階梯爆破

階梯爆破又稱為台階爆破，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。目前，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，隨著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) 爆破技術的套用得到了進一步的發展。

基本介紹

• 中文名：階梯爆破
• 外文名：Ladder blasting
• 別稱：台階爆破
• 定義：以台階形式推進的石方爆破方式
• 分類：深孔台階爆破和淺孔台階爆破
• 學科：冶金工程

簡介

階梯爆破又稱為台階爆破，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。目前，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，隨著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) 爆破技術的套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 根據岩性的不同，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併有效控制其動態。這些技術特點可為我國露天台階爆破的設計和套用提供參考和借鑑。

鑽孔技術與GPS技術

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。總的來說，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。

目前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 衛星定位技術，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，機載軟體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。採用衛星定位技術可減少傳統的測量工作，節省費用。同時，衛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全球衛星定位系統、高速高頻雙向無線數據通信技術、平面顯示器等。同時，這些新技術還是目前正在開發的各種礦山控制系統的基礎。

台階爆破設計

孔徑

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。目前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。目前國內露天礦，除受礦岩節理裂隙嚴重影響外，一般孔徑為200～310mm。

最小抵抗線的設計

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、後沖作用大、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，而且岩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

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。不同岩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。現將近幾年來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線起來裝入孔中，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 % ，爆岩塊度均勻，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膠筒堵塞，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(大多採用超深1.5m) ，底部裝塑膠筒或竹筒(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套用氣隙技術，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，排除或減少在弱岩中的過破碎情況。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，那么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。

微差時間與起爆系統

微差時間的確定根據岩性、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峰值質點速度。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 ，硬岩取小值，軟岩取大值。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，研究了質點峰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，包括塑膠導爆管起爆系統、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膠導爆管起爆系統。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。

目前，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套用試驗。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。

計算機輔助設計系統不斷完善

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式有所差別，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，考慮礦岩性質、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。

利用三種電腦程式進行爆破方案設計， 即DYNOVIEV程式、DYNACAD程式、BLASTEC程式。利用這些程式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最佳化。

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技術還在不斷發展，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。