露天礦山臺階爆破技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

李萍豐，張兵兵，謝守冬

(宏大爆破工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣州 510623)

臺階爆破技術(shù)作為露天礦山安全高效開采的重要手段，廣泛應(yīng)用在煤炭、金屬、非金屬礦山等領(lǐng)域，廣大專家學(xué)者針對不同的施工工序，在孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、填塞方法、起爆順序、延時(shí)時(shí)間等方面，進(jìn)行了比較深入的研究，爆破技術(shù)的改進(jìn)顯著提高了露天礦山的綜合生產(chǎn)效率。隨著臺階爆破的不斷深入發(fā)展，涌現(xiàn)了一大批先進(jìn)的儀器設(shè)備、實(shí)用軟件及技術(shù)體系，如新型鉆具及裝藥設(shè)備、數(shù)碼電子雷管及新型炸藥的推出，為工程爆破的高質(zhì)量發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，新興信息技術(shù)引進(jìn)及多學(xué)科交叉融合趨勢不斷加快，臺階爆破技術(shù)逐步朝著數(shù)字化智能化方向邁進(jìn)[1]。

1 臺階爆破的發(fā)展歷程

臺階爆破發(fā)展歷程整體上可劃分為控制爆破、精細(xì)爆破、數(shù)字爆破、智能爆破4個(gè)階段，每個(gè)階段都有著顯著的特征。

1.1 控制爆破技術(shù)

鑒于礦山傳統(tǒng)粗放爆破施工的安全性及高效性不足，爆破危害控制難度大，控制爆破技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?？刂票浦饕遣捎脗鹘y(tǒng)人工裝藥或者機(jī)械化裝藥的方式，通過爆破設(shè)計(jì)、優(yōu)化施工、加強(qiáng)防護(hù)等技術(shù)手段，既有效保證了實(shí)際爆破效果，又將各類爆破危害效應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。根據(jù)作用機(jī)理的不同，典型技術(shù)主要有松動爆破、延時(shí)擠壓爆破、間隔裝藥爆破、陡幫開采，可滿足露天礦山不同爆破需求[2-3]。

礦山控制爆破技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)爆破基礎(chǔ)理論研究深度不斷加大，涌現(xiàn)了較多的先進(jìn)爆破工藝和器材，爆破行業(yè)發(fā)展步伐顯著加快。

1.2 精細(xì)爆破技術(shù)

隨著精細(xì)化理念的不斷輸入，2008年4月，謝先啟等提出了精細(xì)爆破[4]。主要是由目標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)、支撐體系、綜合評估體系和監(jiān)理體系5個(gè)方面組成，其中關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在定量化設(shè)計(jì)、精心施工、精細(xì)管理和實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋等方面，相對于傳統(tǒng)控制爆破而言，精細(xì)爆破要求更高，爆破效果和爆破危害效應(yīng)控制更好。

爆破基礎(chǔ)理論研究的突破、計(jì)算機(jī)技術(shù)的大力推廣、爆破器材的不斷革新、檢測監(jiān)測技術(shù)的迅速發(fā)展以及鉆爆設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)等，為實(shí)現(xiàn)精細(xì)爆破提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。在原有控制爆破技術(shù)的基礎(chǔ)上通過定量化設(shè)計(jì)、精心施工、精細(xì)管理和實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋，改進(jìn)了傳統(tǒng)施工的欠缺之處，使得大規(guī)模安全高效一次性起爆技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境下的逐孔起爆技術(shù)以及特殊目的的爆破技術(shù)等，均取得了長足的進(jìn)步，為露天礦山礦石分采分爆、控制大塊率及粉礦率等方面提供了有力的支撐。

精細(xì)爆破理念為爆破行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了新的思路，在推動爆破行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用做出了較大的貢獻(xiàn)。

1.3 數(shù)字爆破技術(shù)

2002年中國爆破行業(yè)協(xié)會組織召開了數(shù)字爆破研討會議，大量專家學(xué)者參與其中，旨在借助信息化平臺、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)等，將爆破過程中可能涉及到的技術(shù)參數(shù)全部以定量化、數(shù)字化形式展現(xiàn)，以此指導(dǎo)爆破施工，實(shí)現(xiàn)降本增效[5]。經(jīng)過近年來的不斷探索，數(shù)字爆破內(nèi)涵不斷豐富，取得了長足的進(jìn)步。

露天礦山臺階爆破施工作為數(shù)字爆破技術(shù)的核心所在，目前已在爆破現(xiàn)場數(shù)字化測量、鉆孔定位與巖性測試、爆破設(shè)計(jì)、裝藥系統(tǒng)、起爆系統(tǒng)、爆破效果監(jiān)測與分析、爆破管理等方面開展了大量的研究工作[6]，為推動爆破行業(yè)數(shù)字化、可視化和可追溯等方面發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，推動爆破行業(yè)向科學(xué)化、可持續(xù)的發(fā)展。

1.4 智能爆破技術(shù)

隨著新興信息科學(xué)技術(shù)及多學(xué)科融合發(fā)展不斷加快，2012年汪旭光院士提出了智能爆破理念[7]，2020年11月國內(nèi)第一家“智能爆破研究中心”正式成立，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)和智能應(yīng)用技術(shù)等與現(xiàn)代工程爆破技術(shù)緊密相結(jié)合，構(gòu)成人與人、人與物、物與物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)詳盡地描述并控制工程爆破全生命周期，以高效、安全、綠色爆破為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)工程爆破的可持續(xù)發(fā)展。

爆破行業(yè)在露天礦山智能臺階爆破研究方面，開展了一系列科技攻關(guān)工作，智能爆破內(nèi)涵不斷完善，短板方面有所改善，涌現(xiàn)了一批先進(jìn)爆破信息管理系統(tǒng)及智能化裝備。智能爆破理念是數(shù)字爆破和精細(xì)爆破等概念的集成與升華，更加具體、全面、動態(tài)、詳盡地描述工程爆破的全過程，為爆破行業(yè)的中長期發(fā)展指明了發(fā)展方向。

2 臺階爆破全生命周期技術(shù)現(xiàn)狀

臺階爆破是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，全生命周期主要包括爆破設(shè)計(jì)、鉆孔、爆破施工、爆破效果分析與反饋優(yōu)化改進(jìn)等方面。目前在子系統(tǒng)方面的研究較為深入，而在子系統(tǒng)融合形成全流程施工與管理方面，仍有待提高。

2.1 爆破設(shè)計(jì)

爆破設(shè)計(jì)是在獲取待爆區(qū)域地形地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、模擬分析與方案優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)精心設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的爆破設(shè)計(jì)是技術(shù)人員依靠工程經(jīng)驗(yàn)自主設(shè)計(jì)，具有一定的盲目性；隨著爆破設(shè)計(jì)軟件的引進(jìn)，可通過自主設(shè)定爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)及聯(lián)網(wǎng)方式等，在系統(tǒng)中自動生成相應(yīng)的爆破設(shè)計(jì)方案。同時(shí)通過幾個(gè)方案的對比，分析各自的預(yù)測爆破效果是否滿足施工要求，進(jìn)而給出最優(yōu)設(shè)計(jì)[8]。人工勞動強(qiáng)度大幅降低，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度及設(shè)計(jì)效率大幅提升，數(shù)字化智能化水平較高，爆破設(shè)計(jì)軟件得以廣泛推廣。但在仿真分析及精準(zhǔn)預(yù)測方面，實(shí)踐表明爆破設(shè)計(jì)軟件準(zhǔn)確度仍有所欠缺。

2.2 鉆孔技術(shù)

鉆孔技術(shù)是保證臺階爆破效果的重要前提，無論是垂直深孔爆破還是傾斜深孔爆破，鉆孔不達(dá)標(biāo)，爆破效果難以保障。其與鉆機(jī)的更新?lián)Q代密切相關(guān)，由早期的人工鉆孔定位向儀器系統(tǒng)自動高精度定位發(fā)展，現(xiàn)階段鉆機(jī)性能參數(shù)與指標(biāo)不斷提高，可有效保證直徑、角度、深度等基本指標(biāo)符合鉆孔精度要求[9]；同時(shí)配套的驗(yàn)孔技術(shù)也在快速進(jìn)步，由早先的皮尺刻度量孔向傳感器及激光自動測孔發(fā)展，效率明顯提高，但在水孔驗(yàn)孔精度方面仍有所欠缺。而在提高不良地質(zhì)條件下的鉆孔成孔率方面，現(xiàn)有技術(shù)是在鉆孔完畢后實(shí)施加固，保證在一定時(shí)間內(nèi)較為完整，但很少有研究在鉆孔階段一次性解決成孔難題。

2.3 爆破施工技術(shù)

爆破施工是保證臺階爆破效果的核心所在，主要是由裝藥、填塞、聯(lián)網(wǎng)、起爆等方面組成，其中又以裝藥技術(shù)和起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)最為重要。

1)裝藥技術(shù)。露天礦山裝藥技術(shù)從設(shè)備上來看，由早先的人工裝藥向機(jī)械化自動裝藥發(fā)展，基于混裝炸藥的方便快捷性，混裝炸藥應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，混裝一體化技術(shù)不斷深入人心，裝藥效率和準(zhǔn)確度大幅提升。在裝藥結(jié)構(gòu)上，按照裝藥方式與炮孔有無間隙，分為耦合裝藥和不耦合裝藥，耦合裝藥一般用在常規(guī)臺階爆破，通過增大裝藥量破壞巖體結(jié)構(gòu)；不耦合裝藥主要用在邊坡控制爆破上，減弱對炮區(qū)的破壞作用，如緩沖爆破、預(yù)裂爆破、光面爆破等。裝藥結(jié)構(gòu)又可分為連續(xù)裝藥與間隔裝藥，間隔裝藥既有2段、3段甚至多段，可有效降低炸藥單耗、節(jié)約成本，在相同裝藥量的前提下，采用間隔裝藥可以提高裝藥的高度，使應(yīng)力場軸向分布更加均勻，從整體上改善了巖石破碎效果。

2)起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段，露天礦山常用的起爆網(wǎng)路主要有：毫秒延時(shí)爆破技術(shù)、排間順序起爆、斜線起爆、V型起爆、逐孔起爆技術(shù)等。其中，逐孔起爆技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，先起爆炮孔為后爆炮孔多創(chuàng)造了一個(gè)自由面，相鄰炮孔間的碰撞擠壓作用不斷加強(qiáng)，爆破危害效應(yīng)得以有效控制，爆破效果顯著提升。隨著數(shù)碼電子雷管的不斷普及，炮孔起爆延時(shí)控制精度更高，逐孔起爆優(yōu)勢更為突出。

2.4 爆破效果分析技術(shù)

爆破施工完畢后，爆破效果的及時(shí)高效分析至關(guān)重要，分析爆破方案的優(yōu)點(diǎn)與不足，做到效果反饋與方案優(yōu)化改進(jìn)，建立臺階爆破效果實(shí)例庫，可為類似地形地質(zhì)條件的臺階爆破設(shè)計(jì)與施工提供重要的技術(shù)支撐。爆破效果綜合分析主要包括爆破有害效應(yīng)、爆堆形態(tài)、塊度大小等方面，高速攝影機(jī)加上傳感監(jiān)測儀器設(shè)備，可有效監(jiān)測飛石運(yùn)行軌跡、爆破振動效應(yīng)、爆破粉塵率等方面，再結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件，爆破有害效應(yīng)的監(jiān)測較為系統(tǒng)化。爆堆形態(tài)及塊度大小可通過掃描設(shè)備，如攝影機(jī)、無人機(jī)、三維激光掃描儀等[10-11]，可有效獲取爆堆點(diǎn)云信息，重建爆堆真實(shí)形態(tài)及巖石塊度尺寸，實(shí)現(xiàn)爆堆表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的還原，但爆堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確度不夠高，真實(shí)性需要結(jié)合挖裝實(shí)際情況進(jìn)行綜合評判。

3 臺階爆破技術(shù)展望

3.1 構(gòu)建爆破一體化技術(shù)體系

現(xiàn)階段臺階爆破針對特定技術(shù)的研究較為深入，而全生命周期研究較為分散，尚未能真正實(shí)現(xiàn)流程化、標(biāo)準(zhǔn)化、一體化。臺階爆破一體化技術(shù)體系應(yīng)包括混裝一體化、鉆爆一體化，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)—施工—監(jiān)管—優(yōu)化全流程精準(zhǔn)控制。其中，混裝一體化包括炸藥生產(chǎn)、遠(yuǎn)程配送、自動化裝藥與安全監(jiān)管，確保炸藥安全高效使用；鉆爆一體化包括爆破設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)穿孔、爆破施工、效果分析與反饋等方面全階段高效管理。

3.2 炸藥與巖石自動匹配度分析

良好的爆破效果依賴于炸藥與巖石的高度匹配，需要改變傳統(tǒng)意義上過多關(guān)注炸藥參數(shù)與爆破參數(shù)而忽略巖石性質(zhì)的影響，真正地將露天礦山巖石性質(zhì)研究納入至臺階爆破全生命周期，不再單純通過改變孔網(wǎng)參數(shù)、單耗大小來實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。炸藥與巖石自動匹配度研究，可有助于實(shí)現(xiàn)地質(zhì)問題的超前預(yù)報(bào)以及工程規(guī)劃設(shè)計(jì)，為露天礦山設(shè)備選型、爆破器材合理可靠選取等提供參考依據(jù)。

開展露天采場巖石性質(zhì)測定，探究不同區(qū)域巖石可鉆性與可爆型分級標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建巖石質(zhì)量分級體系；研究不同類型炸藥配方，并通過爆炸性能、爆破威力、儲存期、炸藥熱分解等安全指標(biāo)測定來進(jìn)行驗(yàn)證。最終通過波阻抗、全流程匹配及能量密度匹配等指標(biāo)進(jìn)行巖石與炸藥的自動匹配分析，保證爆破設(shè)計(jì)的高匹配性、現(xiàn)場施工的精準(zhǔn)性、效果分析的可靠性。

3.3 臺階爆破數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型

現(xiàn)階段，國家大力推行各行業(yè)數(shù)字化智能化發(fā)展，礦山行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型如火如荼，作為露天礦山開采的重要組成部分，臺階爆破技術(shù)應(yīng)緊跟數(shù)字化智能化趨勢，開展科研攻關(guān)工作，形成核心成套技術(shù)，引領(lǐng)礦山爆破行業(yè)快速高質(zhì)量發(fā)展。

引進(jìn)5G通訊、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算等高端技術(shù)，研制臺階爆破全流程裝備，包括鉆機(jī)、裝藥車、填塞車、爆破器材等，提高設(shè)備儀器的數(shù)字化智能化操作水平，向少人化、無人化方向發(fā)展。將爆破全生命周期涉及到的硬件軟件系統(tǒng)進(jìn)行智能優(yōu)化整合，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)端口的標(biāo)準(zhǔn)化，從設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化、反饋等入手，集中于鉆爆一體化智能技術(shù)研究，開展智能化鉆孔與巖性自動識別、裝藥流程全智能化精準(zhǔn)管控、爆破效果實(shí)時(shí)智能反饋與優(yōu)化處理，實(shí)現(xiàn)全周期的集成處理。

4 結(jié)語

臺階爆破廣泛應(yīng)用于露天礦山領(lǐng)域，取得了眾多的技術(shù)突破，持續(xù)推動露天礦山安全高效開采與管理，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但不可否認(rèn)的是，仍存在一些技術(shù)瓶頸，如露天礦山巖石與炸藥自動匹配度不足、爆破技術(shù)研究碎片化現(xiàn)象居多未能形成有效系統(tǒng)、數(shù)字化智能化水平略顯不足，有待進(jìn)一步克服。高校、科研院所、企業(yè)應(yīng)共同開展智能爆破技術(shù)的研究，積極布局智能爆破科研攻關(guān)工作，逐步實(shí)現(xiàn)爆破全生命周期智能化管控與綠色高效生產(chǎn)，為爆破行業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展指明方向。