露天礦山臺階爆破技術發展現狀及展望

李萍豐，張兵兵，謝守冬

(宏大爆破工程集團有限責任公司，廣州 510623)

臺階爆破技術作為露天礦山安全高效開采的重要手段，廣泛應用在煤炭、金屬、非金屬礦山等領域，廣大專家學者針對不同的施工工序，在孔網參數、裝藥結構、填塞方法、起爆順序、延時時間等方面，進行了比較深入的研究，爆破技術的改進顯著提高了露天礦山的綜合生產效率。隨著臺階爆破的不斷深入發展，涌現了一大批先進的儀器設備、實用軟件及技術體系，如新型鉆具及裝藥設備、數碼電子雷管及新型炸藥的推出，為工程爆破的高質量發展奠定了良好基礎。現階段，新興信息技術引進及多學科交叉融合趨勢不斷加快，臺階爆破技術逐步朝著數字化智能化方向邁進[1]。

1 臺階爆破的發展歷程

臺階爆破發展歷程整體上可劃分為控制爆破、精細爆破、數字爆破、智能爆破4個階段，每個階段都有著顯著的特征。

1.1 控制爆破技術

鑒于礦山傳統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，控制爆破技術應運而生。控制爆破主要是采用傳統人工裝藥或者機械化裝藥的方式，通過爆破設計、優化施工、加強防護等技術手段，既有效保證了實際爆破效果，又將各類爆破危害效應控制在合理范圍內。根據作用機理的不同，典型技術主要有松動爆破、延時擠壓爆破、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]。

礦山控制爆破技術的不斷發展，促進爆破基礎理論研究深度不斷加大，涌現了較多的先進爆破工藝和器材，爆破行業發展步伐顯著加快。

1.2 精細爆破技術

隨著精細化理念的不斷輸入，2008年4月，謝先啟等提出了精細爆破[4]。主要是由目標、關鍵技術、支撐體系、綜合評估體系和監理體系5個方面組成，其中關鍵技術主要體現在定量化設計、精心施工、精細管理和實時監測與反饋等方面，相對于傳統控制爆破而言，精細爆破要求更高，爆破效果和爆破危害效應控制更好。

爆破基礎理論研究的突破、計算機技術的大力推廣、爆破器材的不斷革新、檢測監測技術的迅速發展以及鉆爆設備的優化改進等，為實現精細爆破提供了強有力的技術支撐。在原有控制爆破技術的基礎上通過定量化設計、精心施工、精細管理和實時監測與反饋，改進了傳統施工的欠缺之處，使得大規模安全高效一次性起爆技術、復雜環境下的逐孔起爆技術以及特殊目的的爆破技術等，均取得了長足的進步，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。

精細爆破理念為爆破行業高質量發展提供了新的思路，在推動爆破行業關鍵技術研究與應用做出了較大的貢獻。

1.3 數字爆破技術

2002年中國爆破行業協會組織召開了數字爆破研討會議，大量專家學者參與其中，旨在借助信息化平臺、計算機數值模擬技術等，將爆破過程中可能涉及到的技術參數全部以定量化、數字化形式展現，以此指導爆破施工，實現降本增效[5]。經過近年來的不斷探索，數字爆破內涵不斷豐富，取得了長足的進步。

露天礦山臺階爆破施工作為數字爆破技術的核心所在，目前已在爆破現場數字化測量、鉆孔定位與巖性測試、爆破設計、裝藥系統、起爆系統、爆破效果監測與分析、爆破管理等方面開展了大量的研究工作[6]，為推動爆破行業數字化、可視化和可追溯等方面發展做出了貢獻，推動爆破行業向科學化、可持續的發展。

1.4 智能爆破技術

隨著新興信息科學技術及多學科融合發展不斷加快，2012年汪旭光院士提出了智能爆破理念[7]，2020年11月國內第一家“智能爆破研究中心”正式成立，將物聯網技術、云計算技術、系統工程技術和智能應用技術等與現代工程爆破技術緊密相結合，構成人與人、人與物、物與物相聯的網絡，動態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，實現工程爆破的可持續發展。

爆破行業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工作，智能爆破內涵不斷完善，短板方面有所改善，涌現了一批先進爆破信息管理系統及智能化裝備。智能爆破理念是數字爆破和精細爆破等概念的集成與升華，更加具體、全面、動態、詳盡地描述工程爆破的全過程，為爆破行業的中長期發展指明了發展方向。

2 臺階爆破全生命周期技術現狀

臺階爆破是一項系統工程，全生命周期主要包括爆破設計、鉆孔、爆破施工、爆破效果分析與反饋優化改進等方面。目前在子系統方面的研究較為深入，而在子系統融合形成全流程施工與管理方面，仍有待提高。

2.1 爆破設計

爆破設計是在獲取待爆區域地形地質情況的基礎上，進行參數設計、模擬分析與方案優化，實現精心設計。傳統的爆破設計是技術人員依靠工程經驗自主設計，具有一定的盲目性；隨著爆破設計軟件的引進，可通過自主設定爆破參數、裝藥結構及聯網方式等，在系統中自動生成相應的爆破設計方案。同時通過幾個方案的對比，分析各自的預測爆破效果是否滿足施工要求，進而給出最優設計[8]。人工勞動強度大幅降低，設計的準確度及設計效率大幅提升，數字化智能化水平較高，爆破設計軟件得以廣泛推廣。但在仿真分析及精準預測方面，實踐表明爆破設計軟件準確度仍有所欠缺。

2.2 鉆孔技術

鉆孔技術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，鉆孔不達標，爆破效果難以保障。其與鉆機的更新換代密切相關，由早期的人工鉆孔定位向儀器系統自動高精度定位發展，現階段鉆機性能參數與指標不斷提高，可有效保證直徑、角度、深度等基本指標符合鉆孔精度要求[9]；同時配套的驗孔技術也在快速進步，由早先的皮尺刻度量孔向傳感器及激光自動測孔發展，效率明顯提高，但在水孔驗孔精度方面仍有所欠缺。而在提高不良地質條件下的鉆孔成孔率方面，現有技術是在鉆孔完畢后實施加固，保證在一定時間內較為完整，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

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、聯網、起爆等方面組成，其中又以裝藥技術和起爆網路設計最為重要。

1)裝藥技術。露天礦山裝藥技術從設備上來看，由早先的人工裝藥向機械化自動裝藥發展，基于混裝炸藥的方便快捷性，混裝炸藥應用范圍不斷擴大，混裝一體化技術不斷深入人心，裝藥效率和準確度大幅提升。在裝藥結構上，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臺階爆破，通過增大裝藥量破壞巖體結構；不耦合裝藥主要用在邊坡控制爆破上，減弱對炮區的破壞作用，如緩沖爆破、預裂爆破、光面爆破等。裝藥結構又可分為連續裝藥與間隔裝藥，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)起爆網路設計。現階段，露天礦山常用的起爆網路主要有：毫秒延時爆破技術、排間順序起爆、斜線起爆、V型起爆、逐孔起爆技術等。其中，逐孔起爆技術應用最為廣泛，先起爆炮孔為后爆炮孔多創造了一個自由面，相鄰炮孔間的碰撞擠壓作用不斷加強，爆破危害效應得以有效控制，爆破效果顯著提升。隨著數碼電子雷管的不斷普及，炮孔起爆延時控制精度更高，逐孔起爆優勢更為突出。

2.4 爆破效果分析技術

爆破施工完畢后，爆破效果的及時高效分析至關重要，分析爆破方案的優點與不足，做到效果反饋與方案優化改進，建立臺階爆破效果實例庫，可為類似地形地質條件的臺階爆破設計與施工提供重要的技術支撐。爆破效果綜合分析主要包括爆破有害效應、爆堆形態、塊度大小等方面，高速攝影機加上傳感監測儀器設備，可有效監測飛石運行軌跡、爆破振動效應、爆破粉塵率等方面，再結合相應數據處理軟件，爆破有害效應的監測較為系統化。爆堆形態及塊度大小可通過掃描設備，如攝影機、無人機、三維激光掃描儀等[10-11]，可有效獲取爆堆點云信息，重建爆堆真實形態及巖石塊度尺寸，實現爆堆表面和內部結構的還原，但爆堆內部結構分析的準確度不夠高，真實性需要結合挖裝實際情況進行綜合評判。

3 臺階爆破技術展望

3.1 構建爆破一體化技術體系

現階段臺階爆破針對特定技術的研究較為深入，而全生命周期研究較為分散，尚未能真正實現流程化、標準化、一體化。臺階爆破一體化技術體系應包括混裝一體化、鉆爆一體化，真正實現設計—施工—監管—優化全流程精準控制。其中，混裝一體化包括炸藥生產、遠程配送、自動化裝藥與安全監管，確保炸藥安全高效使用；鉆爆一體化包括爆破設計、精準穿孔、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，需要改變傳統意義上過多關注炸藥參數與爆破參數而忽略巖石性質的影響，真正地將露天礦山巖石性質研究納入至臺階爆破全生命周期，不再單純通過改變孔網參數、單耗大小來實現預期目標。炸藥與巖石自動匹配度研究，可有助于實現地質問題的超前預報以及工程規劃設計，為露天礦山設備選型、爆破器材合理可靠選取等提供參考依據。

開展露天采場巖石性質測定，探究不同區域巖石可鉆性與可爆型分級標準，構建巖石質量分級體系；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測定來進行驗證。最終通過波阻抗、全流程匹配及能量密度匹配等指標進行巖石與炸藥的自動匹配分析，保證爆破設計的高匹配性、現場施工的精準性、效果分析的可靠性。

3.3 臺階爆破數字化智能化轉型

現階段，國家大力推行各行業數字化智能化發展，礦山行業數字化轉型如火如荼，作為露天礦山開采的重要組成部分，臺階爆破技術應緊跟數字化智能化趨勢，開展科研攻關工作，形成核心成套技術，引領礦山爆破行業快速高質量發展。

引進5G通訊、大數據及云計算等高端技術，研制臺階爆破全流程裝備，包括鉆機、裝藥車、填塞車、爆破器材等，提高設備儀器的數字化智能化操作水平，向少人化、無人化方向發展。將爆破全生命周期涉及到的硬件軟件系統進行智能優化整合，實現各環節數據端口的標準化，從設計、仿真、優化、反饋等入手，集中于鉆爆一體化智能技術研究，開展智能化鉆孔與巖性自動識別、裝藥流程全智能化精準管控、爆破效果實時智能反饋與優化處理，實現全周期的集成處理。

4 結語

臺階爆破廣泛應用于露天礦山領域，取得了眾多的技術突破，持續推動露天礦山安全高效開采與管理，創造了巨大的經濟效益。但不可否認的是，仍存在一些技術瓶頸，如露天礦山巖石與炸藥自動匹配度不足、爆破技術研究碎片化現象居多未能形成有效系統、數字化智能化水平略顯不足，有待進一步克服。高校、科研院所、企業應共同開展智能爆破技術的研究，積極布局智能爆破科研攻關工作，逐步實現爆破全生命周期智能化管控與綠色高效生產，為爆破行業數字化智能化轉型發展指明方向。