露天煤礦拋擲爆破技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

馬 力，徐甜新，李克民，孫進(jìn)步，劉 宇，張奇峰，薛 飛，靳新宇，李瑞行，王恒榮

(1.西安科技大學(xué)，能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100；4.國能準(zhǔn)能集團(tuán) 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 017000)

拋擲爆破，即帶有拋擲作用的爆破方法，利用炸藥爆炸剩余能量，在爆生氣體膨脹推力作用下，將部分破碎的巖石拋擲出去。依據(jù)爆破作用指數(shù)將爆破漏斗分為松動爆破漏斗(n<0.75)和拋擲漏斗(n>0.75)，拋擲爆破實(shí)質(zhì)上是一種加強(qiáng)的松動爆破，常用于帶有土石方回填、堆棄的工程中。依據(jù)露天開采作業(yè)性質(zhì)及工藝環(huán)節(jié)特征，大量剝離物的采剝移運(yùn)是保障露天開采礦層揭露的重大工程，而拋擲爆破能實(shí)現(xiàn)巖石拋擲的基本特點(diǎn)與露天開采的剝離目標(biāo)相契合。因此，露天礦拋擲爆破通常采用高臺階、大孔徑深孔爆破方法，利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量將巖體破碎并在剩余能量作用下將巖石破碎并拋擲到采空區(qū)[1，2]。

20世紀(jì)60年代初，露天煤礦深孔拋擲爆破剝離技術(shù)最早在美國McCoy Coal礦進(jìn)行嘗試，實(shí)現(xiàn)將40%的覆蓋物拋到采空區(qū)。而后在10萬t以下的小型露天煤礦中應(yīng)用并未取得良好效果，直至20世紀(jì)80年代初期，美、澳等國露天開采面臨剝采比增大的問題，不得不尋求合適的開采方法以降低生產(chǎn)成本，于是拋擲爆破技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被重新認(rèn)識。利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量可以將30%～65%的剝離物直接拋擲到采空區(qū)，降低剝離費(fèi)用30%以上[3，4]，剩余物料由其他露天開采設(shè)備配合完成剝離作業(yè)。隨著美、澳等國露天煤礦采用拋擲爆破技術(shù)取得成功，各國也紛紛將該技術(shù)應(yīng)用于露天煤礦剝離環(huán)節(jié)中，由其他開采設(shè)備配合作業(yè)并逐步形成拋擲爆破—拉斗鏟、拋擲爆破—推土機(jī)、拋擲爆破—單斗挖掘機(jī)—汽車等多種剝離工藝。尤其是自20世紀(jì)80年代以來，Trapper礦、約旦磷酸鹽礦采用拋擲爆破和拉斗鏟倒堆技術(shù)取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[5，6]，為露天礦拋擲爆破剝離工藝發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 露天煤礦拋擲爆破技術(shù)影響因素及適用條件

1.1 露天煤礦拋擲爆破技術(shù)影響因素

拋擲爆破以炸藥爆炸產(chǎn)生的能量提供巖體破碎和拋擲的動能，將剝離物直接拋入采空區(qū)(圖1)，這部分物料無需后續(xù)設(shè)備再次剝離。拋擲爆破適用于剝采比較高的露天煤礦、采石場，可以降低覆蓋物剝離的機(jī)械成本。因此，在煤層頂板巖層中采用拋擲爆破技術(shù)的重要前提和基本要求是獲取盡可能高的有效拋擲率，其爆堆形態(tài)如圖2所示。

圖1 露天礦拋擲爆破剝離巖石

圖2 拋擲爆破爆堆形態(tài)

有效拋擲率：

(1)

式中，η為有效拋擲率；SA為拋擲到采空區(qū)的有效拋擲量，m3；ks為松散系數(shù)；H為拋擲爆破臺階高度，m；A為爆區(qū)寬度，m；SB為拋擲到采空區(qū)的無效拋擲量，m3；SC、SD為未拋擲的爆破量，m3。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：采用炸藥的拋擲爆破適用于水平或近水平的礦床以及傾斜礦床[7]，并且拋擲爆破已經(jīng)成功應(yīng)用于單一煤層和多煤層露天礦中[8]。有學(xué)者指出，拋擲爆破技術(shù)在傾斜礦床開采中經(jīng)濟(jì)性更顯著，尤其是當(dāng)剝采比過大使得傳統(tǒng)開采方法經(jīng)濟(jì)性降低時[9]。因此，影響露天煤礦應(yīng)用拋擲爆破的因素包括：

1)剝采比。剝采比增大使剝離工程量增加，現(xiàn)有工藝設(shè)備系統(tǒng)不能完成增加的物料剝離，且增加剝離物料的采裝和運(yùn)輸成本。

2)剝離臺階的穩(wěn)定性。高陡臺階越大拋擲爆破的有效拋擲率越高，但會增加臺階失穩(wěn)風(fēng)險，且導(dǎo)致采場邊坡變陡，容易危害采場工作幫穩(wěn)定性[10]。

3)采場巖石特征和環(huán)境約束。拋擲爆破可用的前提條件是剝離物巖石堅(jiān)硬、采場內(nèi)具備內(nèi)排空間，且拋擲爆破消耗大量炸藥，會產(chǎn)生震動、飛石、噪聲、有毒煙霧和灰塵等爆破危害。

4)技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素。有效的爆破方案設(shè)計(jì)、適當(dāng)?shù)恼ㄋ幜窟x擇和充足的爆破周期是影響拋擲爆破剝離工藝綜合成本的因素。采用拋擲爆破技術(shù)增加的費(fèi)用應(yīng)不大于有效拋擲量節(jié)省的剝離成本。

1.2 露天煤礦拋擲爆破技術(shù)適用條件

拋擲爆破作用由炸藥爆炸剩余能量及爆生氣體膨脹作用產(chǎn)生，對爆生氣體的爆容直接影響拋擲爆破效果的優(yōu)劣。因此，露天煤礦剝離環(huán)節(jié)中應(yīng)用拋擲爆破應(yīng)滿足以下條件：

1)巖體結(jié)構(gòu)致密、節(jié)理裂隙不發(fā)育，且覆蓋物達(dá)到一定的厚度才能夠充分發(fā)揮拋擲爆破的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[11]。

2)為了保證最佳拋擲效果，露天采空區(qū)與拋擲爆破臺階距離應(yīng)保持在一定的范圍之內(nèi)[12]，即具備內(nèi)排空間是該技術(shù)的限制性前提。

3)拋擲爆破在高陡臺階上作業(yè)效果與臺階穩(wěn)定性存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[13，14]，在保證高陡臺階穩(wěn)定前提下增加臺階高度，對提高拋擲爆破效果具有重要作用。

4)拋擲爆破技術(shù)不能獨(dú)立用于巖石物料剝離，需結(jié)合工藝設(shè)備并按照一定的開采程序完成物料移運(yùn)，需要將拋擲爆破技術(shù)與后續(xù)工藝作為一個整體考慮，實(shí)現(xiàn)成本最低、效率最高的開采目標(biāo)。

2 我國露天煤礦拋擲爆破剝離技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國露天煤礦拋擲爆破剝離技術(shù)應(yīng)用及研究起步較晚，潘井瀾首次將北美露天煤礦開采中拋擲爆破法的應(yīng)用狀況介紹到國內(nèi)[15，16]，經(jīng)過多年的理論研究與探索，從拋擲爆破理論與分析、爆破效果與設(shè)計(jì)、拋擲爆破技術(shù)與工藝等多種角度進(jìn)行了可行性研究。黑岱溝露天煤礦于2007年開展拋擲爆破技術(shù)試驗(yàn)并取得成功，歷經(jīng)十余年的應(yīng)用，在拋擲爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、效果預(yù)測與評價、工藝匹配及參數(shù)優(yōu)化等方面取得了長足的進(jìn)步，形成了體系完善的拋擲爆破—拉斗鏟無運(yùn)輸?shù)苟压に嘯17]。

黑岱溝露天煤礦拋擲爆破技術(shù)應(yīng)用于煤層上部37m高的巖石臺階，巖石類型以黏土和粗砂巖為主、節(jié)理裂隙不發(fā)育，炮孔傾角與臺階坡面角一致均為65°。拋擲爆破采用銨油炸藥、乳化炸藥及重銨油炸藥，炮孔直徑為310mm、孔距9～12m、排距7～9m、炸藥單耗0.7～0.9kg/m3、最小抵抗線6～6.5m，有效拋擲率可以達(dá)到30%～5%。為保證剝采工程程序正常作業(yè)，沿工作線長度中間位置的內(nèi)排土場側(cè)預(yù)留中間溝作為原煤運(yùn)輸系統(tǒng)，中間溝兩翼劃分為4個作業(yè)區(qū)：拋擲爆破區(qū)、拉斗鏟倒堆作業(yè)區(qū)、煤層穿爆區(qū)、煤層開采區(qū)，如圖3所示。拉斗鏟從中間溝進(jìn)入一翼的倒堆作業(yè)區(qū)向端幫作業(yè)，結(jié)束本翼倒堆剝離作業(yè)后繞行內(nèi)排土場及中間溝進(jìn)入另一翼倒堆作業(yè)區(qū)并向另一側(cè)端幫作業(yè)，倒堆剝離結(jié)束后同樣繞內(nèi)排土場及中間溝執(zhí)行下一作業(yè)循環(huán)。

圖3 拋擲爆破—拉斗鏟倒堆工藝作業(yè)程序

就目前總體發(fā)展現(xiàn)狀而言，我國露天煤礦拋擲爆破剝離技術(shù)經(jīng)歷從無到有、從探索到成熟的階段，但仍存在一系列問題亟待解決或突破。系統(tǒng)完善拋擲爆破機(jī)理，提高拋擲爆破設(shè)計(jì)及效果，優(yōu)化工藝系統(tǒng)，進(jìn)而提高作業(yè)效率并節(jié)省成本，是拋擲爆破剝離技術(shù)及其工藝系統(tǒng)匹配要解決的關(guān)鍵問題。

3 露天礦拋擲爆破剝離技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 臺階深孔拋擲爆破機(jī)理研究現(xiàn)狀

拋擲爆破究根結(jié)底是一種巖石爆破的特殊形式，巖石爆破機(jī)理的研究與成果同樣適用于揭示拋擲爆破機(jī)理。巖石破壞被認(rèn)為是爆炸應(yīng)力波和爆生氣體共同作用的結(jié)果[18]，炸藥在巖體中爆炸后產(chǎn)生的能量以沖擊波和爆生氣體為載體對孔壁周圍巖體做功，沖擊波沖擊并壓縮巖體形成壓壞區(qū)后衰減為應(yīng)力波，在反射拉應(yīng)力和衍生環(huán)向拉應(yīng)力作用下形成徑向和環(huán)向裂隙，爆生氣體在巖石內(nèi)部形成準(zhǔn)靜態(tài)壓力場并產(chǎn)生氣楔作用促使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展[19-22]。因此，從巖石拋擲爆破作用過程來看，主要包括巖石破碎及破碎巖塊的拋擲兩個主要過程。

沖擊波和爆生氣體的作用依然是拋擲爆破的重要來源，是巖體破碎和拋擲的主要動因。研究巖體破碎的爆炸沖擊波、應(yīng)力波及爆生氣體作用范圍是優(yōu)化與提高拋擲爆破參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。巖石破碎過程的研究方面，W.H.Wilson[23]通過試驗(yàn)和理論分析研究了爆炸應(yīng)力波和爆生氣體在臺階爆破中的作用；王家來等[24]給出了爆炸應(yīng)力波作用下巖體損傷累計(jì)計(jì)算辦法，綜合研究了爆破過程中爆炸應(yīng)力波和爆生氣體的作用。戴俊[25]利用 Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則，并考慮巖石三向受力及其強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)，導(dǎo)出柱狀藥包爆炸在巖石中引起的壓碎區(qū)與裂隙區(qū)半徑的計(jì)算式；冷振東等[26]提出了一種計(jì)算鉆孔爆破粉碎區(qū)范圍的改進(jìn)模型來預(yù)測粉碎區(qū)范圍；宗琦[27]考慮沖擊波對裂隙區(qū)的影響，從理論上提出了新的裂隙區(qū)計(jì)算方法；徐穎等[28]考慮沖擊波作用、粉碎區(qū)存在對裂隙區(qū)的影響，對裂隙區(qū)半徑公式進(jìn)行了修正并引入了斷層帶應(yīng)力波衰減系數(shù)；楊小林[29]基于斷裂力學(xué)理論，探討了爆生氣體驅(qū)動作用下裂紋擴(kuò)展長度。涉及應(yīng)力波和爆生氣體作用的相關(guān)爆破機(jī)理研究成果，均在一定程度上為揭示拋擲爆破過程的巖石破碎機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。杜俊林[30]認(rèn)為同耦合裝藥相比，空氣不耦合裝藥產(chǎn)生的沖擊波波峰會變緩，沖擊壓力峰值會降低，能有效地減少對孔壁巖石的破壞，且能延長爆生氣體的作用時間，提高爆炸能量的有效利用率。李啟月[31]通過對不同波形應(yīng)力波在礦巖中的能量耗散進(jìn)行理論分析，得出在這些波形作用下的礦巖破壞形式和能量耗散規(guī)律，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)獲得具體礦巖爆破應(yīng)力波的單次作用破壞、累積作用破壞和無損傷作用破壞的能量準(zhǔn)則。趙建平等[32]通過實(shí)驗(yàn)觀察爆炸波徑向動應(yīng)變信號和爆后損傷變量分布，得出爆炸沖擊波應(yīng)力和爆生氣體應(yīng)力的峰值分布區(qū)域以及與實(shí)測不耦合裝藥系數(shù)、距爆源中心距離之間的關(guān)系。鐘冬望[33]從宏觀和細(xì)觀角度分別分析了爆炸沖擊波和爆生氣體對巖體的致裂作用，并提出了巖體爆破破碎綜合損傷計(jì)算模型。

而巖體破碎后使得絕大部分氣體逸散，剩余爆生氣體及能量是造成巖塊拋擲的主要來源，巖塊拋擲飛散運(yùn)動過程遵循外彈道理論。張智宇等[34]對鼓包運(yùn)動研究發(fā)現(xiàn)自由面裂隙向四周擴(kuò)散，使自由面巖體破碎并呈規(guī)則的扇形狀，巖體在爆生氣體推動下進(jìn)一步的抬升與破裂，破碎巖體在自由面鼓包完全破裂后以最大速度做拋擲運(yùn)動。馬力等[35]系統(tǒng)總結(jié)了深孔柱狀裝藥等效平面藥包的拋擲爆破發(fā)展過程，分為四個階段，如圖4所示。

圖4 巖體拋擲爆破過程

第一階段：藥包起爆后的一瞬間就相應(yīng)地產(chǎn)生了柱狀或者球形氣體腔，大致以相同的速度向各個方向猛烈膨脹，這時分布在各藥包之間的巖體受到強(qiáng)烈壓縮，并從藥包中心相對稱地向外擠壓。間隔一定時間后，向臨空面相反方向的膨脹終止，而向臨空面方向的膨脹增強(qiáng)。隨之在藥包分布平面上各個氣體腔連接成總的氣體腔，使得單個藥包之間的巖石被擠出。

第二階段：氣體腔僅僅向臨空面方向膨脹，爆破巖石與藥包呈法線方向和側(cè)面方向被推出。到某一瞬間，如果氣體腔內(nèi)的壓力接近大氣壓力時，爆炸產(chǎn)物本身有相當(dāng)大的一部分能量已作用于巖石，因而，推出介質(zhì)的加速度過程隨即停止。

第三階段：在某一段時間內(nèi)，破碎巖石呈緊密狀巖體運(yùn)動，在這個運(yùn)動的巖體中每個巖塊彼此緊緊接觸。由于巖石呈輻射狀飛散，隨著在空氣中的運(yùn)動，巖石層厚度被減小。而在巖層厚度與單個巖塊的尺寸相近似的瞬間，由于拋擲巖塊的鼓包發(fā)生瓦解，許多巖塊在空氣中開始自由飛行。

第四階段：拋擲鼓包分解后，巖塊單獨(dú)飛行直至降落在臨空面上。

3.2 露天礦臺階拋擲爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

露天礦采用大孔距高臺階拋擲爆破，一次爆破量大、裝藥量大，爆破參數(shù)涉及孔徑、炸藥單耗、臺階高度、超深、最小抵抗線、孔距、排距、填塞長度、裝藥結(jié)構(gòu)、孔間及排間延期時間等，具有爆破參數(shù)多且影響效果的顯著特點(diǎn)。因此，在合理范圍內(nèi)分析并控制拋擲爆破參數(shù)，既能保證作業(yè)過程的安全性，又能提高拋擲爆破效果。

傳統(tǒng)的拋擲爆破參數(shù)設(shè)計(jì)取值主要依據(jù)露天煤礦現(xiàn)場工程地質(zhì)條件和經(jīng)驗(yàn)法確定[36]，D’Appolonia咨詢工程師建立了“圖解法”模型[37]，可以根據(jù)礦山巖石情況、鉆孔設(shè)備參數(shù)、炸藥參數(shù)、臺階高度和拋擲距離確定孔距、排距、炸藥單耗。肖雙雙[38]在總結(jié)拋擲爆破參數(shù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，提出了D’Appolonia“圖解法”的程序化方法，進(jìn)一步簡化了圖解法的操作流程。D’Appolonia“圖解法”為解決現(xiàn)場拋擲爆破參數(shù)設(shè)計(jì)提供了直觀且實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)方法，但在一定程度上難以充分考慮巖體爆破的內(nèi)外部作用及現(xiàn)場條件的不確定性影響。馬力等[35，39]基于因子分析法構(gòu)建了爆破效果影響因素關(guān)聯(lián)程度的分析模型，確定各影響因素的關(guān)聯(lián)程度排序?yàn)檎ㄋ巻魏?孔距>最小抵抗線>排距>臺階高度，并根據(jù)裂隙區(qū)半徑計(jì)算公式和挖掘機(jī)勺斗所限定的不產(chǎn)生大塊條件，推導(dǎo)出基于巖體工程性質(zhì)的孔距與排距計(jì)算公式。李祥龍等[40]從增加最遠(yuǎn)拋距和減少大塊率的角度，提出礦山高臺階拋擲爆破的排間延期時間為63.5～102.0ms。以上研究從理論與實(shí)測數(shù)據(jù)分析角度，為拋擲爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的基礎(chǔ)理論指導(dǎo)。

而實(shí)際上礦山現(xiàn)場條件多變，拋擲爆破爆區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)模較大，爆破參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響爆破及剝離成本，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。研究預(yù)測及控制有效拋擲率及爆堆形態(tài)與拋擲爆破參數(shù)間影響關(guān)系，對提高拋擲爆破參數(shù)設(shè)計(jì)精度及控制拋擲爆破效果具有重要意義。用于預(yù)測拋擲爆破爆堆形態(tài)的方法有兩種，其中狐為民[41]、丁小華等[42]基于實(shí)測礦山爆破樣本數(shù)據(jù)，運(yùn)用非線性理論方法得到拋擲爆破效果的主要影響因子，并采用聚類分析、回歸分析、線型插值等方法預(yù)測爆堆形態(tài)、有效拋擲率和爆堆松散系數(shù)，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確率達(dá)90%以上。而另一部分人采用Weibull模型并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測，李祥龍等[43]在總結(jié)、分析大量的現(xiàn)場生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對高臺階拋擲爆破爆堆形態(tài)4類，并建立了高臺階拋擲爆破爆堆形態(tài)模擬的Weibull 模型，模擬爆堆曲線能與實(shí)測曲線較好地吻合；韓亮等[44]以Weibull模型為基礎(chǔ)，并利用訓(xùn)練完成的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測爆堆形態(tài)，各參數(shù)的預(yù)測誤差均未超過5% ；黃永輝等[45]提出了運(yùn)用ELM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Weibull函數(shù)預(yù)測拋擲爆破爆堆形態(tài)的模型，比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果更接近爆堆實(shí)際形態(tài)；溫廷新等[46]提出參數(shù)優(yōu)化后遺傳算法(GA) 和極限學(xué)習(xí)機(jī)(ELM)相結(jié)合的拋擲爆破預(yù)測模型，結(jié)合Weibull模型預(yù)測拋擲爆破爆堆形態(tài)接近真實(shí)爆堆曲線。在拋擲爆破效果評價方面，馬力等[47]、康海江等[48]、張兆亮等[49]，采用有效拋擲率、松散系數(shù)、降震效果和炸藥單耗為評價指標(biāo)，分別構(gòu)建了以模糊數(shù)學(xué)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、云模型等方法為基礎(chǔ)的露天煤礦拋擲爆破效果綜合評價模型。趙紅澤等[50]在此基礎(chǔ)上增加了最遠(yuǎn)拋擲距離、松方體積、延米爆破量3個指標(biāo)，建立了灰色關(guān)聯(lián)-層次分析法和熵權(quán)法-層次分析法的集成評價體系，為拋擲爆破效果評價及參數(shù)反饋優(yōu)化提供了評價基礎(chǔ)。以上研究為拋擲爆破爆堆形態(tài)與效果預(yù)測及智能爆破設(shè)計(jì)提供了解決方法，而為了擺脫拋擲爆破參數(shù)設(shè)計(jì)完全依賴國外軟件的卡脖子難題，神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司及國內(nèi)相關(guān)高校團(tuán)隊(duì)開展了一系列科技攻關(guān)，開發(fā)了具有完全國產(chǎn)化的爆破數(shù)字化綜合處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)建模、爆破參數(shù)智能設(shè)計(jì)與調(diào)整、爆破效果與爆堆形態(tài)預(yù)測、爆破施工文檔輸出等功能[51-54]，提高了拋擲爆破參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。

3.3 拋擲爆破剝離工藝及開采程序研究現(xiàn)狀

我國黑岱溝露天煤礦于2007年采用拉斗鏟倒堆工藝并配合采用拋擲爆破技術(shù)，相關(guān)工藝匹配重點(diǎn)圍繞拋擲爆破與拉斗鏟間作業(yè)問題展開，同時也針對單斗挖掘機(jī)—卡車工藝與拋擲爆破技術(shù)進(jìn)行了探索性研究。

王平亮等[55]通過黑岱溝露天煤礦拋擲爆破試驗(yàn)，驗(yàn)證了炮孔傾角、臺階高度與采寬比值、炸藥單耗對有效拋擲率的影響效果，最終找出了炸藥單耗最少、有效拋擲率最高的方案。曹勇等[56]利用 Shotplus-ipro SV 爆破設(shè)計(jì)與分析軟件對黑岱溝露天煤礦進(jìn)行拋擲爆破設(shè)計(jì)與拋擲爆破效果模擬分析，從而不斷優(yōu)化爆破方案，達(dá)到了有效拋擲率大、拉斗鏟的臺時工作效率最大、煤層的損失及破壞最小等目的。孫健東等[57]提出的基于無人機(jī)傾斜攝影的拋擲爆破爆堆形態(tài)測量方法，具有測繪作業(yè)效率高、設(shè)備系統(tǒng)成本低、安全系數(shù)高、作業(yè)人員少、測繪結(jié)果精準(zhǔn)等特點(diǎn)。李波等[58]針對黑岱溝露天煤礦高臺階不規(guī)則拋擲爆破設(shè)計(jì)困難問題，采取一系列穿孔爆破技術(shù)措施及方法，在保證拋擲爆破質(zhì)量的同時，避免爆破震動、飛石、邊坡失穩(wěn)等帶來的爆破安全問題。宋天仁[59]通過對黑岱溝露天礦在礦山設(shè)計(jì)、穿孔爆破、采裝、運(yùn)輸、排棄工藝環(huán)節(jié)以及主要采礦設(shè)備能耗、邊坡檢測、卡車防碰撞預(yù)警安全管理系統(tǒng)等方面的應(yīng)用情況分析，探究了信息化過程在該礦山安全生產(chǎn)中所起到的作用，得出隨著黑岱溝露天礦山信息化建設(shè)的不斷深入，生產(chǎn)組織能力、生產(chǎn)效率、安全保障能力都得到了提升，經(jīng)濟(jì)效益可觀，對露天煤礦安全生產(chǎn)起到了極大的促進(jìn)作用。胡存虎等[60]針對黑岱溝露天煤礦單一特厚煤層上覆50m巖石的高效剝離問題，提出了利用大直徑傾斜深孔進(jìn)行拋擲爆破—拉斗鏟剝離的露天煤礦開采技術(shù)方案，探索了一套深孔拋擲爆破主要技術(shù)參數(shù)的確定方法，取得了深孔拋擲率32%以上的效果。馬占一[61]為了提高高臺階拉鏟倒堆剝離工藝中拋擲爆破效果，在爆破理論分析的基礎(chǔ)上，提出了“橫向不耦合氣囊式空氣間隔分段裝超低密度炸藥”深孔預(yù)裂爆破技術(shù)以及基于排間微差、孔間微差、傾斜深孔爆破的多排傾斜深孔微差拋擲爆破技術(shù)。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，優(yōu)化確定了爆破孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序、延時間隔等爆破參數(shù)，取得了良好的預(yù)裂與拋擲爆破效果。

為了進(jìn)一步提高拋擲爆破與拉斗鏟匹配的工藝系統(tǒng)效率，馬力等[62，63]建立了基于總剝離費(fèi)用最小的拋擲爆破—拉斗鏟倒堆剝離系統(tǒng)工作線長度的綜合優(yōu)化模型，發(fā)現(xiàn)拋擲爆破剝離工作線長度增大可減少拉斗鏟走行入換時間占比，提高拉斗鏟作業(yè)效率；針對拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝中采掘帶寬度的參數(shù)設(shè)置問題，建立了拋擲爆破采掘帶寬度優(yōu)化的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃模型。肖雙雙等[64]構(gòu)建了拋擲爆破臺階參數(shù)與采剝費(fèi)用關(guān)系模型，提出了基于帶精英策略的非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)的多目標(biāo)優(yōu)化模型求解方法。程鵬等[65]通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析推導(dǎo)出了拉斗鏟擴(kuò)展平盤平均高度的計(jì)算公式并提出了擴(kuò)展平盤高度的確定方法，對拋擲爆破后擴(kuò)展平盤高度參數(shù)的確定提供了參考依據(jù)。孫健東等[66]結(jié)合平立面調(diào)節(jié)方法，提出系統(tǒng)多級動態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)制，制定了綜合調(diào)節(jié)方法的設(shè)計(jì)原則，有助于提高系統(tǒng)整體的效率與穩(wěn)定性。

隨著近些年來拋擲爆破技術(shù)的研究和發(fā)展，其在露天煤礦剝離環(huán)節(jié)中發(fā)揮顯著成本優(yōu)勢，而拉斗鏟系統(tǒng)可靠性、投資成本、系統(tǒng)制約等因素影響作業(yè)效率的發(fā)揮和經(jīng)濟(jì)效益，開始逐步探索常用的單斗卡車間斷工藝與拋擲爆破技術(shù)的匹配問題。李英[67]和張寶衛(wèi)等[68]針對“拋擲爆破+單斗—卡車”工藝，從工藝的開采參數(shù)設(shè)置、作業(yè)程序和運(yùn)輸系統(tǒng)布置情況進(jìn)行論證，并對其適用條件進(jìn)行分析。胡存虎等[11]提出了黑岱溝露天煤礦在拉斗鏟故障期間，采用“拋擲爆破+單斗—卡車” 開采方式，并證明了該工藝在提高剝離作業(yè)效率、保證煤層出露速度、縮短卡車運(yùn)距、降低投資等角度具有顯著優(yōu)勢。繆偉[69]基于總剝離費(fèi)用最小，確定了哈爾烏素露天煤礦拋擲爆破—單斗卡車工藝工作線長度1.4km。郝建明等[70]認(rèn)為拋擲爆破—單斗卡車開采工藝不僅拓展了拋擲爆破的應(yīng)用范圍，而且應(yīng)用效果良好，安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。以上研究為拋擲爆破剝離技術(shù)的工藝匹配及現(xiàn)場應(yīng)用提供了基礎(chǔ)參考，拓展了除拉斗鏟以外的拋擲爆破技術(shù)應(yīng)用條件，為充分挖掘拋擲爆破剝離技術(shù)工藝匹配與現(xiàn)場應(yīng)用推廣提供了理論依據(jù)和實(shí)踐證明。

4 研究與應(yīng)用趨勢

露天煤礦拋擲爆破技術(shù)以臺階深孔爆破為基礎(chǔ)，其炸藥爆炸過程及對巖體產(chǎn)生的力學(xué)行為滿足應(yīng)力波和爆生氣體的作用準(zhǔn)則，剩余能量是造成巖石拋擲的主要動力來源?，F(xiàn)有的巖石爆破機(jī)理可以用來解釋拋擲爆破產(chǎn)生巖體破碎的原因，外彈道理論也在一定程度上為拋出巖塊的運(yùn)動與堆積提供了基礎(chǔ)理論。而以倒堆剝離為主的露天煤礦巖石臺階拋擲爆破技術(shù)，拋擲爆破后的爆堆形態(tài)和有效拋擲率是制約匹配工藝設(shè)備作業(yè)效率和生產(chǎn)成本的核心因素，亦受巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育程度的不確定性影響。因此，綜合考慮拋擲爆破剝離技術(shù)及其工藝系統(tǒng)特點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)揮露天煤礦拋擲爆破剝離工藝優(yōu)勢及構(gòu)建完善拋擲爆破剝離工藝體系(圖5)，尚有以下問題有待進(jìn)一步開展深入研究：

圖5 露天煤礦拋擲爆破剝離工藝體系

1)露天煤礦拋擲爆破除了具有將物料拋擲到采空區(qū)的作用外，在產(chǎn)生拋擲的同時也使爆堆沉降1/3左右，亦即可以在降低臺階高度及前沿爆堆伸出方面發(fā)揮作用，尤其是當(dāng)露天礦煤層傾角增大使水平劃分的巖石臺階出現(xiàn)半臺階情況，可探索利用拋擲爆破技術(shù)降段作業(yè)，進(jìn)一步探索其意義及適用條件。

2)深入研究節(jié)理裂隙發(fā)育程度對裂紋擴(kuò)展影響機(jī)制，揭示節(jié)理裂隙對爆炸能量利用率及初始拋擲動能的影響，可為進(jìn)一步提高有效拋擲率奠定重要的基礎(chǔ)理論。

3)以智能化技術(shù)為支撐的透明地質(zhì)與三維建模，是實(shí)現(xiàn)露天煤礦臺階深孔拋擲爆破智能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，露天煤礦應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘查與保障，并結(jié)合深孔拋擲爆破機(jī)理，真正實(shí)現(xiàn)拋擲爆破參數(shù)智能設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提高拋擲爆破效果。

4)結(jié)合拋擲爆破技術(shù)對開采程序的制約性，深入開展拋擲爆破與單斗—卡車間斷工藝間參數(shù)與開采程序匹配研究，針對性地開展工藝系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)一步完善露天煤礦拋擲爆破技術(shù)與開采工藝系統(tǒng)匹配的剝離工藝體系，提高工藝系統(tǒng)效率并降低生產(chǎn)成本。

5)應(yīng)持續(xù)關(guān)注拋擲爆破震動效應(yīng)及影響，優(yōu)化預(yù)裂爆破參數(shù)及控制方法，提高降震效果及降低對巖體邊坡影響。

5 結(jié) 論

1)臺階深孔拋擲爆破中，炸藥爆炸能量以應(yīng)力波和爆生氣體形式對孔壁周圍巖體做功，產(chǎn)生鼓包及促使裂隙發(fā)育形成塊度，剩余能量提供破碎巖塊向外拋擲初速度，探明巖體裂隙發(fā)育程度是實(shí)現(xiàn)露天礦拋擲爆破的重要地質(zhì)前提。

2)綜合考慮現(xiàn)場爆破統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定爆破效果的關(guān)鍵影響因素及程度，建立基于統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)的爆破設(shè)計(jì)預(yù)測方法，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與反饋優(yōu)化拋擲爆破參數(shù)的重要技術(shù)手段。

3)拋擲爆破剝離臺階參數(shù)是影響系統(tǒng)剝離效率的關(guān)鍵，建立拋擲爆破—拉斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)優(yōu)化模型，優(yōu)化拋擲爆破—單斗卡車工藝的作業(yè)程序是拓展露天煤礦應(yīng)用拋擲爆破的重要技術(shù)基礎(chǔ)。