趙海濤，羅 正

(1.深圳市金奧博科技股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.浙江京安爆破工程有限公司，杭州 310000)

國內(nèi)有關(guān)專家提出了精細化爆破理念，精細化爆破理念來源于控制爆破，但其標準或要求遠高于控制爆破，其核心思想是通過定量化的爆破設(shè)計、精心的爆破施工和精細化的管理，對炸藥能量釋放與介質(zhì)破碎、拋擲等過程進行精密控制，既達到預(yù)期的爆破效果，又實現(xiàn)爆破有害效應(yīng)的有效控制[1-2]。

由于爆破機理復(fù)雜、爆破理論滯后、爆破專業(yè)設(shè)計軟件和測量工具缺乏、作業(yè)人員素質(zhì)不高等原因，目前國內(nèi)礦山爆破技術(shù)水平總體比較粗放，普遍存在爆破設(shè)計依靠經(jīng)驗或半經(jīng)驗，缺少定量分析，爆破作業(yè)人員往往依靠經(jīng)驗施工，隨意性大，出現(xiàn)爆破后大塊和根底較多，工作面平整度差，礦石損失、貧化嚴重，邊坡穩(wěn)定性遭到破壞等問題，爆破質(zhì)量效果較難控制。

而歐美發(fā)達國家的礦山爆破施工技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，經(jīng)歷了經(jīng)驗階段、爆破測量階段和模型模擬階段，普遍采用了專業(yè)的爆破設(shè)計軟件進行設(shè)計，采用激光測繪儀、炮孔測偏儀、3G激光掃描儀等先進爆破測量工具和測量手段，精細化爆破技術(shù)水平較高。為此，加大爆破施工軟硬件建設(shè)和技術(shù)投入，以爆破測量儀器等為基礎(chǔ)，借鑒國外先進經(jīng)驗，探索、總結(jié)出一套礦山精細爆破工藝，對保障礦山爆破作業(yè)安全，改善爆破效果具有重要的現(xiàn)實意義。

1 定量設(shè)計

利用爆破專業(yè)設(shè)計軟件如QED、ShotPlus，結(jié)合數(shù)字礦山設(shè)計軟件如Surpac以及GPS等實測地形的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)破碎機入口允許礦石塊度和鏟、裝、運的設(shè)備條件，定量設(shè)計爆破參數(shù)，優(yōu)化爆后礦石塊度分布。同時，綜合考慮巖石條件、炸藥性能、鉆孔和裝藥(能量分布)、延時時間等影響，分析、預(yù)測和模擬爆破危害和爆破效果，并根據(jù)實際爆破效果與軟件分析模擬結(jié)果相互印證，不斷調(diào)整、優(yōu)化爆破參數(shù)[3]。

1.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查

礦山爆破之前，調(diào)查爆區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用地質(zhì)羅盤測量炮孔方位角、巖石結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，對爆破作業(yè)面進行地質(zhì)素描。然后將調(diào)查結(jié)果，結(jié)合鉆探地質(zhì)資料，作為爆破設(shè)計的依據(jù)并指導(dǎo)爆破效果的分析與總結(jié)。

1.2 炮孔抵抗線精確測量

裝藥前采用激光測繪儀精確測量炮孔抵抗線，可安全、快速、準確的獲得炮孔抵抗線信息。激光測繪儀采用藍牙技術(shù)與計算機進行通信，通過配套數(shù)據(jù)分析處理軟件，生成直觀的炮孔抵抗線斷面圖，以指導(dǎo)裝藥設(shè)計，確定裝藥方案。某鐵礦采用激光測繪儀測量了前排炮孔抵抗線，根據(jù)實測結(jié)果確定了裝藥結(jié)構(gòu)(見圖1)，即在炮孔大抵抗線段裝填高威力炸藥加強裝藥，在炮孔小抵抗線段裝填低威力炸藥，或采用空氣間隔裝藥。

該方法與人工肉眼觀測炮孔抵抗線相比，不需要在危險的臺階邊緣觀察，測得炮孔抵抗線信息全面、準確。一方面保障了爆破作業(yè)人員安全；另一方面根據(jù)炮孔抵抗線大小精細化裝藥，可保證足夠的炸藥約束，避免了過小炮孔抵抗線時產(chǎn)生飛石，以及過大炮孔抵抗線時產(chǎn)生大塊和根底的情況。

圖1 某鐵礦炮孔抵抗線實測結(jié)果Fig.1 Measured results of borehole resistance line in an iron mine

1.3 爆破巖體位移的控制

對于貴金屬礦山，礦石的損失、貧化控制非常重要。因此，在礦石區(qū)域為了控制巖體位置的移動，用軟件對臺階的分區(qū)布孔，使用高精度導(dǎo)爆管雷管或數(shù)碼電子雷管，逐孔起爆網(wǎng)路進行設(shè)計、模擬，精確控制起爆順序，使巖體移動方向與礦體走向一致(見圖2)，并通過測量炮孔爆破后的實際位移量指導(dǎo)礦石的挖掘，最大程度的避免礦石與廢石混雜，以減小采掘時礦石的損失、貧化。

圖2 爆破巖體位移分析Fig.2 Blasting rock mass displacement analysis

1.4 爆破能量分布模擬

炸藥能量強度、能量的疊加和分布，可以衡量炸藥對巖石破碎和損傷程度，銨油炸藥的能量為3.8 MJ/kg，能量值可與等效的銨油炸藥單耗相對應(yīng)。通過爆破專業(yè)軟件分析裝藥炮孔周圍的能量分布時，需要考慮炸藥密度和炸藥體積強度以及炮孔空氣間隔和分段裝藥等因素。通過模擬炸藥能量在炮孔垂直斷面和水平斷面上的分布，并以等值線圖可視化顯示(見圖3)，判斷裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性[3]。

1.5 爆堆塊度分析

礦山對爆破礦石的最大尺寸有嚴格要求，礦石過大影響鏟裝和運輸效率，特別是礦石尺寸過大無法通過破碎機喂料口，需進行二次破碎處理而降低破碎機效率，或加快破碎機磨損和增大電耗成本。

注：數(shù)字表示能量等級圖3 炸藥能量分布Fig.3 Energy distribution of explosives

利用Kuz Ram塊度模型，可提供與爆破結(jié)果最接近的預(yù)估，當輸入巖石參數(shù)、巖石原始塊度分布、鉆孔和臺階參數(shù)、炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)、延時時間和精度等參數(shù)時,軟件模型可實時預(yù)測爆堆礦石塊度分布，通過調(diào)整鉆孔和裝藥參數(shù)，可得到需要的爆破塊度分布(見圖4)。爆堆的塊度服從正態(tài)分布，根據(jù)爆破后不同塊徑礦石所占的質(zhì)量百分比來比較預(yù)期效果。

圖4 爆堆塊度模型Fig.4 Blasting fragmentation model

1.6 爆破有害效應(yīng)的精確預(yù)測

對于露天礦山爆破來說，最大的有害效應(yīng)為爆破飛石和爆破振動。如何設(shè)計合理的爆破參數(shù)，精確預(yù)測爆破飛石的拋擲距離，爆破振動大小，確定人員和機械設(shè)備撤離的合理距離，是十分重要的。對于爆破飛石距離和爆破振動強度的計算，一般采用經(jīng)驗公式，爆破飛石距離計算采用硐室爆破的飛石經(jīng)驗公式；爆破振動計算采用前蘇聯(lián)薩道夫斯基公式，這些經(jīng)驗公式計算結(jié)果往往與實際測量結(jié)果誤差較大。

1)爆破飛石。飛石的發(fā)射速度決定最大拋擲距離，若已知發(fā)射速度和石塊尺寸，最大拋擲距離便可通過考慮了摩擦系數(shù)的彈道方程進行計算。影響爆破飛石的飛行距離因素包括炮孔直徑、炮孔抵抗線、孔口填塞高度、臺階高度、炸藥特性，輸入以上參數(shù)，基于彈道方程的模型便可計算出最大拋擲距離和安全系數(shù)，該模型根據(jù)大量實地觀察結(jié)果進行驗證、修正，輸出結(jié)果與實際較為接近(見圖5)。

圖5 爆破飛石分析Fig.5 Blasting flying rock

2)爆破振動。歐美國家一般采用種子波模型計算爆破振動，這種方法相比經(jīng)驗公式，計算結(jié)果更加準確，而且不僅可以預(yù)測振幅和頻率，更能預(yù)測波形。因為爆破振動波與種子波傳播路徑基本一樣，種子波模型理論假設(shè)每個炮孔產(chǎn)生的振動波波形是一樣的，不同的是振幅，其振幅由爆心距與藥量決定。這種方法首先需要實測一個炮孔在爆破時的測點波形，采集波形數(shù)據(jù)即種子波后，再計算每一個炮孔爆炸產(chǎn)生振動波的波形及到達時間。到達時間取決于起爆時間和傳播時間，將所有炮孔產(chǎn)生的振動波線性疊加，得到保護對象處的波形(見圖6)。

注：T1、T2表示不同震源開始振動的時間圖6 爆破振動種子波和最終合成波形Fig.6 Seed wave and final composite waveform of blasting vibration

2 爆破施工精細化

隨著施工機械化和自動化水平的提高，以及引進激光測繪儀、炮孔測偏儀、爆速儀等一系列的先進測量工具、儀器，為精細爆破施工提供了技術(shù)支持。通過精確測量有效保障施工質(zhì)量和安全，實現(xiàn)爆破工程測量放線、鉆孔精度、裝藥填塞等各項工序精細化的施工目標。

2.1 布孔

采用拉皮尺和測繩的方式，按設(shè)計孔網(wǎng)參數(shù)精細布孔，布孔完成后，利用水準儀或RTK測量各炮孔孔口標高、孔位，加上設(shè)計超深后，確定每個炮孔的設(shè)計孔深，使炮孔孔底在同一水平上，爆破后能得到平整的臺階底板，根據(jù)測量孔位進行爆破網(wǎng)路設(shè)計。

2.2 鉆孔

采用先進鉆機鉆孔，鉆機配有電子數(shù)字自動顯示儀，能夠?qū)崟r顯示角度、鉆孔深度及相關(guān)數(shù)據(jù)，操作人員還可以通過屏幕跟蹤鉆孔進程，如鉆孔角度，鑿巖機壓力，鉆進速度和鉆孔的實際深度。做到軟巖硬打、硬巖快打；小風壓頂著打，不見硬巖不加壓，勤看、勤聽、勤檢查。鉆完孔后，鉆機輔助工用皮尺測量、確認炮孔達到設(shè)計孔深后，對炮孔孔口封口保護，某一礦山的鉆爆預(yù)裂效果如圖7所示。

圖7 礦山預(yù)裂爆破效果Fig.7 Effect of pre-splitting blasting in mines

2.3 炮孔驗收

鉆孔精度受到鉆機性能、巖層特性和操作人員技術(shù)水平等因素的影響，鉆孔質(zhì)量的好壞直接影響爆破效果。如果炮孔的位置偏離了設(shè)計要求，就會改變炮孔抵抗線大小和方向，改變孔距和排距，從而產(chǎn)生大量的大塊和飛石，增加根底和后沖。故裝藥前必須驗收炮孔，并確定礦山炮孔偏差允許標準。如果使用吊尺測量孔深時，孔深小于設(shè)計孔深且超出允許標準應(yīng)進行洗孔或重新穿孔；孔深大于設(shè)計孔深且超出允許標準應(yīng)回填炮孔至設(shè)計孔深。所以，采用炮孔測偏儀測量炮孔偏差，不僅保證鉆孔質(zhì)量，還可以根據(jù)測量結(jié)果對鉆機手進行考核，使其充分認識鉆孔精度的重要性，充分發(fā)揮操作者的主觀能動性。

2.4 裝藥

使用吊尺或炮棍測量裝藥情況，保證填塞長度和裝藥量符合設(shè)計要求，防止過量裝藥。裝藥過程中取樣使用電子稱和量杯測量炸藥密度，確保炸藥密度符合要求。同時，在裝藥時采用爆速儀隨機測量炮孔炸藥的爆轟速度，確保炸藥性能滿足要求。

3 管理精細化

爆破工程是一項高危行業(yè)，為識別潛在風險，確保爆破質(zhì)量和安全，在露天礦山爆破中引進先進的管理工具和手段，如爆破現(xiàn)場檢查核對單、工作安全分析表、標準化作業(yè)程序等來實現(xiàn)精細化管理。

3.1 爆破現(xiàn)場檢查核對單

參考地下煤礦的一炮三檢制度，建立爆破前后檢查核對單制度。檢查核對裝藥前、爆破前、爆破后三個環(huán)節(jié)，上一環(huán)節(jié)檢查不合格不得進入下一環(huán)節(jié)作業(yè)，將影響質(zhì)量和安全的隱患消滅在萌芽狀態(tài)。檢查確認單上須有爆破負責人和相關(guān)人員簽字，便于責任人的追溯。如裝藥前確認爆破作業(yè)人員是否穿戴了防護用品，孔深、炮孔抵抗線是否符合要求，炮孔是否進行了排水等；炮孔爆破前檢查確認裝藥密度、填塞高度、起爆網(wǎng)路是否符合要求，人員、設(shè)備是否安全撤離，爆破通知是否發(fā)出等；爆破后檢查有無盲炮，爆堆、爆破后沖是否符合要求。

3.2 工作安全分析表

工作安全分析表是非常有效的安全管理工具，它將新工作或尚未確認危險的工作分成各項具體的環(huán)節(jié)或工作步驟，分析、確認每個環(huán)節(jié)和工作步驟中潛在的危險，評估危險等級，并提出相應(yīng)的風險控制措施。如牙輪鉆機鉆孔作業(yè)時存在高壓觸電風險，需穿戴好絕緣鞋和手套；用絕緣鉤移動電纜，查看電纜是否有損壞；測試機身是否帶電。工作安全分析要求全員參與、群策群力，才能發(fā)揮最大作用、不遺漏任何危險源，并提出合理、可行的安全控制措施。工作安全分析完成后，每個員工工作前接受培訓，使作業(yè)人員了解其工作存在的所有風險并掌握相關(guān)防范措施。

3.3 標準化作業(yè)程序

爆破標準作業(yè)程序是將爆破工作的標準操作步驟和要求以統(tǒng)一的格式描述出來，用來指導(dǎo)和規(guī)范日常的爆破作業(yè)。它將爆破作業(yè)過程分解為布孔、鉆孔、驗孔、裝藥、起爆和警戒等獨立工作，分析各工作的流程、要求和標準、注意事項，常見問題和異常情況的處理等。制定標準作業(yè)程序后，作業(yè)人員遵照執(zhí)行，促進爆破項目現(xiàn)場作業(yè)規(guī)范化、標準化，提高工作質(zhì)量和工作效率，保障作業(yè)安全[4]。

4 結(jié)語

隨著爆破裝備水平、爆破器材的質(zhì)量和精度的提高，計算機技術(shù)的發(fā)展，爆破測量工具的研發(fā)和引進，以及先進的管理理念和管理工具手段的引入，礦山精細化爆破實施條件已經(jīng)具備。筆者在深入研究精細爆破理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年爆破工程實踐，嘗試探索了一套露天礦山精細化爆破技術(shù)，并將這套技術(shù)在太鋼嵐縣袁家村鐵礦、內(nèi)蒙古太平礦業(yè)長山壕金礦、新疆烏恰縣紫金鋅業(yè)烏拉根鉛鋅礦、新疆阿爾格敏露天煤礦等礦山項目上進行了應(yīng)用實驗，取得了預(yù)期效果。希望能以此為基礎(chǔ)與同行進行深入討論，提升爆破標準化和精細化水平，進一步豐富精細化爆破理論。