国内外露天矿山台阶爆破技术

文章编号 : 1006 - 7051(2004) 02 - 0054 - 05 国内外露天矿山台阶爆破技术 沈立晋1 ,2 , 刘　颖2 , 汪旭光2 (1. 北京科技大学 ,北京 100083 ; 2. 北京矿冶研究总院 ,北京 100044) 摘 　要 : 综合介绍了国内外露天台阶爆破技术 ,系统阐述了近年来在台阶爆破 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、计算机辅助设计 系统、GPS 钻孔定位、预装药等技术方面的新进展 ,详述了国内外露天矿台阶控制爆破技术在爆破参数 设计、钻孔、药包布设、起爆系统、爆破安全、装药机械化以及计算机应用等方面的最新成果。最后 ,对我 国露天矿台阶爆破技术的今后发展方向提出看法。 关键词 : 台阶爆破 ; 露天矿 ; 爆破设计 ; 计算机应用 中图分类号 : TD804 ; TD235. 33 　　　　文献标识码 : A B ENCH BLASTIN G TECHN IQU E IN OPEN PIT M IN ES A T HOM E AND ABROAD S HEN L i2ji n1 ,2 , L IU Ying2 , W A N G X u2guang2 (1 . U niversity of Science and Technology Beiji ng , Beiji ng 100083 , China ; 2 . Beiji ng General Research Instit ute of M ining and Metall urgy , Beiji ng 100044 , China) ABSTRACT : Bench blasting technique in open pit mines at home and abroad is introduced. The recent progress in bench blasting design ,computer aided design system , GPS drilling position ,pre2charging and other techniques at home and abroad are systematically expounded. The last achievements of bench blasting technique in open pit mines at home and abroad are expatiated in terms of blasting parameters design ,charge pattern ,initiation sys2 tem ,blasting safety , mechanized loading and computer application etc. Finally , new views on developing bench blasting technique in open pit mines in China are presented. KEY WORDS : Bench blasting ; Open pit mines ; Blasting design ; Computer application 收稿日期 : 2003 - 11 - 25 作者简介 : 沈立晋 ,北京科技大学、北京矿冶研究总院联合培养 博士生。 　　露天矿台阶爆破是矿山生产的基本手段。目 前 ,国内外一些大型矿山采用大孔径钻机 ,实现大 区、多排微差深孔爆破 ,对孔网参数、装药结构、填塞 方法、起爆顺序、微差间隔时间都进行了比较深入地 研究 ,爆破技术的改进大大提高了矿山生产的综合 生产效率。另外 ,随着钻孔机具设备的更新、工业炸 药和雷管质量的不断提高 ,新品种炸药和高精度、多 段位毫秒电雷管、非电雷管及数码电子雷管的使用 , 深孔 (台阶)爆破技术的应用得到了进一步的发展。 本文叙述了近年来美国、澳大利亚、加拿大、瑞典、南 非、日本、俄罗斯及中国等国家露天台阶爆破技术的 进展情况 ,总体上可归纳为以下几点 : ①设计、钻孔、 装药及装载等工序运用监控技术 ,逐步实现机械化、 自动化 ; ②广泛采用顺序爆破和孔内分段微差爆破 技术 ; ③根据岩性的不同 ,选择合理的爆破参数以 及合适的炸药品种 ; ④采用计算机辅助设计系统 ; ⑤采用数据收集系统 ,该系统能提供矿山设备及生 产设施的准确位置 ; ⑥通过数字矿山模型 ,将矿山 计算机辅助设计系统和矿山设备相互结合并有效控 制其动态。这些技术特点可为我国露天台阶爆破的 设计和应用提供参考和借鉴。 第 1 0 卷 　第 2 期 2 0 0 4 年 6 月 　　　　　　　　　　　　　　 工程爆破 EN GINEERIN G BLASTIN G　　　　　　　　　　　　　　　 Vol110 , No12 J une 　2004 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 1 　钻孔技术与 GPS 技术〔1〕 钻孔技术常被工程爆破界忽视 ,然而钻孔技术 是爆破设计者实现其意图的基础 ,也是管理者投入 精力和资金最多的专业。总的来说 ,我国工程爆破 的基础理论研究与施工技术并不落后 ,特别是中国 工程爆破协会成立后 ,积极开展对外技术交流与合 作 ,使我国工程爆破水平推向一个新的阶段。但一 些问题也较突出 ,如钻孔设备和钎具材料在质量上 与国外相比有较大差距。 目前国外较为著名的钻孔设备公司有四 家〔1 ,2〕:瑞典的阿特拉斯·科普科 (Atlas Copco) 公 司、美国英格索兰 ( Ingersoll2Rand)公司、日本大河公 司和芬兰的汤姆洛克公司。但是近年来 ,最为著名 的露天钻机设备公司 - 布塞鲁斯国际公司 (Bucyrus Erie) - 新推出的 39R 型柴油式钻机 ,可钻直径达 311mm 炮孔 ,钻头最大负荷为 40800kg。该公司宣 称 39R 型是当今市场上效率最高、维修最方便的一 种钻机。在国外露天钻孔爆破作业中 ,大量采用 GPS 和 GLONASS 卫星定位技术 ,不仅可以提高钻 孔效率 ,而且还可降低钻孔爆破费用。精确的炮孔 与机载监控信息有机配合 ,可取得良好的效果。如 在加拿大海兰瓦利铜矿 ,采用 GPS 技术且通过钻机 机载计算机系统进行钻孔定位 ,所获得的钻孔定位 偏差不大于 011m。钻孔作业时 ,与爆破有关的炮孔 位置和其他地形特征存储在钻机上 ,当钻机在爆破 网路地图覆盖的范围内移动时 ,移动地图显示器能 够自动显示正确网路。当钻机越来越接近一个炮孔 时 ,地图显示器的比例自动变化 ; 当钻机正确定位 后 ,机载软件就自动确定孔口高程 ,同时调节钻孔深 度 ,使台阶高度保持一定〔2〕。采用卫星定位技术可 减少传统的测量工作 ,节省费用。同时 ,卫星定位能 够使钻孔数据直接传递给装药车 ,实现钻孔、装药过 程的自动化。由此可见 ,利用设备操作信息来提高 露天开采效率是今后的主要发展趋势。 在美国 ,已有多种新技术用于露天开采 ,其中不 仅有先进的数字计算技术设备 ,而且还有精确可靠 的 GPS 全球卫星定位系统、高速高频双向无线数据 通信技术、平面显示器等。同时 ,这些新技术还是目 前正在开发的各种矿山控制系统的基础〔3 ,4〕。 2 　台阶爆破设计 211 　孔径 炮孔直径是控制炮孔的爆炸能力达到预定爆破 作用的一个基本因素 ,增大炮孔直径不仅能提高炸 药的传爆性能 ,而且炸药威力增大 ,爆破效率提高 , 有利于加快施工进度。目前国外一般露天矿使用的 孔径分为小孔 (50～100mm) 、中孔 (100～254mm) 、 大孔 (254～355mm) 和特大孔 (355～445mm) 四种。 近年来 ,所使用的孔径有增大的趋势〔5〕。 国外爆破规模普遍较大 ,一次爆破量一般为 35 ～70 万 t 。大型露天矿都采用高台阶大孔径爆破 , 台阶高度为 14～29m ,孔径为 310～414mm。中小 型矿山的台阶高度为 6 ～ 12m , 孔径为 150 ～ 172mm。目前国内露天矿 ,除受矿岩节理裂隙严重 影响外 ,一般孔径为 200～310mm。几个矿山的主 要爆破参数和技术指标列于表 1〔6 ,7〕。 　 表 1 　国内外一些露天矿爆破参数及有关指标 Table 1 　Blasting parameters and relative indices of some open2pit mines at home and abroad 矿山名称 台阶高度/ m 孔径/ mm 超深/ m 单耗/ (kg·m - 3) 孔网参数/ m ×m 炸药种类 澳大利亚罗泊河铁矿 15～20 280 2～3 0177 916 ×914 10 ×817 乳化炸药、铵油炸药、重铵油炸药 澳大利亚帕拉布杜铁矿 14 310 215～310 0138～0189 815 ×715 铵油炸药、重铵油炸药 美国鹰山铁矿 6～12 150～172 016 015 415 ×415 铵油炸药 中国大孤山铁矿 12 250 215～315 0156～0176 (515～615) ×(6～7) 铵油炸药 ,袋装乳化炸药 中国南芬铁矿 12 200～310 115～215 0164～112 (415～615) ×(3～615) 铵油炸药 ,散装乳化炸药 加拿大基德湾铜锌铅矿 12～15 250～310 0113～0127 (6～715) ×(715～9) 浆状、铵油炸药 前苏联依林矿务局露天铁矿 15 250 310 014～01975 5 ×5～5 ×6～6 ×7 铵梯炸药 212 　最小抵抗线 ( W) 的设计 露天台阶爆破设计 ,最小抵抗线是一个最重要 的参数。采用过大的最小抵抗线时会造成根底多、 大块率高、后冲作用大、爆破震动大 ,而且爆炸有效 能降低 ,并有可能产生根底 ; 当最小抵抗线过小时 不仅浪费炸药、增大钻孔工作量 ,而且岩块易抛散和 产生飞石危害以及较大的空气冲击波〔5 ,8～12〕。 最小抵抗线与所采用的爆破方法、岩石性质、装 ·55·沈立晋 ,等 : 国内外露天矿山台阶爆破技术 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 药条件、装药量、装药体积、自由面数和炮孔直径等 因素有关。常见的计算公式有 : W = E ·D (1) 式中 D 为炮孔直径 , m ; E 是与炸药、岩性有关的系 数。在铵油炸药密度为 0185g/ cm3 情况下 ,常用的 E 值和岩性的关系[5 ] 如下 : 　　　　岩性 　　　　　　　　　 E 值 低密度软岩 (密度 2120g/ cm3) 28 中等密度岩石 (密度 2170g/ cm3) 25 高密度岩石 (密度 3139g/ cm3) 23 以上求得的 W 值只是近似值 ,还需通过现场试 验对 W 值作必要的调整。 Langefors 的最小抵抗线计算公式最为著名 ,因 为它是以数千次爆破实践得来的经验数据为依据建 立的。Langefors 公式是根据炮孔爆破破碎效果与 距离的关系 ,得到单排孔同时起爆时最小抵抗线的 计算公式〔11～13〕: W = D33 P ·sŠC ·f ·( a/ b) 1/ 2 (2) 式中 : D 为炮孔直径 , mm ; s 为相对于瑞典 dynamite 炸药的重量威力 (即炸药换算系数) ,铵油 炸药 s = 0184 ; P 为装药密度 (kg/ dm3) , P = 1127 ×103 ·l / D2 , l 为线装药密度 (kg/ m) ; ŠC 为岩石常 数 C 的修正值 , 在 W = 114 ～ 15m 时 , ŠC = C + 0105 ; f 为夹制系数 , f = 3/ (3 + tgα) ,α为炮孔与 垂直面的夹角 ,直立孔 f = 1 ; 3 ∶1 的倾斜孔 , f = 0195 ; a/ b 为孔间距与排间距的比值 ,对台阶爆破 , a/ b = 1125 ,光面爆破 a/ b = 017。 1998 年 Dr. Pal. Roy 和 Sri1R1B1Singh 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了 印度近 50 个露天矿山开采的资料 ,得到适合不同地 质条件的计算最小抵抗线和炮孔间距的关系〔2〕: W = H ·5193 DeDh RQD + 0137 LC (3) a = 113 b - 4 LC · 1RQD (4) 式中 De 为药卷直径 ,mm ; Dh 为炮孔直径 ,mm ; L 为装药密度 , kg/ m ; C为装药系数 , kg/ m3 ; RQD 为 岩石质量指标 ,定义为岩芯取样时大于 10cm长的岩 芯占岩芯总长度的百分比 ,也可用下式计算 : RQD = 115 - 313J v (5) 式中 J v 为单位体积的节理数 ,当 J v < 415 时 , RQD = 100。 213 　装药结构 装药结构按炸药种类有单一装药结构和组合装 药结构。单一装药结构是在孔内装同一品种和密度 的炸药 ; 组合装药结构是在孔底装高威力炸药 ,在 孔上部、中部装威力较低的炸药。不同岩性装不同 性能的炸药 ,甚至在同一炮孔内 ,岩石性质差异较大 时 ,也分装不同性能炸药。现将近几年来国内外装 药结构作一介绍。 21311 　水耦合装药〔14〕 国内仓上金矿为控制飞石、降低爆破地震 ,采用 水耦合装药 ,孔径 D = 150mm ,药径 d = 76mm。该 法药装在震源弹壳中一节一节连接起来装入孔中 , 装好药后灌水。底部用一般装药克服底盘抵抗线 ,上 部灌水高度 h 必须大于炮孔最小抵抗线且满足 h = (20 ～ 30) D。现场爆破取得良好效果 :对 10m 以上 深孔 ,节省炸药 37 % ,爆岩块度均匀 ,无大块、无飞 石且爆堆集中 ,平均降震率达 3113 %。对仓上金 矿 ,仅节省炸药一顶 ,每年有 100 万元以上经济效 益。 21312 　深孔底部空腔爆破〔14〕 底部空腔爆破是在炮孔底部采用空心竹筒或塑 料筒堵塞 ,堵塞高度不大于超深高度 ,一般取 018～ 112m。国内东鞍山铁矿采用该法 ,其爆破参数为 : 台阶高度 13m , 孔径 260 ～ 270mm , 超深不小于 110m(大多采用超深 115m) ,底部装塑料筒或竹筒 (长约 113～115m) 。与连续装药比较 ,炸药单耗降 低 1616 % ,大块率降低 50 % ,远区地震强度降低 28 %～36 %。 21313 　国外空气间隙装药 (气隙装药)技术〔15〕 澳大利亚在两个矿山中全面应用气隙技术 ,使 得炸药和爆破费用大幅度降低。其技术特点是在炮 孔内放置一个可膨胀的塞子以使填塞柱保持一定高 度 ,填塞柱使空气冲击波降低到最小 ,同时密封炮 孔 ,以便形成一个密闭腔 ,有利于爆炸冲击波和爆生 气体的作用。气隙装药技术的使用可使炮孔内的能 量分配更为合理 ,排除或减少在弱岩中的过破碎情 况。通过试样研究表明 ,气隙置于装药之中效果最 佳。 21314 　孔内多段装药〔2 ,7〕 国外大型矿山或采石场深孔装药的起爆弹或雷 管 ,一般一个孔内装两个 ,其中底部装一个 ,另一个 有的装在药段中部 ,有的装在上部 ,也有的绑在孔中 导爆索的引出端。若在一个炮孔内装填三种以上炸 药 ,那么底部装高威力乳化炸药 ,中部装重铵油炸 药 ,上部装多孔粒状铵油炸药。起爆顺序上 ,孔内分 段为二段时先爆下后爆上 ;有三段以上时 ,先爆中间 ·65· 工 　程 　爆 　破 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 再爆下部 ,最后爆上部。 214 　微差时间与起爆系统 微差时间的确定根据岩性、爆破孔网参数和爆 破 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 不同变化范围很大。为了降低台阶重要位置 处的爆破震动 , Tatsuya Heshibo 等〔7〕提出了一个新 的设计方法 ———“复合微差爆破法”,该法可估算出 爆破震动时间历程及其峰值质点速度。一般情况 下 ,同排孔间微差时间Δt孔 ≥25ms ,排间微差时间 Δt排一般取 25～75ms ,硬岩取小值 ,软岩取大值。 若采用“孔内多段装药 ,由下而上微差起爆”时 ,一般 分 3～4 个分段 ,每段一般取 10～25ms。 当要求严格控制空气冲击波及飞石时 ,则Δt排 或Δt孔 ≥7 a (ms) ,其中 a 为孔间距 (m) 。当要求严 格控制地震波时 ,要求Δt孔 或Δt排 ≥50 (ms) ,这样 可将各段起爆药量看成单独震源 ,叠加的可能性大 大降低〔5〕。 日本、瑞典的研究人员通过计算机模型计算爆 区内每个炮孔振动的叠加 ,研究了质点峰值速度与 孔间微差时间的关系。美国奥斯汀 (Austin) 公司的 Sames F 等人 ,借助现代信号分析技术处理爆破震 动信号 ,得出了爆破震动与爆破参数、起爆时间及其 整个爆破历时等参数之间的关系。所有上述这些成 果的取得 ,对于露天台阶爆破改善块度、扩大爆破规 模和降震等目的具有重大的意义。 对于露天台阶爆破 ,电起爆与非电起爆仍是最 常用的起爆方法〔2 ,7 ,14 ,16〕。非电起爆系统 ,包括塑 料导爆管起爆系统、导爆索继爆管起爆系统、复式起 爆网路等 ,其中使用最多的是塑料导爆管起爆系统。 该系统采用接力起爆网路 ,孔内采用高段位雷管 ,孔 外用低段位雷管。1994 年 12 月我国在环胶州湾高 速路路堑开挖工程中 ,采用多排深孔毫秒微差接力 网路爆破技术 , 实现了一次爆破开挖成型长达 470m、深 10m 的路堑。一次爆破 203 排、3080 个炮 孔 ,总爆破方量 1115 万 m3 ,总装药量 7318t 。这次 全路堑、超多排、超多段 (594 响) 深孔拉槽控制爆破 的成功 ,标志着我国大型深孔爆破技术具有世界级 水平。 目前 ,国外开发研制出的数码电子雷管技术在 世界一些国家的矿山或采石场进行一系列生产应用 试验。试验表明 :数码电子雷管起爆系统的高精度 和高可靠性 ,对发火时刻设定的灵活性 ,对静电、射 频电和杂散电流的固有安全性 ,对起爆系统的事前 可测控性 ,都是现有其他起爆系统所无法比拟的。 另外 ,采用该技术有助于减少边坡破坏 ,减少露天矿 爆破根底 ,能大幅度降低爆破震动 ,有效控制爆破地 震频率〔17 ,18〕。但是数码电子雷管要全面取代电或 非电起爆系统 ,还需一段时间 ,因为数码电子雷管的 电子延期起爆系统的组网能力还较小 ,不能满足大 规模爆破作业的起爆网路要求。另外 ,电子雷管的 成本太高。 215 　计算机辅助设计系统不断完善 爆破过程的计算机模拟是当前爆破领域研究的 前沿课题。尽管不同矿山的爆破设计程序有所差 别 ,但是一些主要矿山均采用计算机的辅助设计。 根据矿山统计资料 ,考虑矿岩性质、地质构造、爆区 形状和炸药类型来确定爆破 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、选定孔网参数、装 药量等参数。 戴诺·诺贝尔公司利用三种计算机程序进行爆 破方案设计 ,即 D YNOV IEV 程序、D YNACAD 程 序、BLASTEC 程序。利用这些程序可预测最可能 的爆破顺序以及地面震动情况。根据现有岩石和振 动数据可使爆破设计最优化〔7〕。 Preece D S 等人开发的三维离散元模型 DM2 CBLAST23D〔19〕是将二维模型沿 Z 方向扩展而得到 的。它既能构成深孔爆破台阶和坡面模型 ,又能构 成缓冲爆破模型。随着 DMCBLAST23D 技术的发 展 ,目前已经能够模拟爆破引起的三维岩石运动。 这将开创许多建模研究的可能性 ,如爆破过程中岩 石各层的三维运动 ,在台阶面或其它各处中三维异 常体的效应。DMCBLAST23D 技术还在不断发展 , 将很快兼容 DMCBLAST 技术所有的最初功能。它 的将来发展方向包括〔2〕: ①彩色三维炮孔显示 ; ② 3D 矿体位置及爆破诱发的矿体运动 ; ③3D 爆堆表 面绘图 ; ④在孔与孔基础上定义爆破分层。 3 　装药实现机械化 露天矿装药已完全实现了机械化 ,其中主要有 乳化炸药、铵油炸药或重铵油炸药混装车。国外矿 山爆破作业中比较广泛地推广预装药爆破技术 ,即 在钻机钻孔的同时 ,利用装药车装填已钻好的炮孔 , 边钻孔边装填炸药和起爆器材。当然 ,也有不实现 预装药的 ,即使如此 ,也不是全部钻完炮孔后才装药 的〔7〕。 由于成功地应用了由北京矿冶研究总院 (B GRIMM)研制开发的 BCRH225 型乳化炸药混装 车技术 ,实现了机械化快速装药 ,提高了装药质量及 生产效率 ,适合大中型露天矿山推广使用。 在加拿大海兰瓦利铜矿 ,利用计算机控制乳化 ·75·沈立晋 ,等 : 国内外露天矿山台阶爆破技术 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 炸药装药车可自动将炸药装入炮孔。澳大利亚奥瑞 凯 (Orica)公司混装车有两项技术值得借鉴 :一是爆 破装填用的多孔粒状 ANFO ,在装药现场附近的露 天作业台阶上直接进行掺混 ,所用设备仅一台轮胎 式、可方便拖行的大直径斜螺旋掺混机 ; 二是起爆 器材的现场储运、管理。一个大的露天煤矿 ,所用的 起爆器材均存放在采场边几个可搬运的仓库内。仓 库可由集装箱改装而成 ,各仓库间用废石料堆堤隔 开。 可以预见 ,将来人们 F 可在办公室将炮孔数据 连同装药指令一起传给装药车上的计算机 , GPS 定 位系统将使得机载计算机能够确定爆区各个炮孔的 位置、装药量 ,并自动调节炸药配比 ,进行装药作 业〔2〕。 4 　结束语 随着爆破器材新品种新技术的应用以及起爆控 制精度的不断提高 ,国外发达国家露天深孔台阶爆 破技术的应用越来越广泛。在设计、钻孔、装药及装 载等工序广泛运用计算机监控系统 ,利用钻孔采集 的地质资料 ,调整露天台阶爆破设计参数和装药结 构 ,预测爆破块度和爆破危害效应的影响 ,从而使得 深孔台阶爆破日益完善 ,爆破规模呈现越来越大的 趋势。同时 ,随着钻孔、装载等机械的高度发展和现 代化 ,国外发达国家其钻孔、装药、填塞各工序不仅 机械化程度高 ,而且配套 ,比较全面地推广了预装药 爆破技术。目前 ,建立全自动露天矿开采所需的基 本技术条件已经具备 ,国内外正大力开发智能监督 管理系统 ,以求实现露天开采的完全自动化。我国 现有大中型露天矿的深孔台阶爆破的钻孔、装药、填 塞工序的机械化水平较高 ,但仍需要配套推广 ,提高 自动化程度。要学习推广国外大型矿山爆破生产的 先进技术设备 ,加强矿山机械设备运行的数据采集、 计算机处理、优化爆破方案设计 ,改进爆破效果。同 时我们要加强爆破作业机械的技术更新改造 ,研究 并发展国产机械设备。可以预料 ,随着国产机具占 有率的提高 ,我国爆破行业的技术进步一定会大大 加速 ,安全技术管理水平也会进一步提高。 参考文献 : 〔1〕Chadwick J . Positioning and communication [ J ] . 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