最優(yōu)化巖石爆破的理論及方法探索

董少南，高 烈，李向明，張敢生

(1.本鋼技術(shù)中心，遼寧 本溪 117000；2.遼寧安達(dá)爆破工程有限公司，遼寧 本溪 117000；3.中國(guó)礦產(chǎn)資源集團(tuán)有限公司，河北 雄安 071799；4.本鋼歪頭山鐵礦，遼寧 本溪 117005；5.遼寧科技學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

0 引言

在巖石爆破中，追求綜合爆破危害效應(yīng)最小、綜合破碎效果最佳稱之為最優(yōu)化爆破。最優(yōu)化問(wèn)題是巖石爆破領(lǐng)域最難解決的難題，現(xiàn)有理論還不能完全給予科學(xué)合理的解答。由于現(xiàn)有理論的局限性導(dǎo)致在工程實(shí)踐中許多情況下不知應(yīng)當(dāng)如何處理，造成質(zhì)量事故及安全事故頻繁發(fā)生。因此，最優(yōu)化爆破是巖石爆破領(lǐng)域最亟需解決的重要問(wèn)題。

1 巖石爆破最優(yōu)化方法的選擇

在探索初期試圖應(yīng)用現(xiàn)代系統(tǒng)工程論中的最優(yōu)化方法來(lái)解決問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)多年研究后發(fā)現(xiàn)這種方法對(duì)于解決巖石爆破的最優(yōu)化問(wèn)題無(wú)能為力。

筆者轉(zhuǎn)向?qū)r石爆破系統(tǒng)各個(gè)階段的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行研究。在這種思想指引下并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的爆破實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)了巖石爆破各個(gè)階段的基本規(guī)律。它們是爆區(qū)巖石最佳破碎原理、最優(yōu)炸藥單耗原理、能量平衡分配原理、可碎能帶分布原理、單孔爆破最佳破碎原理及面能比中值化原理，分別對(duì)這幾個(gè)基本原理的內(nèi)容、提出的原因和依據(jù)、能夠解決的問(wèn)題進(jìn)行闡述。

2 最優(yōu)化巖石爆破理論的基本內(nèi)容

2.1 爆區(qū)巖石最佳破碎原理

2.1.1 提出的原因和依據(jù)

原因：解決爆破的最優(yōu)化問(wèn)題，首先必須解決如何布孔、如何起爆，才能使整個(gè)爆區(qū)的巖石處于最佳破碎狀態(tài)問(wèn)題，為此提出爆區(qū)巖石最佳破碎原理。

依據(jù)：一是在探求布孔參數(shù)與爆破效果關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然最小抵抗線、孔網(wǎng)參數(shù)、布孔方式、藥包直徑和巖石賦存條件等都是與爆破效果相關(guān)的影響因素，但是如果其它參數(shù)不變，單獨(dú)改善某一個(gè)參數(shù)都不能改善總體爆破效果。因此，這些參數(shù)都不是在布孔方面決定爆破效果好壞的根本因素，一定存在一個(gè)與這些參數(shù)相關(guān)而決定爆破效果好壞的根本因素，這個(gè)因素就是爆炸能量的分布均勻度，標(biāo)定爆炸能量分布均勻度的參數(shù)就是標(biāo)準(zhǔn)爆能體的空間利用率。二是在探求起爆參數(shù)與爆破效果關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，與前述布孔參數(shù)類似，也一定存在一個(gè)與這些參數(shù)相關(guān)并決定爆破效果好壞的根本因素，這個(gè)因素就是相鄰起爆炮孔的綜合能量梯度。

2.1.2 內(nèi)容

根據(jù)爆破實(shí)踐，得出整個(gè)爆區(qū)的巖石最佳破碎原理：在炸藥和巖石一定的條件下，以綜合效果為最優(yōu)的巖石爆破中，爆區(qū)的巖石破碎效果與整個(gè)爆區(qū)的炸藥能量分配均勻度、相鄰起爆炮孔的綜合能量梯度成正相關(guān)。因此，要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化爆破必須使炸藥能量分配均勻度和相鄰起爆炮孔的綜合能量梯度值均達(dá)到最大化，這個(gè)原理就是爆區(qū)巖石最佳破碎原理。

1)能量分配均勻度的概念及計(jì)算。能量分配均勻度是指爆炸能量在整個(gè)爆區(qū)巖石中分布的均勻程度。

爆能體與標(biāo)準(zhǔn)爆能體的概念。爆能體是爆炸能量在巖石中各個(gè)方向傳播的能量波波陣面所構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)體。標(biāo)準(zhǔn)爆能體是在標(biāo)準(zhǔn)布孔方式下，兩個(gè)相鄰且同時(shí)起爆的藥包相切時(shí)的爆能體。

絕對(duì)均勻度的計(jì)算：

(1)

式中：J—爆炸能量分布的絕對(duì)均勻度；V標(biāo)準(zhǔn)—爆區(qū)內(nèi)所有藥包的標(biāo)準(zhǔn)爆能體所占據(jù)的空間體積；V曲面空間—爆區(qū)內(nèi)與最外側(cè)標(biāo)準(zhǔn)爆能體相切的曲面空間所圍成的空間體積。

2)能量梯度的定義及計(jì)算。能量梯度是指爆炸能量密度在單位距離上的變化量。

能量梯度的計(jì)算：

(2)

式中：G—能量梯度；△e—兩相鄰炮孔在同一瞬間能量密度的差值，可根據(jù)能量密度變化曲線方程進(jìn)行計(jì)算；L—炮孔間距。

3)爆炸能量密度的變化曲線。從微觀上看，每個(gè)藥包的爆破過(guò)程都是一個(gè)由壓應(yīng)力為主向拉應(yīng)力為主的轉(zhuǎn)換過(guò)程。這個(gè)過(guò)程可用能量密度變化曲線方程表示，經(jīng)驗(yàn)公式如下：

(3)

式中：e—能量密度；u—爆炸能量綜合效應(yīng)的傳播速度；Pr—巖石中沖擊波峰值壓力；T—巖石破碎時(shí)間；t—爆破過(guò)程各瞬間；x—爆區(qū)各點(diǎn)距離藥包中心距離；k—修正系數(shù)。

4)解決的問(wèn)題。根據(jù)爆區(qū)巖石最佳破碎原理可解決布孔方式和起爆順序的最優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

2.2 最優(yōu)炸藥單耗原理

2.2.1 提出原因和依據(jù)

原因：解決巖石爆破的最優(yōu)化問(wèn)題，必須解決的第二個(gè)問(wèn)題是爆區(qū)的最優(yōu)炸藥量計(jì)算問(wèn)題，為此提出最優(yōu)炸藥單耗原理。

依據(jù)：當(dāng)前最優(yōu)炸藥量的計(jì)算主要是根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論，但是結(jié)果與實(shí)際用量存在一些差距。分析造成這個(gè)差距的原因不是最優(yōu)爆破漏斗理論存在錯(cuò)誤，而是把單藥包的爆破漏斗理論應(yīng)用到多藥包的爆區(qū)存在系統(tǒng)誤差。原因是在單藥包爆破漏斗實(shí)驗(yàn)中已被利用但沒(méi)顯現(xiàn)出來(lái)的爆炸能量，在多藥包的爆區(qū)中就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。因此為了解決爆區(qū)最優(yōu)炸藥量的計(jì)算問(wèn)題，提出了最優(yōu)炸藥單耗原理。

2.2.2 內(nèi)容

通過(guò)實(shí)踐得知每個(gè)炮孔的有用能量利用率隨著炸藥量和周圍抵抗線的變化而變化，只有當(dāng)每個(gè)炮孔的有用能量利用率達(dá)到最大時(shí)，爆區(qū)的炸藥單耗才能達(dá)到最優(yōu)，而炮孔的有用能量利用率達(dá)到最大化的條件是爆炸能量在自由面法線方向和水平方向有用能量的分量乘積達(dá)到最大，即在一個(gè)水平自由面的情況下爆破作用指數(shù)n=0.5時(shí)炸藥單耗最優(yōu)。這個(gè)結(jié)論可從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面得到證明。

2.2.3 解決的問(wèn)題

能夠解決爆區(qū)及每個(gè)炮孔最優(yōu)炸藥量的計(jì)算問(wèn)題。

2.3 能量平衡分配原理

2.3.1 提出的原因和依據(jù)

原因：解決巖石爆破的最優(yōu)化問(wèn)題，必須解決的第三個(gè)問(wèn)題是爆炸能量在各個(gè)方向的計(jì)算問(wèn)題，為此提出能量平衡分配原理。

依據(jù)：多自由面硐室爆破實(shí)踐表明，爆炸能量在巖石中各個(gè)方向的分配與此方向的巖石阻力存在一定規(guī)律，這個(gè)規(guī)律就是能量平衡分配原理。

2.3.2 內(nèi)容

2.3.3 解決的問(wèn)題

此原理可解決巖石爆破中隨著自由面、巖石賦存條件及巖石應(yīng)力的變化，導(dǎo)致炸藥量發(fā)生變化的問(wèn)題。

2.4 可碎能帶分布原理

2.4.1 提出的原因和依據(jù)

原因：解決巖石爆破的最優(yōu)化問(wèn)題，必須解決的第四個(gè)問(wèn)題是爆破漏斗區(qū)域內(nèi)爆炸能量的徑向分配問(wèn)題，為此提出了可碎能帶分布原理。因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題不解決，就不知道何種狀態(tài)有利于巖石破碎、何種狀態(tài)不利于巖石破碎，因而也就不知道應(yīng)當(dāng)如何調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)以改善爆破效果。

依據(jù)：一是根據(jù)巖石的開(kāi)裂速度與巖石的破碎時(shí)間，可確定從自由面到爆源間的巖石開(kāi)裂點(diǎn)是多點(diǎn)，而不是一點(diǎn)。二是根據(jù)距離爆源相同距離區(qū)域的巖塊大小存在近似相同現(xiàn)象，推斷距離爆源相同距離的一定范圍內(nèi)具有大致相同的能量密度。三是根據(jù)距離爆源越近的區(qū)域巖塊越小，距離爆源越遠(yuǎn)的區(qū)域巖塊越大現(xiàn)象，推斷距離爆源越近的地方能量密度越高、距離爆源越遠(yuǎn)的地方能量密度越低。四是根據(jù)距離自由面不同距離的各級(jí)巖塊幾何尺寸大小具有近似等比關(guān)系現(xiàn)象，推斷能量密度從爆源到自由面依次呈等比級(jí)數(shù)降低的關(guān)系。五是根據(jù)爆破漏斗半徑與炸藥量關(guān)系曲線存在突變現(xiàn)象，斷定由巖石與炸藥組成的系統(tǒng)整體(而非局部)存在一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)藥量達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)處藥量時(shí)，系統(tǒng)巖石處于可碎狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)藥量達(dá)不到轉(zhuǎn)折點(diǎn)處藥量時(shí)，系統(tǒng)巖石處于不可碎狀態(tài)，而這個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)就是巖石形成可碎能帶體系的重要標(biāo)志。

2.4.2 內(nèi)容

可碎能帶分布原理的內(nèi)容：在爆破漏斗區(qū)域內(nèi)巖石破碎的首要條件是必須形成可碎能帶體系，且體系能量呈現(xiàn)如下分布特征：①爆炸能量從爆源到自由面呈現(xiàn)不同能量密度的多級(jí)條帶分布。②每個(gè)條帶能量密度值都大致相同，且數(shù)值大于巖石破碎所需的最小能量密度值。③能量密度從爆源到自由面依次呈等比級(jí)數(shù)降低的關(guān)系。④爆炸能量在爆破漏斗區(qū)域內(nèi)具有量子化分布特點(diǎn)，能帶級(jí)數(shù)只能在大于1的正整數(shù)范圍內(nèi)取值。

2.4.3 單孔爆破巖石最佳破碎原理的內(nèi)容

2.4.4 解決的問(wèn)題

應(yīng)用可碎能帶分布原理和單孔爆破最佳破碎原理可解決單孔爆破最優(yōu)裝藥結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，并依此提出主輔藥包法是在安全前提下最有利于巖石破碎的一種裝藥方法。

2.5 面能比中值化原理

2.5.1 提出的原因和依據(jù)

原因：在巖石爆破過(guò)程中，為什么會(huì)產(chǎn)生不同的巖塊形狀和數(shù)量？是什么因素在控制巖石的破碎形狀和數(shù)量？為了解決以上問(wèn)題，提出了面能比中值化原理。

依據(jù)：一是爆破巖塊之間形狀存在相似性。這種現(xiàn)象表明有某種因素在控制巖石的破碎形狀，這種作用因素就是面能比最小化原理。二是在爆破漏斗內(nèi)巖石是多級(jí)多塊度破碎而不是單級(jí)單塊度破碎，這種現(xiàn)象表明有某種因素在控制巖石的破碎數(shù)量，這種作用因素就是面能比最大化原理。

2.5.2 面能比中值化原理的內(nèi)容

所謂面能比中值化原理就是在由巖石和炸藥組成的系統(tǒng)中，為了同時(shí)滿足兩個(gè)對(duì)立統(tǒng)一的相互作用而趨于平衡的一種破巖原理，這兩個(gè)對(duì)立統(tǒng)一的相互作用就是使爆炸能量獲得最大釋放的面能比最小化原理和捕獲更多爆炸能量的面能比最大化原理，在這兩個(gè)原理的共同作用下使特定的巖石爆破系統(tǒng)的面能比趨于特定的常數(shù)。

從功能來(lái)講，面能比最小化原理對(duì)巖塊形狀起主要作用而對(duì)巖塊數(shù)量起輔助作用，同時(shí)面能比最大化原理對(duì)巖塊數(shù)量起主要作用而對(duì)巖塊形狀起輔助作用。

2.5.3 解決的問(wèn)題

解決了巖石破碎成塊的機(jī)理問(wèn)題，應(yīng)用此原理并結(jié)合二次破碎及巖石弱面的數(shù)理模型可以精確預(yù)測(cè)爆堆巖塊形狀和數(shù)量。

3 方法簡(jiǎn)述

根據(jù)上述原理，提出實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化巖石爆破的方法：①根據(jù)爆炸能量分布均勻度最大化原則布置炮孔。②根據(jù)相鄰炮孔的綜合能量梯度最大化原則安排起爆網(wǎng)絡(luò)。③根據(jù)主輔藥包法原則設(shè)置裝藥結(jié)構(gòu)和填塞方法。④根據(jù)面能比中值化原理、巖塊二次碰撞破碎數(shù)理模型及巖體結(jié)構(gòu)弱面數(shù)理模型預(yù)測(cè)爆堆巖塊形狀和數(shù)量。

4 結(jié)語(yǔ)

文中提出的每條原理都是多年爆破實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和嚴(yán)謹(jǐn)邏輯推理的結(jié)果。比如爆區(qū)布孔原理的提出就是在長(zhǎng)期的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的“大孔距小抵抗線布孔原理”存在以下不足：一是不知炮孔臨近系數(shù)m值為何時(shí)布孔最優(yōu)。二是無(wú)法解釋在相同m值不同布孔方式下，爆破效果不同的現(xiàn)象。三是無(wú)法解決隨著巖石賦存條件的變化，布孔參數(shù)和方式應(yīng)當(dāng)如何變化問(wèn)題。由此必須引入新參數(shù)，這個(gè)參數(shù)必須具有以下功能：一是這個(gè)參數(shù)必須是客觀存在的，二是這個(gè)參數(shù)的變化必須能夠同時(shí)兼顧炸藥和巖石的變化。三是這個(gè)參數(shù)必須與爆破效果成正相關(guān)。因?yàn)橹挥袧M足這三個(gè)功能才能把各種不同布孔的爆區(qū)區(qū)別開(kāi)來(lái)，也才能知道哪個(gè)更好，否則何談最優(yōu)。通過(guò)對(duì)所有爆破參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察，發(fā)現(xiàn)只有能量分布均勻度具備上述功能，而且只有根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)爆能體的空間利用率進(jìn)行計(jì)算才更合理，故此提出根據(jù)能量分布均勻度進(jìn)行布孔的原理。其它幾個(gè)原理的提出亦是如此，都是客觀現(xiàn)實(shí)的需要，并非為了創(chuàng)新提出的新概念。由于篇幅限制，無(wú)法把每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行展開(kāi)，只能予以概述。

在提出這套理論和方法后，又經(jīng)過(guò)500余個(gè)復(fù)雜環(huán)境下巖石爆區(qū)的檢驗(yàn)，證明采用這種方法爆破的爆區(qū)均能獲得較好的爆破效果，所以這套理論和方法是能夠經(jīng)受住實(shí)踐檢驗(yàn)的?？陀^來(lái)說(shuō)這套理論和方法還有一些不足，主要表現(xiàn)為以下方面：一是由于存在大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，不實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)程序化難以推廣應(yīng)用。二是由于引入一些新參數(shù)，而參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定技術(shù)還需要解決。三是結(jié)論更多源于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而缺乏精密的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。四是由于研究的水平和條件限制，暫時(shí)還解決不了所有存在的問(wèn)題。