[科普中国]-台阶爆破

简介

台阶爆破又称为阶梯爆破，是指以台阶形式推进的石方爆破方式。台阶爆破按照孔径、孔深的不同分为深孔台阶爆破和浅孔台阶爆破。露天矿台阶爆破是矿山生产的基本手段。目前，国内外一些大型矿山采用大孔径钻机，实现大区、多排微差深孔爆破，对孔网参数、装药结构、填塞方法、起爆顺序、微差间隔时间都进行了比较深入地研究，爆破技术的改进大大提高了矿山生产的综合生产效率。另外，随着钻孔机具设备的更新、工业炸药和雷管质量的不断提高，新品种炸药和高精度、多段位毫秒电雷管、非电雷管及数码电子雷管的使用，深孔(台阶) 爆破技术的应用得到了进一步的发展。

近年来美国、澳大利亚、加拿大、瑞典、南非、日本、俄罗斯及中国等国家露天台阶爆破技术的进展情况，总体上可归纳为以下几点:

① 计、钻孔、装药及装载等工序运用监控技术，逐步实现机械化、自动化；

② 广泛采用顺序爆破和孔内分段微差爆破技术；

③ 根据岩性的不同，选择合理的爆破参数以及合适的炸药品种；

④ 采用计算机辅助设计系统；

⑤ 用数据收集系统，该系统能提供矿山设备及生产设施的准确位置；

⑥ 通过数字矿山模型，将矿山计算机辅助设计系统和矿山设备相互结合并有效控制其动态。这些技术特点可为我国露天台阶爆破的设计和应用提供参考和借鉴1。

钻孔技术与GPS技术钻孔技术常被工程爆破界忽视，然而钻孔技术是爆破设计者实现其意图的基础，也是管理者投入精力和资金最多的专业。总的来说，我国工程爆破的基础理论研究与施工技术并不落后，特别是中国工程爆破协会成立后，积极开展对外技术交流与合作，使我国工程爆破水平推向一个新的阶段。但一些问题也较突出，如钻孔设备和钎具材料在质量上与国外相比有较大差距。

目前国外较为著名的钻孔设备公司有四家:瑞典的阿特拉斯·科普科(Atlas Copco)公司、美国英格索兰( Ingersoll2Rand)公司、日本大河公司和芬兰的汤姆洛克公司。但是近年来，最为著名的露天钻机设备公司-布塞鲁斯国际公司(BucyrusErie) - 新推出的39R型柴油式钻机，可钻直径达311mm炮孔，钻头最大负荷为40800kg。该公司宣称39R型是当今市场上效率最高、维修最方便的一种钻机。在国外露天钻孔爆破作业中，大量采用GPS和GLONASS 卫星定位技术，不仅可以提高钻孔效率，而且还可降低钻孔爆破费用。精确的炮孔与机载监控信息有机配合，可取得良好的效果。如在加拿大海兰瓦利铜矿，采用GPS技术且通过钻机机载计算机系统进行钻孔定位，所获得的钻孔定位偏差不大于0.1m。钻孔作业时，与爆破有关的炮孔位置和其他地形特征存储在钻机上，当钻机在爆破网路地图覆盖的范围内移动时，移动地图显示器能够自动显示正确网路。当钻机越来越接近一个炮孔时，地图显示器的比例自动变化； 当钻机正确定位后，机载软件就自动确定孔口高程，同时调节钻孔深度，使台阶高度保持一定。采用卫星定位技术可减少传统的测量工作，节省费用。同时，卫星定位能够使钻孔数据直接传递给装药车，实现钻孔、装药过程的自动化。由此可见，利用设备操作信息来提高露天开采效率是今后的主要发展趋势。

在美国，已有多种新技术用于露天开采，其中不仅有先进的数字计算技术设备，而且还有精确可靠的GPS全球卫星定位系统、高速高频双向无线数据通信技术、平面显示器等。同时，这些新技术还是目前正在开发的各种矿山控制系统的基础2。

台阶爆破设计孔径炮孔直径是控制炮孔的爆炸能力达到预定爆破作用的一个基本因素，增大炮孔直径不仅能提高炸药的传爆性能，而且炸药威力增大，爆破效率提高，有利于加快施工进度。目前国外一般露天矿使用的孔径分为小孔(50～100mm)、中孔(100～254mm)、大孔(254～355mm)和特大孔(355～445mm) 四种。近年来，所使用的孔径有增大的趋势。

国外爆破规模普遍较大，一次爆破量一般为35～70万t 。大型露天矿都采用高台阶大孔径爆破，台阶高度为14～29m ，孔径为3.0～4.4mm。中小型矿山的台阶高度为6～12m ， 孔径为150～172mm。目前国内露天矿，除受矿岩节理裂隙严重影响外，一般孔径为200～310mm。

最小抵抗线的设计露天台阶爆破设计，最小抵抗线是一个最重要的参数。采用过大的最小抵抗线时会造成根底多、大块率高、后冲作用大、爆破震动大，而且爆炸有效能降低，并有可能产生根底； 当最小抵抗线过小时不仅浪费炸药、增大钻孔工作量，而且岩块易抛散和产生飞石危害以及较大的空气冲击波。

最小抵抗线与所采用的爆破方法、岩石性质、装药条件、装药量、装药体积、自由面数和炮孔直径等因素有关。

装药结构装药结构按炸药种类有单一装药结构和组合装药结构。单一装药结构是在孔内装同一品种和密度的炸药； 组合装药结构是在孔底装高威力炸药，在孔上部、中部装威力较低的炸药。不同岩性装不同性能的炸药，甚至在同一炮孔内，岩石性质差异较大时，也分装不同性能炸药。现将近几年来国内外装药结构作一介绍。

1.水耦合装药

国内仓上金矿为控制飞石、降低爆破地震，采用水耦合装药，孔径D = 150mm ，药径d = 76mm。该法药装在震源弹壳中一节一节连接起来装入孔中，装好药后灌水。底部用一般装药克服底盘抵抗线，上部灌水高度h 必须大于炮孔最小抵抗线且满足h=(20～30)D。现场爆破取得良好效果:对10m以上深孔，节省炸药37 % ，爆岩块度均匀，无大块、无飞石且爆堆集中，平均降震率达31.3 %。对仓上金矿，仅节省炸药一顶，每年有100万元以上经济效益。

2.深孔底部空腔爆破

底部空腔爆破是在炮孔底部采用空心竹筒或塑料筒堵塞，堵塞高度不大于超深高度，一般取0.8～1.2m。国内东鞍山铁矿采用该法，其爆破参数为:台阶高度13m ， 孔径260 ～ 270mm ， 超深不小于110m(大多采用超深1.5m) ，底部装塑料筒或竹筒(长约1.3～1.5m) 。与连续装药比较，炸药单耗降低16.6 % ，大块率降低50 % ， 远区地震强度降低28 %～36 %。

3.国外空气间隙装药(气隙装药)技术

澳大利亚在两个矿山中全面应用气隙技术，使得炸药和爆破费用大幅度降低。其技术特点是在炮孔内放置一个可膨胀的塞子以使填塞柱保持一定高度，填塞柱使空气冲击波降低到最小，同时密封炮孔，以便形成一个密闭腔，有利于爆炸冲击波和爆生气体的作用。气隙装药技术的使用可使炮孔内的能量分配更为合理，排除或减少在弱岩中的过破碎情况。通过试样研究表明，气隙置于装药之中效果最佳。

4.孔内多段装药

国外大型矿山或采石场深孔装药的起爆弹或雷管，一般一个孔内装两个，其中底部装一个，另一个有的装在药段中部，有的装在上部，也有的绑在孔中导爆索的引出端。若在一个炮孔内装填三种以上炸药，那么底部装高威力乳化炸药，中部装重铵油炸药，上部装多孔粒状铵油炸药。起爆顺序上，孔内分段为二段时先爆下后爆上；有三段以上时，先爆中间再爆下部，最后爆上部。

微差时间与起爆系统微差时间的确定根据岩性、爆破孔网参数和爆破要求不同变化范围很大。为了降低台阶重要位置处的爆破震动， Tat suya Heshibo等提出了一个新的设计方法——“复合微差爆破法”，该法可估算出爆破震动时间历程及其峰值质点速度。一般情况下，同排孔间微差时间Δt孔≥25ms ，排间微差时间Δt排一般取25～75ms ，硬岩取小值，软岩取大值。若采用“孔内多段装药，由下而上微差起爆”时，一般分3～4 个分段，每段一般取10～25ms。

当要求严格控制空气冲击波及飞石时，则Δt排或Δt孔≥7 a (ms) ，其中a 为孔间距(m) 。当要求严格控制地震波时，要求Δt孔或Δt排≥50 (ms) ，这样可将各段起爆药量看成单独震源，叠加的可能性大大降低。

日本、瑞典的研究人员通过计算机模型计算爆区内每个炮孔振动的叠加，研究了质点峰值速度与孔间微差时间的关系。借助现代信号分析技术处理爆破震动信号，得出了爆破震动与爆破参数、起爆时间及其整个爆破历时等参数之间的关系。所有上述这些成果的取得，对于露天台阶爆破改善块度、扩大爆破规模和降震等目的具有重大的意义。

对于露天台阶爆破，电起爆与非电起爆仍是最常用的起爆方法。非电起爆系统，包括塑料导爆管起爆系统、导爆索继爆管起爆系统、复式起爆网路等，其中使用最多的是塑料导爆管起爆系统。该系统采用接力起爆网路，孔内采用高段位雷管，孔外用低段位雷管。

目前，国外开发研制出的数码电子雷管技术在世界一些国家的矿山或采石场进行一系列生产应用试验。试验表明:数码电子雷管起爆系统的高精度和高可靠性，对发火时刻设定的灵活性，对静电、射频电和杂散电流的固有安全性，对起爆系统的事前可测控性，都是现有其他起爆系统所无法比拟的。

另外，采用该技术有助于减少边坡破坏，减少露天矿爆破根底，能大幅度降低爆破震动，有效控制爆破地震频率。但是数码电子雷管要全面取代电或非电起爆系统，还需一段时间，因为数码电子雷管的电子延期起爆系统的组网能力还较小，不能满足大规模爆破作业的起爆网路要求。另外，电子雷管的成本太高3。

计算机辅助设计系统不断完善爆破过程的计算机模拟是当前爆破领域研究的前沿课题。尽管不同矿山的爆破设计程序有所差别，但是一些主要矿山均采用计算机的辅助设计。根据矿山统计资料，考虑矿岩性质、地质构造、爆区形状和炸药类型来确定爆破方案、选定孔网参数、装药量等参数。

利用三种计算机程序进行爆破方案设计， 即DYNOVIEV程序、DYNACAD程序、BLASTEC程序。利用这些程序可预测最可能的爆破顺序以及地面震动情况。根据现有岩石和振动数据可使爆破设计最优化。

这将开创许多建模研究的可能性，如爆破过程中岩石各层的三维运动，在台阶面或其它各处中三维异常体的效应。DMCBLAST23D技术还在不断发展，将很快兼容DMCBLAST技术所有的最初功能。它的将来发展方向包括:

①色三维炮孔显示；

②3D矿体位置及爆破诱发的矿体运动；

③3D爆堆表面绘图；

④在孔与孔基础上定义爆破分层2。

装药实现机械化露天矿装药已完全实现了机械化，其中主要有乳化炸药、铵油炸药或重铵油炸药混装车。国外矿山爆破作业中比较广泛地推广预装药爆破技术，即在钻机钻孔的同时，利用装药车装填已钻好的炮孔，边钻孔边装填炸药和起爆器材。当然，也有不实现预装药的，即使如此，也不是全部钻完炮孔后才装药的。

由于成功地应用了由北京矿冶研究总院(BGRIMM)研制开发的BCRH225型乳化炸药混装车技术，实现了机械化快速装药，提高了装药质量及生产效率，适合大中型露天矿山推广使用。

在加拿大海兰瓦利铜矿，利用计算机控制乳化炸药装药车可自动将炸药装入炮孔。澳大利亚混装车有两项技术值得借鉴:一是爆破装填用的多孔粒状ANFO，在装药现场附近的露天作业台阶上直接进行掺混，所用设备仅一台轮胎式、可方便拖行的大直径斜螺旋掺混机； 二是起爆器材的现场储运、管理。一个大的露天煤矿，所用的起爆器材均存放在采场边几个可搬运的仓库内。仓库可由集装箱改装而成，各仓库间用废石料堆堤隔开。

可以预见，将来人们可在办公室将炮孔数据连同装药指令一起传给装药车上的计算机，GPS定位系统将使得机载计算机能够确定爆区各个炮孔的位置、装药量，并自动调节炸药配比，进行装药作业3。

总结随着爆破器材新品种新技术的应用以及起爆控制精度的不断提高，国外发达国家露天深孔台阶爆破技术的应用越来越广泛。在设计、钻孔、装药及装载等工序广泛运用计算机监控系统，利用钻孔采集的地质资料，调整露天台阶爆破设计参数和装药结构，预测爆破块度和爆破危害效应的影响，从而使得深孔台阶爆破日益完善，爆破规模呈现越来越大的趋势。同时，随着钻孔、装载等机械的高度发展和现代化，国外发达国家其钻孔、装药、填塞各工序不仅机械化程度高，而且配套，比较全面地推广了预装药爆破技术。目前，建立全自动露天矿开采所需的基本技术条件已经具备，国内外正大力开发智能监督管理系统，以求实现露天开采的完全自动化。我国现有大中型露天矿的深孔台阶爆破的钻孔、装药、填塞工序的机械化水平较高，但仍需要配套推广，提高自动化程度。要学习推广国外大型矿山爆破生产的先进技术设备，加强矿山机械设备运行的数据采集、计算机处理、优化爆破方案设计，改进爆破效果。同时我们要加强爆破作业机械的技术更新改造，研究并发展国产机械设备。可以预料，随着国产机具占有率的提高，我国爆破行业的技术进步一定会大大加速，安全技术管理水平也会进一步提高3。