将现有爆破设计系统分为以下3 类:

(1)手动设计。爆破技术人员基于岩体、爆破器材、钻机等信息,在安全的前提下根据对爆破效果的要求,靠个人经验进行爆破设计。目前这一类设计软件是市场主流,所有的爆破设计软件基本都支持此功能,比较著名的软件有澳瑞凯公司的shotplus 软件[5]、澳大利亚昆士兰大学的3×30 PRO[6]、辽宁工程技术大学SMCAD[7]、中国矿业大学的Ksbp[8]等。

(2)自动设计。在输入基本信息后,程序能够根据地质、地形信息自动布孔,此种方法大大减小了爆破工程师绘图工作量。北京科技大学的Blast-Code[9]是这一类软件的代表。

(3)智能或智慧设计。此类设计需要大量的样本信息,包括爆前信息(岩性、炸药参数、布孔参数、网路等)和爆后信息(抛掷率、大块率、块度分布等),使用神经网络或者专家系统训练得出爆破效果与爆破参数的隐性关系,随着样本数的增加,两者关系更加可靠。爆破工程师进行爆破设计时,只需输入基本参数和效果控制指标,系统会自动给出爆破参数。第三类软件一般单独针对单个矿山或某个公司研发,商业开发不充分,市场占有率较低。

智能爆破设计系统要具有爆破领域专家非单一的思维方式,在研究岩体爆破问题时,能够综合考虑岩体条件、工艺条件、炸药参数等因素对爆破方案的影响;应具备模糊推理能力,以处理爆破设计问题的非确定性和客观条件的模糊性;系统能与数据库管理系统有效结合,能对数据进行分析并从中找出规律,形成有效的学习反馈机制。

2.3 炸药现场混装技术

炸药作为工程爆破中的做功材料,属于危险化学物品,其生产、储存、运输和使用各环节的安全问题,受到越来越多的关注。炸药现场混装是集原料运输、炸药混制、装填于一体的新技术,具有安全性高、计量精度高、装药效率高、生产成本低等优点[10],近年来成为露天矿山“数字化爆破”中的重要组成部分。

炸药现场混装技术是通过混装车自身的定位系统和炸药流量计量系统,实现爆破区域内炮孔定位、定量装药现场混装作业。类同于城市土木工程建设中常见的混凝土搅拌车组成的配送体系,现场混装车辆(装药车)从某一集中制备站装载炸药原料或半成品后,运输至爆破工程作业现场,利用车载混拌系统,完成半成品炸药或原材料的现场搅拌和敏化,最后通过泵送或螺旋输送装填进炮孔,再经5～10 min 发泡后才能成为炸药。该技术实现了炸药制备、运输和装填的一体化和标准化。现场混装作业技术具有可靠的安全保证,尤其可消除成品炸药的仓库储存、路途运输和装药作业中发生遗失的安全隐患。另外,现场混装装药效率高,每分钟可混制和装填炸药250～300 kg,装填一个孔径310 mm 的炮孔,平均只需2～3 min,是人工装药工效的数十倍[11]。对于有水的炮孔,采用现场混装乳化炸药时,可通过装药软管从孔底往上装药,随着炸药的装入,炮孔中的积水自动排出,减少了水孔排水的施工程序,节省了装药时间[12]。由于炸药各组分的比例实现了智能化控制,针对不同的岩体,可以动态调整炸药的密度、爆速等参数,使其波阻抗与岩石波阻抗相匹配,甚至可以在同一炮孔内装填不同密度、不同种类的炸药以适应不同的岩体结构,使炸药能量得以充分发挥,改善爆破效果。

炸药现场混装技术在运输、生产、使用等几个环节都具有较高的本质安全性,是矿山爆破作业的一大进步。据统计,2010年,国外现场混装炸药的比例达到80% 以上,美国、加拿大和瑞典等国家现场混装炸药的比例均超过90%。近年来,我国大力提倡发展工业炸药现场混装作业模式。现场混装炸药的产量逐年增加,2019年已达到1.18 Mt,占工业炸药总产量的27.1%,同比增长约8%,其占比将在“十四五”时期持续增加。

综上所述,矿山数字爆破是一个集成解决方案,露天爆破智能化发展的目标是:不仅能将爆破参数及孔位坐标传输至钻机系统,还能接收并依据钻机系统采集到的数据设计装药参数,也能将装药参数及孔位坐标传输至现场混装炸药车,从而实现钻机系统、爆破智能设计系统以及炸药混装和装填系统的有机结合。

3 爆破绿色化

深孔台阶爆破产生的有害效应包括爆破振动、冲击波与噪声、粉尘、飞石及各种有毒有害气体。爆破绿色化就是通过多种手段来降低或消除爆破有害效应。

3.1 爆破振动预测

岩石的爆破过程不可避免地会带来爆破振动效应,并且这种效应是无法消除的。很多矿山经过长期的开采,毗邻矿界时会逐渐接近村庄、城镇或者古迹,由于爆破振动而产生的事故或纠纷比比皆是。

《GB 6722—2014 爆破安全规程》规定,爆破振动的安全判据以不同频率范围的质点峰值振速为指标,爆破振动强度的预测沿用了修正后的萨道夫斯基公式:

式中,K和α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数;R为测点至爆区中心距离,m;Q为延时爆破最大单段药量,kg;v为质点峰值振动速度,cm/s。

应用公式(1)对实测数据进行线性回归即可得到预测公式。该公式仅包含药量和爆心距两个因素,对其他装药参数则明显考虑不足。根据笔者对多个露天矿山的爆破振动测试分析发现,预测公式与实测数据之间的相关性有时不高。虽然其误差波动性较大,但仍有规律可循,即相对误差在其均值中心附近分布较密,并向两侧逐渐减少,这符合随机误差的特征,可以认为预测值的相对误差X服从正态分布N(μ,σ2)。对于重要性较高的建筑物,通过现场爆破振动监测,将获取的数据样本均值和方差作为μ和σ2的估计值,并依据一定可靠性指标(1-α)下速度预测的最大误差对公式预测值加以修正,保证预测速度值不会显著低于真实速度值,从而为爆破振动的设计给出更为安全的设计依据,具体方法见文献[13]。

随着人们对爆破振动认识的深入,单凭振动强度一个指标已不能完整地描述爆破振动对周围环境的影响。对于工程中的一些重点保护对象,往往需要预先知道它在爆破振动作用下完整的动力响应过程,希望能够预测爆破地震波的波形全貌,从而可以对爆破振动的危害进行全面评价。

由于爆破地震波具有波的可调制性[14],国内外学者相继提出了线性叠加模型[15]、非线性叠加模型[16]、基于多组子波的叠加模型[17],这些模型将单孔爆破地震波作为子波对群孔爆破地震波全时程曲线进行预测。此类模型虽能够在一定程度上提高爆破振动预测结果的准确性和全面性,但鉴于实际的单孔爆破振动波形并不具有复现性,其预测精度仍有待改善。为此,人们近年来开始借助地震波随机模型[18]尝试实现单孔爆破振动的随机化。

中国矿业大学(北京)李晨博士以调制过滤白噪声为基础,分别采用强度包络函数和单位脉冲响应函数来描述爆破振动波形的强度特征和频率特征,构建了一种单孔爆破振动随机模型,并据此改进了安德森叠加模型。图1所示为该模型在北京昌平凤山露天矿单孔和群孔(3 孔)爆破振动预测的应用实例,其爆破条件为单孔装药量180 kg,爆心距150 m,孔间延时10 ms。图1 中X1、X2和X3是根据振动随机模型模拟生成的3 列单孔爆破振动速度波形曲线,u1则是在此基础上叠加形成的群孔爆破振动速度波形曲线。由图1(a)～(c)可以看出,参与叠加计算的单孔随机爆破振动速度波形,突破了原有地震波线性叠加模型中关于单孔爆破地震波的复现假设,更能体现炮孔装药起爆后所激发爆破地震波的真实性。

图1 单孔装药量180 kg、爆心距150 m 下的多孔爆破地震波模拟结果Fig.1 Simulations of blasting seismic wave with charge of 180 kg and distance of 150 m

需要指出的是,相同爆破条件下应用该模型得到的预测结果不再是单一曲线,图2 给出了经100次模拟计算的统计结果。由统计结果可以看出,多孔爆破振速峰值大致呈对数正态分布,其速度峰值的均值和取值范围均与现场实测结果相符。

图2 多孔爆破的地震波的对数峰值振速分布情况Fig.2 Logarithmic peak velocity distribution of seismic wave in multi hole blasting

3.2 爆破粉尘控制方法

露天爆破的起爆瞬间,空气中将产生浓度1.5～2.0 g/m3的粉尘,且粉尘分散度高、扩散快[19],其污染程度远超其他作业环节。随着人们对粉尘危害认识的加深和国民健康意识的增强,有关专家及学者也在不断深入研究露天爆破粉尘污染的控制问题,并提出了多种露天爆破除尘、降尘技术。

对于露天爆破而言,在岩尘形成蘑菇云及扩散阶段实施捕尘措施的难度比较大,效果也不理想。因此,目前爆破降尘方法主要是在粉尘粒子起跳阶段予以控制。常见的降尘措施包括干式除尘、湿式降尘和联合式除尘3 种,其中湿式降尘技术因其效果好、成本低而被广泛应用,也是近年来国内外爆破降尘研究的重点方向。湿式降尘技术包括:

(1)压力水降尘技术。钻孔时向预采剥岩体工作面内提前注入压力水,爆破作业时预湿岩体可对尘源的扩散起到预防作用,但该技术对爆破采剥岩层有一定的要求,无裂隙且高硬度的完整岩层中因渗透性差,降尘率往往较低。

(2)爆破水袋降尘技术。采用水炮泥替代部分黏土炮泥实现降尘,考虑到粉尘的附着性,可在水炮泥中添加一定的无机盐、阴离子表面活性剂、粘尘剂等添加剂,达到降低水的表面张力、增大其湿润能力的目的。这种降尘技术主要对炮孔粉尘有效,无法直接影响到地表粉尘以及岩层挤压破碎产生的粉尘,降尘效果具有局限性。

(3)泡沫降尘技术。该技术主要经由空气、水和发泡剂等物质混合后的物理发泡过程形成泡沫,泡沫喷洒至爆破区域内可将主要尘源无空隙覆盖、对粉尘实现包裹,爆破作业后周围的粉尘会黏附在一起,增加了粉尘自重,进而达到自然沉降的目的。但是,由于发泡混合液配比复杂、发泡剂应用成本高,目前该技术尚未能够大范围应用至实际工程。

(4)水幕帘降尘技术。水幕帘降尘技术从尘源位置入手,在主要降尘区域悬挂灌满水的塑料袋,利用爆破时形成的帘状水幕区,通过雾化水将粉尘吸附限制在水幕区域内,防止其大范围扩散。但是该技术实施烦琐,同时对施工环境要求较高,在露天环境中的应用效果较差。

近年来,学者们也在努力提高湿式除尘方法中水介质的捕尘能力,如磁化水降尘技术[20]、超声波雾化降尘技术[21]、预荷电喷雾技术[22]等。不过受空间、经济性、适用性等因素制约,现阶段还无法在矿山岩石爆破降尘中取得较好的应用效果。

3.3 冲击波与噪声的防治措施

爆破冲击波又称为空气超压,是炸药爆炸瞬间在空气中形成的一种压缩波。爆破冲击波的频率范围很宽,其中人耳能够听到的为噪声;而大部分频率小于20 Hz 的分量是人耳听不到但可以感觉到的,可称为“振荡”[23]。噪声和振荡共同组成了爆破冲击波超压,其强度受到诸多因素的影响(图3)。

图3 影响空气冲击波的因素Fig.3 Factors affecting air shock wave

由于该问题牵涉岩石和空气两相介质,又受天气等多种不可控因素的影响,故对空气冲击波的预测和控制往往要比爆破振动、爆破飞石等爆破危害困难得多[23]。此外,由于多数露天矿山与居民生活区有一定距离,对其危害性重视程度不够,目前的研究成果还较少。

既有研究表明[23],装药量、炮孔长细比和最小抵抗线决定着空气冲击波强度,在爆破设计和爆破危害预测时应全面考虑,以确保安全。针对爆破冲击波特点,工程中为有效抑制其强度,常用的控制措施有:

(1)爆破方向尽量背离公众区域。

(2)适当增大首排炮孔抵抗线。

(3)适当增加炮孔填塞高度,但同时应综合考虑破碎效果、场地平整的设计要求及其飞石等因素。

(4)确保炮孔填塞的质量。对有明显张开裂隙的地质条件可考虑间隔填塞。

(5)避免地表导爆索的使用。

(6)采用爆区顶部覆盖或设置周边声障等增大冲击波在空气中传播的阻力。

4 总结与展望

现阶段我国露天矿山深孔台阶爆破采剥过程中已初步实现了起爆系统电子化、爆破作业智能化和绿色化,提升了我国露天矿山的核心竞争力,从而推动露天采矿业朝向安全、高效、经济、绿色与可持续目标发展。当然,受多因素制约的露天矿山深孔台阶爆破技术完全成熟需要诸多学者与工程师们逐步探索与完善,伴随着电子雷管等新型产品的完善及绿色爆破标准化等工作的推进,最终达到智慧绿色爆破开采的目标。