露天臺階爆破設計方法探討

楊勃++陳慶凱++雷高

摘 要：露天臺階爆破在國民經濟建設中具有廣泛的應用，在煤炭、金屬礦、建材礦山等工程領域，爆破方法是破碎礦巖的主要手段。結合國內外露天臺階爆破設計方法與工程實踐，總結了露天臺階爆破的鉆孔形式、布孔方式和爆破參數的設計計算方法，并應用于工程實例中，為露天臺階爆破設計提供一個參考。

關鍵詞：露天臺階 爆破設計 抵抗線 填塞長度 單位炸藥消耗量

中圖分類號：TD235 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0070-02

露天臺階爆破被廣泛應用于礦山、公路、鐵路和水利水電等工程中。據不完全統(tǒng)計，近年來我國采用露天臺階爆破進行露天開采的礦石產量比例逐年增加，其中，鐵礦石開采占90%，有色金屬礦石開采占52%，化工原料開采占70.7%，建筑材料開采近100%[1]。隨著各種土石方工程難度的增大和爆破成本的增加，露天臺階爆破設計方案越來越受到業(yè)內人士的關心。爆破設計方案是爆破施工的前提條件，直接決定著爆破效果和經濟效益[2]。

國內傳統(tǒng)的露天臺階爆破設計方法是：首先根據炮孔直徑確定底盤抵抗線，其次根據巖性選取單位炸藥消耗量，最后再確定孔距、排距、填塞長度等其它爆破參數。筆者結合多年國內外爆破設計和工程實踐所學知識，介紹一種新的設計思路，首先根據臺階高度選取鉆孔直徑，再依據巖性和爆破目的計算填塞長度、抵抗線等爆破參數，最后計算出單位炸藥消耗量。

1 露天臺階爆破設計

1.1 臺階要素

露天臺階爆破的臺階要素主要包括：臺階高度、炮孔直徑、填塞長度、最小抵抗線、底盤抵抗線、孔距和排距b、炮孔長度和裝藥長度等。

1.2 鉆孔形式

露天臺階爆破鉆孔形式一般分為垂直鉆孔和傾斜鉆孔兩種，傾斜孔較垂直孔具有更多的優(yōu)點，但因鉆鑿傾斜孔的操作技術要求高，且在裝藥過程中容易堵孔，故垂直孔應用的比較廣泛。

1.3 布孔方式

布孔方式有單排布孔及多排布孔兩種。多排布孔又分為矩形（含方形）和梅花形（又稱三角形）兩種。

從炮孔施工方面來說，矩形布孔更容易定位，鉆機移動次數少；從能量均勻分布角度來看，梅花布孔更為理想，特別是等邊三角形布孔，但梅花布孔在爆區(qū)兩端經常需要進行補孔，以便獲得均勻整齊的巖面。實際布孔應根據露天臺階爆破作業(yè)要求、巖體性質以及工作面情況綜合考慮[4]。

1.4 爆破參數

1.4.1 臺階高度

臺階高度取決于生產規(guī)模、挖掘設備的作業(yè)技術參數和對開采選別性的要求，控制著臺階垂直方向的能量分布，影響巖石拋擲過程和其它爆破參數。一般按現有的鉆孔、挖裝設備和開挖條件確定臺階高度。目前，金屬礦石的臺階高度多為12 m；煤礦臺階高度為10～15 m；水利水電工程，臺階高度一般為8～15 m。隨著鉆機和施工機械的發(fā)展，國內外已有向高臺階方向發(fā)展，且爆破質量和經濟技術指標得到大幅度提高。

1.4.2 炮孔直徑

炮孔直徑控制著垂直方向能量的分布，而且是主要因素。炮孔直徑決定了其它爆破參數的大小，如填塞長度、最小抵抗線等。通常，鉆大直徑孔較小直徑孔省錢，所以鉆孔直徑越大越好。但是，隨著鉆孔直徑的增加，炸藥單耗不變的情況下，孔網參數變大，巖塊粒度也會加大。如果想保持巖塊粒度不變，就必須增加炸藥單耗，孔網參數相對減小。

由于巖體不同程度地存在著節(jié)理、層理和斷層等自然缺陷，為了爆破后獲得可接受的塊度，最大炮孔直徑往往受到了限制。炮孔直徑與臺階高度之間存在一定比例關系。

（1）

炮孔直徑取值的大小與巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度和爆破目的相關。當巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育時，取1/50，當巖體節(jié)理裂隙很不發(fā)育時，取1/80。

1.4.3 超深

超深是指鉆孔超過臺階底盤水平的深度，只有需要的時候，才設置超深，其值大小與炮孔直徑成一定比例關系。

（2）

超深取決于巖體結構和類型，而且與挖掘設備要匹配，避免超挖。

1.4.4 炮孔長度和裝藥長度

垂直鉆孔時，炮孔長度L等于臺階高度與超深之和。

（3）

為了充分利用炮孔的長度，一個炮孔的長度除了填塞以外，其余長度全部用于裝藥。

（4）

1.4.5 填塞長度

填塞長度由炮孔直徑控制，也決定著抵抗線的大小。

（5）

填塞長度取決于爆破塊度的要求和填塞物的性質，如密度大的硬巖（鐵礦石）取小值，要求控制飛石時取大值。

1.4.6 最小抵抗線

為了克服抵抗線向前和向上兩個方向上的約束，抵抗線和填塞長度保持一種平衡關系。

（6）

抵抗線取值的大小取決于巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育程度和爆破目的。

對于垂直鉆孔，排距就是最小抵抗線B。但在順層節(jié)理面明顯，底盤抵抗線較大時，最小抵抗線不同于底盤抵抗線。此時，底盤抵抗線值較大，應采取相應措施，增加頭排孔數目及裝藥量，用以克服較大的阻力。

1.4.7 孔距

孔距大小由抵抗線大小決定，與布孔方式有關，采用等邊三角形布孔最好，它決定了水平方向上的能量分布。

（7）

1.4.8 炸藥類型及單孔裝藥量

根據巖性及爆破條件選取炸藥類型，如炮孔中無水，且節(jié)理裂隙較發(fā)育時，可選用多孔粒狀銨油炸藥，炮孔中有水時則應選用乳化炸藥。選擇完炸藥以后，先計算出每米炮孔長度裝藥量（延米裝藥量）Ky，然后根據下式計算出單孔裝藥量。

（8）

1.4.9 單位炸藥消耗量q

單位炸藥消耗量可用公式（9）計算得出。endprint

（9）

單位炸藥消耗量q是露天臺階中的重要指標，影響炸藥單耗的因素有很多，主要有炸藥性能、巖體的可爆性、爆破目的等。所以，對于同樣的巖性，使用同樣的炸藥，因為爆破目的的不同，單位炸藥消耗量有較大差異也是可能的。設計計算出的q值是否合理可與表1對照比較。表1中的q值只能作參考，不可強求相同。

1.5 起爆方案

盡管多排孔的布孔方式只有矩形和三角形兩種，但是起爆順序卻是變化萬千，主要有排間順序起爆、V形起爆、斜線起爆、梯形起爆和逐孔起爆等。由于大量工程實踐表明，逐孔起爆具有明顯的優(yōu)勢，所以這里只介紹逐孔起爆。

所謂逐孔起爆技術，就是爆區(qū)中任何一個炮孔爆破時，在空間上相鄰的炮孔都是按照一定的起爆順序單獨起爆的爆破技術。核心是先起爆的炮孔為后起爆的炮孔提供新的動態(tài)的自由面。逐孔起破技術要求起爆雷管的精度高，延時誤差小，爆破設計必須精準而且能夠優(yōu)選爆破設計方案。

確定孔間和排間延期間隔時間是實現逐孔起爆的重要保證，以形成新自由面所需要的時間確定毫秒延期間隔時間是常用的方法，可用公式（10）計算：

Δt=k·B （10）

式中k-與巖石性質、結構構造和爆破條件有關的系數?？组g取2～8 ms/m，排間取10～16 ms/m，硬巖取小值，軟巖取大值，節(jié)理裂隙發(fā)育時取大值。

2 應用實例

2.1 實例條件

例1：金礦，臺階高度6 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石硬度大，無水。

要求：用挖掘機鏟裝，一次挖掘高度3 m，避免過分前拋。

例2：鐵礦，臺階高度12 m，節(jié)理裂隙很發(fā)育，無水，硬巖。

要求：電鏟鏟裝，一次挖掘高度12 m，中等前拋。

例3：土石方，臺階高度4 m，堅硬巖體，有水，節(jié)理裂隙不發(fā)育，必須控制飛石。

要求：挖掘機分兩步鏟裝，一次挖掘高度2 m，中等前拋。

2.2 設計結果（見表2）

3 結語

露天臺階爆破是一個復雜的過程，且是一門較為成熟的技術。在實際爆破作用過程中，爆破參數選擇是否合理，直接決定著爆破效果和經濟效益。通過對露天臺階爆破鉆孔形式、布孔方式和各個爆破參數的設計介紹，為國內露天臺階爆破設計提供一種新的思路。

設計不是一成不變的。針對某個具體的露天臺階爆破工程，依據設計進行爆破實踐，根據爆破效果好與壞調整爆破參數，再實踐，再調整，循環(huán)往復，直至確定最佳的爆破參數為止。爆破現場的條件千變萬化，必須有大量的爆破工程實踐經驗，才能應對各種復雜爆破設計。

參考文獻

[1] 汪旭光，鄭炳旭，張正忠，等.爆破手冊（上冊）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013.

[2] 蘇都都，嚴鵬，盧文波，等.露天臺階爆破爆堆形態(tài)的PFC模擬[J].爆破，2012，29（3）：35-41.

[3] 高爾新，楊仁樹.爆破工程[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1999.

[4] 祁茂富，尚文凱.臺階深孔爆破產生根底與大塊原因分析及其控制措施探討[J].露天采礦技術，2003，1：10-12.endprint

（9）

單位炸藥消耗量q是露天臺階中的重要指標，影響炸藥單耗的因素有很多，主要有炸藥性能、巖體的可爆性、爆破目的等。所以，對于同樣的巖性，使用同樣的炸藥，因為爆破目的的不同，單位炸藥消耗量有較大差異也是可能的。設計計算出的q值是否合理可與表1對照比較。表1中的q值只能作參考，不可強求相同。

1.5 起爆方案

盡管多排孔的布孔方式只有矩形和三角形兩種，但是起爆順序卻是變化萬千，主要有排間順序起爆、V形起爆、斜線起爆、梯形起爆和逐孔起爆等。由于大量工程實踐表明，逐孔起爆具有明顯的優(yōu)勢，所以這里只介紹逐孔起爆。

所謂逐孔起爆技術，就是爆區(qū)中任何一個炮孔爆破時，在空間上相鄰的炮孔都是按照一定的起爆順序單獨起爆的爆破技術。核心是先起爆的炮孔為后起爆的炮孔提供新的動態(tài)的自由面。逐孔起破技術要求起爆雷管的精度高，延時誤差小，爆破設計必須精準而且能夠優(yōu)選爆破設計方案。

確定孔間和排間延期間隔時間是實現逐孔起爆的重要保證，以形成新自由面所需要的時間確定毫秒延期間隔時間是常用的方法，可用公式（10）計算：

Δt=k·B （10）

式中k-與巖石性質、結構構造和爆破條件有關的系數?？组g取2～8 ms/m，排間取10～16 ms/m，硬巖取小值，軟巖取大值，節(jié)理裂隙發(fā)育時取大值。

2 應用實例

2.1 實例條件

例1：金礦，臺階高度6 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石硬度大，無水。

要求：用挖掘機鏟裝，一次挖掘高度3 m，避免過分前拋。

例2：鐵礦，臺階高度12 m，節(jié)理裂隙很發(fā)育，無水，硬巖。

要求：電鏟鏟裝，一次挖掘高度12 m，中等前拋。

例3：土石方，臺階高度4 m，堅硬巖體，有水，節(jié)理裂隙不發(fā)育，必須控制飛石。

要求：挖掘機分兩步鏟裝，一次挖掘高度2 m，中等前拋。

2.2 設計結果（見表2）

3 結語

露天臺階爆破是一個復雜的過程，且是一門較為成熟的技術。在實際爆破作用過程中，爆破參數選擇是否合理，直接決定著爆破效果和經濟效益。通過對露天臺階爆破鉆孔形式、布孔方式和各個爆破參數的設計介紹，為國內露天臺階爆破設計提供一種新的思路。

設計不是一成不變的。針對某個具體的露天臺階爆破工程，依據設計進行爆破實踐，根據爆破效果好與壞調整爆破參數，再實踐，再調整，循環(huán)往復，直至確定最佳的爆破參數為止。爆破現場的條件千變萬化，必須有大量的爆破工程實踐經驗，才能應對各種復雜爆破設計。

參考文獻

[1] 汪旭光，鄭炳旭，張正忠，等.爆破手冊（上冊）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013.

[2] 蘇都都，嚴鵬，盧文波，等.露天臺階爆破爆堆形態(tài)的PFC模擬[J].爆破，2012，29（3）：35-41.

[3] 高爾新，楊仁樹.爆破工程[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1999.

[4] 祁茂富，尚文凱.臺階深孔爆破產生根底與大塊原因分析及其控制措施探討[J].露天采礦技術，2003，1：10-12.endprint

（9）

單位炸藥消耗量q是露天臺階中的重要指標，影響炸藥單耗的因素有很多，主要有炸藥性能、巖體的可爆性、爆破目的等。所以，對于同樣的巖性，使用同樣的炸藥，因為爆破目的的不同，單位炸藥消耗量有較大差異也是可能的。設計計算出的q值是否合理可與表1對照比較。表1中的q值只能作參考，不可強求相同。

1.5 起爆方案

盡管多排孔的布孔方式只有矩形和三角形兩種，但是起爆順序卻是變化萬千，主要有排間順序起爆、V形起爆、斜線起爆、梯形起爆和逐孔起爆等。由于大量工程實踐表明，逐孔起爆具有明顯的優(yōu)勢，所以這里只介紹逐孔起爆。

所謂逐孔起爆技術，就是爆區(qū)中任何一個炮孔爆破時，在空間上相鄰的炮孔都是按照一定的起爆順序單獨起爆的爆破技術。核心是先起爆的炮孔為后起爆的炮孔提供新的動態(tài)的自由面。逐孔起破技術要求起爆雷管的精度高，延時誤差小，爆破設計必須精準而且能夠優(yōu)選爆破設計方案。

確定孔間和排間延期間隔時間是實現逐孔起爆的重要保證，以形成新自由面所需要的時間確定毫秒延期間隔時間是常用的方法，可用公式（10）計算：

Δt=k·B （10）

式中k-與巖石性質、結構構造和爆破條件有關的系數?？组g取2～8 ms/m，排間取10～16 ms/m，硬巖取小值，軟巖取大值，節(jié)理裂隙發(fā)育時取大值。

2 應用實例

2.1 實例條件

例1：金礦，臺階高度6 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石硬度大，無水。

要求：用挖掘機鏟裝，一次挖掘高度3 m，避免過分前拋。

例2：鐵礦，臺階高度12 m，節(jié)理裂隙很發(fā)育，無水，硬巖。

要求：電鏟鏟裝，一次挖掘高度12 m，中等前拋。

例3：土石方，臺階高度4 m，堅硬巖體，有水，節(jié)理裂隙不發(fā)育，必須控制飛石。

要求：挖掘機分兩步鏟裝，一次挖掘高度2 m，中等前拋。

2.2 設計結果（見表2）

3 結語

露天臺階爆破是一個復雜的過程，且是一門較為成熟的技術。在實際爆破作用過程中，爆破參數選擇是否合理，直接決定著爆破效果和經濟效益。通過對露天臺階爆破鉆孔形式、布孔方式和各個爆破參數的設計介紹，為國內露天臺階爆破設計提供一種新的思路。

設計不是一成不變的。針對某個具體的露天臺階爆破工程，依據設計進行爆破實踐，根據爆破效果好與壞調整爆破參數，再實踐，再調整，循環(huán)往復，直至確定最佳的爆破參數為止。爆破現場的條件千變萬化，必須有大量的爆破工程實踐經驗，才能應對各種復雜爆破設計。

參考文獻

[1] 汪旭光，鄭炳旭，張正忠，等.爆破手冊（上冊）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013.

[2] 蘇都都，嚴鵬，盧文波，等.露天臺階爆破爆堆形態(tài)的PFC模擬[J].爆破，2012，29（3）：35-41.

[3] 高爾新，楊仁樹.爆破工程[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1999.

[4] 祁茂富，尚文凱.臺階深孔爆破產生根底與大塊原因分析及其控制措施探討[J].露天采礦技術，2003，1：10-12.endprint