臺階爆破孔內起爆點位優化及應用

中圖分類號：TD854TD235.4文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2025）08-0019-05

doi：10.11792/hj20250804

引言

露天臺階爆破生產效率高、經濟效益好，廣泛應用于礦山、鐵路、公路、水利水電等領域[1-2]。21世紀以來，隨著鑿巖鉆孔、鏟裝運輸等設備大型化發展，數字礦山技術的快速進步，以及數碼電子雷管、現場混裝炸藥技術的推廣應用，露天臺階爆破的硬件水平顯著提升[3-5]。與此同時，圍繞露天臺階爆破技術，相關科研和工程技術人員也開展了大量研究。付強等[6]利用破巖移動理論計算和LS-DYNA模擬，優選微差延期時間方案，通過現場試驗確定金堆城露天礦爆破孔間延期 36ms 、排間延期 80ms 。李章超等[基于爆破模擬軟件JKSimBlast，開展露天臺階爆破裝藥結構優化研究，得出隨空氣間隔向下移動，大塊率呈現先減小后增大的趨勢，最終確定炸藥能量利用最佳的裝藥結構，現場大塊率降低近 10% 。張智宇等[8]針對不同粒徑巖屑抗剪性能及水孔填塞效果開展研究，得出一定粒徑范圍內的巖屑顆粒能很好地解決露天水孔填塞爆破問題，通過現場試驗將沖孔率降低 20% ，爆破大塊率降低 8% 。李榮興9采用顆粒流軟件對爆破礦巖運動規律進行模擬，根據爆堆集中順序對起爆順序進行優選，鏟裝效率提升 10% 。洪勇等[]綜合采用逐孔起爆、挖掘減振溝、延期時間優化等手段，有效降低爆破振動及對最終邊坡的損傷。李長權等[基于爆破漏斗理論，在大黑山鉬礦試驗提升炮孔密集系數的“寬孔距、小抵抗線\"爆破技術，取得了大塊率降低 5% 、鏟裝效率提高 10% 的效果。露天臺階爆破領域的研究取得了豐碩成果，但爆破過程極為復雜[12]，導致爆破仍然是一門理論滯后于實踐的技術[13-14]。因此，針對具體工程問題，仍需針對性深入研究[15-17]

某大型露天礦山位于江西省境內，其礦產資源儲量大且集中，開采剝采比小、礦石可選性好，采選綜合能力約為13萬td。礦山臺階高度 15m ，穿孔采用250mm 孔徑牙輪鉆機，爆破超深一般為 2.5m 。為提高穿爆效率，該礦山于2019年引進1臺 310mm 孔徑牙輪鉆機，并開展 310mm 孔徑爆破試驗。經過較長時間的現場試驗，孔網、炸藥單耗、裝藥結構、延期時間等爆破參數基本穩定。但是由于 310mm 孔徑延米裝藥量較 250mm 孔徑提高了 50% 以上，造成 310mm 孔徑較 250mm 孔徑的裝藥高度下降、填塞高度上升，因此出現了較為突出的臺階底部過破碎、上部破碎效果不佳的情況。針對此問題，考慮開展孔內起爆點位對爆炸應力波作用的影響分析，并應用于現場實踐，以期改善臺階上部破碎效果。

1孔內起爆點位試驗方案

目前，在該礦山生產過程中，為保證炸藥可靠起爆，單孔內放置2發起爆彈。一發位于藥柱底部（孔底），一發位于藥柱上部（距孔底約 7m ），孔內起爆順序為孔底起爆彈提前 25ms 起爆。考慮到炸藥爆轟波傳播速度一般大于 4000m/s ，若孔底正常起爆，則傳爆整個裝藥段（約 9m 長）的時間在 3ms 內，故可認為實際情況為孔底起爆。

柱狀裝藥爆轟在巖體內產生應力波的傳播，由于巖體應力波傳播速度（一般可達 3000m/s 以上）與爆轟波傳播速度處于同一數量級，因此應當考慮爆轟波在藥柱傳播過程中對應力波作用的影響。基于此，開展了不同起爆點位的數值模擬，模擬分析方案包含3種情況，分別是起爆點位于裝藥段的底部、中部和上部，即孔底起爆、孔中起爆和孔口起爆。孔內不同起爆點位布置如圖1所示，為更好地展示方案細節，圖1未完全遵循真實比例。

2.1 應力波傳播特征

3種起爆點位工況下，起爆炮孔初始產生的沖擊波經巖石粉碎區衰減后轉化為應力波，隨著時間推移由近及遠傳播，形成明顯的波陣面（如圖2所示），并發展為沿著巖體內部傳播的縱波與橫波、沿著巖體表面傳播的面波，應力波強度隨著傳播距離的增加而衰減。

圖1孔內不同起爆點位布置示意圖

圖2應力波在巖體表面傳播

Fig.2Propagation of stress waves on the surface of rock mass

不同孔內起爆點位形成的應力波波陣面作用范圍如圖3所示。在應力波傳播初期，孔底起爆的波陣面特征為底部范圍大、上部小，逐漸向上傳播。孔中起爆的波陣面特征為上下對稱分布，逐漸由中部向上下部傳播。孔口起爆的波陣面特征為上部范圍大、底部小，逐漸向下傳播。

2孔內起爆點位試驗數值模擬分析

采用數值模擬計算軟件對孔內不同起爆點位的爆破響應特征進行模擬，爆破載荷采用指數型衰減曲線（峰值 3000MPa 、正壓時間 0.2ms 、持續時間 0.7ms ）模擬，模型四周為無反射邊界條件，底部為固定邊界條件。巖石材料參數為：彈性模量 30GPa 密度 2.7g/cm³"泊松比0.25;炮孔深度取 17.5m 、裝藥長度 9m 。

2.2 應力波作用特征

巖石材料通常抗壓能力較好，但抗拉和抗剪切的能力相對較弱。為此，分析巖體中拉應力分布特征，結果如圖4所示。在應力波傳播初期，孔底起爆的拉應力區主要在中下部，孔中起爆的拉應力區主要在中部，而孔口起爆的拉應力區主要在中上部，且拉應力最早作用于上部自由面。3種起爆點工況下，巖體上部產生拉應力區的范圍都更大，這與上部為爆破自由面有關。裝藥段完全起爆后一段時間，孔底起爆引起的應力波在巖體下部逐漸衰減，而剛傳播到上部的應力波處于較強作用階段。孔中起爆引起的應力波上下分布比較均勻。孔口起爆引起的應力波在巖體上部逐漸衰減，而剛傳播到底部的應力波處于較強作用階段。

圖3不同孔內起爆點位形成的應力波波陣面作用范圍

Fig.3Action range of stress wavefronts generated by diffrent detonation point locations inside the hole

圖4應力波傳播初期拉應力區分布特性

Fig.4Distribution characteristics of tensile stress zones intheearly stage of stress wave propagatior

2.3 應力作用強度

根據需要在炮孔周圍設置若干監測點（如圖5所示），用于獲取力學指標隨時間變化的規律。

圖5模擬監測點布置示意圖

Fig.5Schematic diagram of simulated monitoring point layoul

分析起爆點位對等效應力（VonMises應力，考慮了剪切作用）作用強度的影響，結果如圖6所示。由圖6可知：在接近上部自由面處，孔口起爆最早達到應力峰值，其次為孔中和孔底起爆，說明孔口起爆時應力波最早作用于上部自由面，但是，孔底起爆在接近上部自由面處產生的應力峰值最大。裝藥區上部巖體內（距孔底 9～10m ，應力峰值和應力作用時間的規律與接近上部自由面處相同，但峰值強度明顯高于接近上部自由面處，這與該區域更接近裝藥段有關，說明離裝藥段越近，所受應力作用越強。裝藥區中部巖體范圍內，孔中起爆最早達到應力峰值，且峰值最大，這與孔中起爆的應力均勻分布有關。裝藥區底部巖體范圍內，孔底起爆最早達到應力峰值，其次為孔中和孔口起爆，與上部相反，此處孔口起爆產生的應力峰值最大。

由數值模擬分析可知：孔口起爆時上部巖體最早受到應力波作用，其次是孔中起爆和孔底起爆。孔口起爆在上部產生的應力波特征是先強后弱，在下部產生的應力波特征是先弱后強；孔底起爆在上部產生的應力波特征是先弱后強，在下部產生的應力波特征是先強后弱；孔中起爆產生的應力波特征是上下分布比較均勻。孔底起爆在上部產生的應力波峰值最大，但作用時間最短；孔口起爆在下部產生的應力波峰值最大，但作用時間最短；孔中起爆在上下部產生的應力波峰值與作用時間介于二者之間，在中部產生的應力波峰值最大。

3 現場爆破試驗

應力波的作用效果應同時考慮應力波峰值和載荷作用時間，在數值模擬分析的指導下，可以考慮將孔內起爆點位適當提高，位于藥柱底部和中部之間（距孔底 0.5～4.5m ）。這樣既可以使上部巖體更早受到應力波作用，也延長了上部巖體受應力波作用的時間。試驗不增加現場施工難度，只需在放置第一發起爆彈時，將其適當上提。

試驗地點為礦山某采區 440m 臺階（鉆機位于450m 平臺），爆破孔網為排距 8m 、孔距 11m ，單孔裝藥量為 950kg ，延米裝藥量為 110kg/m ，采用逐孔起爆（孔間延期 42ms 、排間延期 100ms ）。將爆破區域劃分為試驗區（起爆位置上提）和對比區（無操作），2個區域的其他爆破參數均一致。試驗過程中，要求現場操作人員將第一發起爆彈的位置上提至距孔底約 1m 處（如圖7所示），其他操作不變。爆后情況如圖8所示，可見爆堆隆起集中，表面破碎、無明顯大塊。經現場跟蹤反饋，爆堆鏟挖順利，松散性和破碎效果均較好。通過卡車調度系統，收集電鏟的生產作業指標，結果如圖9所示。比較可知，試驗區電鏟臺效為 2325th 對比區電鏟臺效為 2101th ，較對比區提高 10.6% ，反映優化孔內起爆點位有助于改善破碎效果。

圖6起爆點位對等效應力作用強度的影響

圖8爆堆破碎情況

圖9電鏟臺效（某一班）

Fig.9Productivity per shovel （for a certain shift）

4結論

1）數值模擬表明，孔口起爆時上部巖體最早受到應力波作用，其次是孔中起爆和孔底起爆。孔口起爆在上部產生的應力波特征是先強后弱，在下部產生的應力波特征是先弱后強；孔底起爆在上部產生的應力波特征是先弱后強，在下部產生的應力波特征是先強后弱；孔中起爆產生的應力波特征是上下分布比較均勻。孔底起爆在上部產生的應力波峰值最大，但作用時間最短；孔口起爆在下部產生的應力波峰值最大，但作用時間最短；孔中起爆在上下部產生的應力波峰值與作用時間介于二者之間，在中部產生的應力波峰值最大。

2）現場爆破試驗表明，將孔內起爆點位置適當提高，位于藥柱中部和底部之間（距孔底 0.5～4.5m ，既可以使上部巖體更早受到應力波作用，也延長了應力波對上部巖體的作用時間，明顯改善臺階上部破碎效果。試驗不增加現場施工難度，只需在孔內放置第一發起爆彈時，將其適當上提。

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Optimization and application of detonation point location in blast holes for bench blasting

Wang Wei1，2，Peng Dingxiao2，Lan Ming3 （1.Jiangxi Copper Corporation Limited;2.Jiangxi Copper Technology Institute Co.，Ltd.; 3.School of Resources，Environment and Safety Engineering，University of South China）

Abstract：During the promotion test of 310mm blasthole blasting at a large open-pit mine，issues such as over-fragmentation at the bench toe and insuficient breakage intheupper partofthe bench were observed.Considering thathepropagationvelocityof stresswavesinrock massandthe blasting wavevelocityofexplosives areof thesameorder of magnitude，numericalsimulations wereconductedto investigatetheinfluenceofdiferentdetonationpointlocations withinthe blast hole on stress wave propagation.The analysis showed that botom detonation produced the highest stress wave peak in theupper bench with the shortest duration，while topdetonation（atthe holecollar）produced the highestpeak inthelowerbench，alsowith theshortestduration.In-holedetonationresulted inintermediate stres wave peaks and durations in both upper and lower sections，with the stress wave peak occurring in the middle part of the bench.Based on acomprehensive asessment of stress wave peak values and load duration，field trials were carried out bylifting the firstdetonator charge toa position between theholebotomand middle（O.5-4.5mabovethe hole bottom）.This significantly improved fragmentation in the upper bench and validated the simulation results.

Keywords：open-pit mining; bench blasting; in-hole detonation; detonation point location; numerical simulation; stress wave; field trial