台階爆破

台階爆破又稱為階梯爆破，是指以台階形式推進的石方爆破方式。台階爆破按照孔徑、孔深的不同分為深孔台階爆破和淺孔台階爆破。露天礦台階爆破是礦山生產的基本手段。國內外一些大型礦山採用大孔徑鑽機，實現大區、多排微差深孔爆破，對孔網參數、裝藥結構、填塞方法、起爆順序、微差間隔時間都進行了比較深入地研究，爆破技術的改進大大提高了礦山生產的綜合生產效率。另外，隨着鑽孔機具設備的更新、工業炸藥和雷管質量的不斷提高，新品種炸藥和高精度、多段位毫秒電雷管、非電雷管及數碼電子雷管的使用，深孔(台階) 爆破技術的應用得到了進一步的發展。

近年來美國、澳大利亞、加拿大、瑞典、南非、日本、俄羅斯及中國等國家露天台階爆破技術的進展情況，總體上可歸納為以下幾點:

① 計、鑽孔、裝藥及裝載等工序運用監控技術，逐步實現機械化、自動化；

② 廣泛採用順序爆破和孔內分段微差爆破技術；

③ 根據巖性的不同，選擇合理的爆破參數以及合適的炸藥品種；

④ 採用計算機輔助設計系統；

⑤ 用數據收集系統，該系統能提供礦山設備及生產設施的準確位置；

⑥ 通過數字礦山模型，將礦山計算機輔助設計系統和礦山設備相互結合並有效控制其動態。這些技術特點可為我國露天台階爆破的設計和應用提供參考和借鑑 ^[1]  。

鑽孔技術常被工程爆破界忽視，然而鑽孔技術是爆破設計者實現其意圖的基礎，也是管理者投入精力和資金最多的專業。總的來説，我國工程爆破的基礎理論研究與施工技術並不落後，特別是中國工程爆破協會成立後，積極開展對外技術交流與合作，使我國工程爆破水平推向一個新的階段。但一些問題也較突出，如鑽孔設備和釺具材料在質量上與國外相比有較大差距。

國外較為著名的鑽孔設備公司有四家:瑞典的阿特拉斯·科普科(Atlas Copco)公司、美國英格索蘭( Ingersoll2Rand)公司、日本大河公司和芬蘭的湯姆洛克公司。但是近年來，最為著名的露天鑽機設備公司-布塞魯斯國際公司(BucyrusErie) - 新推出的39R型柴油式鑽機，可鑽直徑達311mm炮孔，鑽頭最大負荷為40800kg。該公司宣稱39R型是當今市場上效率最高、維修最方便的一種鑽機。在國外露天鑽孔爆破作業中，大量採用GPS和GLONASS 衞星定位技術，不僅可以提高鑽孔效率，而且還可降低鑽孔爆破費用。精確的炮孔與機載監控信息有機配合，可取得良好的效果。如在加拿大海蘭瓦利銅礦，採用GPS技術且通過鑽機機載計算機系統進行鑽孔定位，所獲得的鑽孔定位偏差不大於0.1m。鑽孔作業時，與爆破有關的炮孔位置和其他地形特徵存儲在鑽機上，當鑽機在爆破網路地圖覆蓋的範圍內移動時，移動地圖顯示器能夠自動顯示正確網路。當鑽機越來越接近一個炮孔時，地圖顯示器的比例自動變化； 當鑽機正確定位後，機載軟件就自動確定孔口高程，同時調節鑽孔深度，使台階高度保持一定。採用衞星定位技術可減少傳統的測量工作，節省費用。同時，衞星定位能夠使鑽孔數據直接傳遞給裝藥車，實現鑽孔、裝藥過程的自動化。由此可見，利用設備操作信息來提高露天開採效率是今後的主要發展趨勢。

在美國，已有多種新技術用於露天開採，其中不僅有先進的數字計算技術設備，而且還有精確可靠的GPS全球衞星定位系統、高速高頻雙向無線數據通信技術、平面顯示器等。同時，這些新技術還是正在開發的各種礦山控制系統的基礎 ^[2]  。

炮孔直徑是控制炮孔的爆炸能力達到預定爆破作用的一個基本因素，增大炮孔直徑不僅能提高炸藥的傳爆性能，而且炸藥威力增大，爆破效率提高，有利於加快施工進度。國外一般露天礦使用的孔徑分為小孔(50～100mm)、中孔(100～254mm)、大孔(254～355mm)和特大孔(355～445mm) 四種。近年來，所使用的孔徑有增大的趨勢。

國外爆破規模普遍較大，一次爆破量一般為35～70萬t 。大型露天礦都採用高台階大孔徑爆破，台階高度為14～29m ，孔徑為3.0～4.4mm。中小型礦山的台階高度為6～12m ， 孔徑為150～172mm。國內露天礦，除受礦巖節理裂隙嚴重影響外，一般孔徑為200～310mm。

露天台階爆破設計，最小抵抗線是一個最重要的參數。採用過大的最小抵抗線時會造成根底多、大塊率高、後衝作用大、爆破震動大，而且爆炸有效能降低，並有可能產生根底； 當最小抵抗線過小時不僅浪費炸藥、增大鑽孔工作量，而且巖塊易拋散和產生飛石危害以及較大的空氣衝擊波。

最小抵抗線與所採用的爆破方法、岩石性質、裝藥條件、裝藥量、裝藥體積、自由面數和炮孔直徑等因素有關。

裝藥結構按炸藥種類有單一裝藥結構和組合裝藥結構。單一裝藥結構是在孔內裝同一品種和密度的炸藥； 組合裝藥結構是在孔底裝高威力炸藥，在孔上部、中部裝威力較低的炸藥。不同巖性裝不同性能的炸藥，甚至在同一炮孔內，岩石性質差異較大時，也分裝不同性能炸藥。現國內外裝藥結構作一介紹。

1.水耦合裝藥

國內倉上金礦為控制飛石、降低爆破地震，採用水耦合裝藥，孔徑D = 150mm ，藥徑d = 76mm。該法藥裝在震源彈殼中一節一節連接起來裝入孔中，裝好藥後灌水。底部用一般裝藥克服底盤抵抗線，上部灌水高度h 必須大於炮孔最小抵抗線且滿足h=(20～30)D。現場爆破取得良好效果:對10m以上深孔，節省炸藥37 % ，爆巖塊度均勻，無大塊、無飛石且爆堆集中，平均降震率達31.3 %。對倉上金礦，僅節省炸藥一頂，每年有100萬元以上經濟效益。

2.深孔底部空腔爆破

底部空腔爆破是在炮孔底部採用空心竹筒或塑料筒堵塞，堵塞高度不大於超深高度，一般取0.8～1.2m。國內東鞍山鐵礦採用該法，其爆破參數為:台階高度13m ， 孔徑260 ～ 270mm ， 超深不小於110m(大多采用超深1.5m) ，底部裝塑料筒或竹筒(長約1.3～1.5m) 。與連續裝藥比較，炸藥單耗降低16.6 % ，大塊率降低50 % ， 遠區地震強度降低28 %～36 %。

3.國外空氣間隙裝藥(氣隙裝藥)技術

澳大利亞在兩個礦山中全面應用氣隙技術，使得炸藥和爆破費用大幅度降低。其技術特點是在炮孔內放置一個可膨脹的塞子以使填塞柱保持一定高度，填塞柱使空氣衝擊波降低到最小，同時密封炮孔，以便形成一個密閉腔，有利於爆炸衝擊波和爆生氣體的作用。氣隙裝藥技術的使用可使炮孔內的能量分配更為合理，排除或減少在弱巖中的過破碎情況。通過試樣研究表明，氣隙置於裝藥之中效果最佳。

4.孔內多段裝藥

國外大型礦山或採石場深孔裝藥的起爆彈或雷管，一般一個孔內裝兩個，其中底部裝一個，另一個有的裝在藥段中部，有的裝在上部，也有的綁在孔中導爆索的引出端。若在一個炮孔內裝填三種以上炸藥，那麼底部裝高威力乳化炸藥，中部裝重銨油炸藥，上部裝多孔粒狀銨油炸藥。起爆順序上，孔內分段為二段時先爆下後爆上；有三段以上時，先爆中間再爆下部，最後爆上部。

微差時間的確定根據巖性、爆破孔網參數和爆破要求不同變化範圍很大。為了降低台階重要位置處的爆破震動， Tat suya Heshibo等提出了一個新的設計方法——“複合微差爆破法”，該法可估算出爆破震動時間歷程及其峯值質點速度。一般情況下，同排孔間微差時間Δt孔≥25ms ，排間微差時間Δt排一般取25～75ms ，硬巖取小值，軟巖取大值。若採用“孔內多段裝藥，由下而上微差起爆”時，一般分3～4 個分段，每段一般取10～25ms。

當要求嚴格控制空氣衝擊波及飛石時，則Δt排或Δt孔≥7 a (ms) ，其中a 為孔間距(m) 。當要求嚴格控制地震波時，要求Δt孔或Δt排≥50 (ms) ，這樣可將各段起爆藥量看成單獨震源，疊加的可能性大大降低。

日本、瑞典的研究人員通過計算機模型計算爆區內每個炮孔振動的疊加，研究了質點峯值速度與孔間微差時間的關係。藉助現代信號分析技術處理爆破震動信號，得出了爆破震動與爆破參數、起爆時間及其整個爆破歷時等參數之間的關係。所有上述這些成果的取得，對於露天台階爆破改善塊度、擴大爆破規模和降震等目的具有重大的意義。

對於露天台階爆破，電起爆與非電起爆仍是最常用的起爆方法。非電起爆系統，包括塑料導爆管起爆系統、導爆索繼爆管起爆系統、複式起爆網路等，其中使用最多的是塑料導爆管起爆系統。該系統採用接力起爆網路，孔內採用高段位雷管，孔外用低段位雷管。

國外開發研製出的數碼電子雷管技術在世界一些國家的礦山或採石場進行一系列生產應用試驗。試驗表明:數碼電子雷管起爆系統的高精度和高可靠性，對發火時刻設定的靈活性，對靜電、射頻電和雜散電流的固有安全性，對起爆系統的事前可測控性，都是現有其他起爆系統所無法比擬的。

另外，採用該技術有助於減少邊坡破壞，減少露天礦爆破根底，能大幅度降低爆破震動，有效控制爆破地震頻率。但是數碼電子雷管要全面取代電或非電起爆系統，還需一段時間，因為數碼電子雷管的電子延期起爆系統的組網能力還較小，不能滿足大規模爆破作業的起爆網路要求。另外，電子雷管的成本太高 ^[3]  。

爆破過程的計算機模擬是當前爆破領域研究的前沿課題。儘管不同礦山的爆破設計程序有所差別，但是一些主要礦山均採用計算機的輔助設計。根據礦山統計資料，考慮礦巖性質、地質構造、爆區形狀和炸藥類型來確定爆破方案、選定孔網參數、裝藥量等參數。

利用三種計算機程序進行爆破方案設計， 即DYNOVIEV程序、DYNACAD程序、BLASTEC程序。利用這些程序可預測最可能的爆破順序以及地面震動情況。根據現有岩石和振動數據可使爆破設計最優化。

這將開創許多建模研究的可能性，如爆破過程中岩石各層的三維運動，在台階面或其它各處中三維異常體的效應。DMCBLAST23D技術還在不斷髮展，將很快兼容DMCBLAST技術所有的最初功能。它的將來發展方向包括:

①色三維炮孔顯示；

②3D礦體位置及爆破誘發的礦體運動；

③3D爆堆表面繪圖；

④在孔與孔基礎上定義爆破分層 ^[2]  。

露天礦裝藥已完全實現了機械化，其中主要有乳化炸藥、銨油炸藥或重銨油炸藥混裝車。國外礦山爆破作業中比較廣泛地推廣預裝藥爆破技術，即在鑽機鑽孔的同時，利用裝藥車裝填已鑽好的炮孔，邊鑽孔邊裝填炸藥和起爆器材。當然，也有不實現預裝藥的，即使如此，也不是全部鑽完炮孔後才裝藥的。

由於成功地應用了由北京礦冶研究總院(BGRIMM)研製開發的BCRH225型乳化炸藥混裝車技術，實現了機械化快速裝藥，提高了裝藥質量及生產效率，適合大中型露天礦山推廣使用。

在加拿大海蘭瓦利銅礦，利用計算機控制乳化炸藥裝藥車可自動將炸藥裝入炮孔。澳大利亞混裝車有兩項技術值得借鑑:一是爆破裝填用的多孔粒狀ANFO，在裝藥現場附近的露天作業台階上直接進行摻混，所用設備僅一台輪胎式、可方便拖行的大直徑斜螺旋摻混機； 二是起爆器材的現場儲運、管理。一個大的露天煤礦，所用的起爆器材均存放在採場邊幾個可搬運的倉庫內。倉庫可由集裝箱改裝而成，各倉庫間用廢石料堆堤隔開。

可以預見，將來人們可在辦公室將炮孔數據連同裝藥指令一起傳給裝藥車上的計算機，GPS定位系統將使得機載計算機能夠確定爆區各個炮孔的位置、裝藥量，並自動調節炸藥配比，進行裝藥作業 ^[3]  。

隨着爆破器材新品種新技術的應用以及起爆控制精度的不斷提高，國外發達國家露天深孔台階爆破技術的應用越來越廣泛。在設計、鑽孔、裝藥及裝載等工序廣泛運用計算機監控系統，利用鑽孔採集的地質資料，調整露天台階爆破設計參數和裝藥結構，預測爆破塊度和爆破危害效應的影響，從而使得深孔台階爆破日益完善，爆破規模呈現越來越大的趨勢。同時，隨着鑽孔、裝載等機械的高度發展和現代化，國外發達國家其鑽孔、裝藥、填塞各工序不僅機械化程度高，而且配套，比較全面地推廣了預裝藥爆破技術。建立全自動露天礦開採所需的基本技術條件已經具備，國內外正大力開發智能監督管理系統，以求實現露天開採的完全自動化。我國現有大中型露天礦的深孔台階爆破的鑽孔、裝藥、填塞工序的機械化水平較高，但仍需要配套推廣，提高自動化程度。要學習推廣國外大型礦山爆破生產的先進技術設備，加強礦山機械設備運行的數據採集、計算機處理、優化爆破方案設計，改進爆破效果。同時我們要加強爆破作業機械的技術更新改造，研究並發展國產機械設備。可以預料，隨着國產機具佔有率的提高，我國爆破行業的技術進步一定會大大加速，安全技術管理水平也會進一步提高 ^[3]  。