謝先啟 黃小武 姚穎康 何 理 伍 岳

(1.江漢大學(xué)精細(xì)爆破國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430056;2.武漢爆破有限公司,湖北 武漢 430056;3.武漢科技大學(xué)理學(xué)院,湖北 武漢 430065)

露天臺(tái)階爆破是在地面上以臺(tái)階形式開挖的石方爆破作業(yè)[1]，依據(jù)孔徑、孔深分為深孔臺(tái)階爆破和淺孔臺(tái)階爆破。其中，露天深孔臺(tái)階爆破技術(shù)的開采空間廣闊，方便應(yīng)用大型機(jī)械設(shè)備，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè);同時(shí)深孔臺(tái)階爆破的開采強(qiáng)度更高，生產(chǎn)規(guī)模大，便于引進(jìn)新技術(shù)、新方法。因此，露天深孔臺(tái)階爆破技術(shù)生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)效益好，在礦山、鐵道、公路、水利水電等建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，2005年3月，太原鋼鐵公司峨口鐵礦開展了大區(qū)多排深孔毫秒爆破，一次性爆破871個(gè)炮孔，共使用炸藥398.7 t，爆破礦巖130.3萬t，成為目前我國(guó)冶金礦山爆破規(guī)模最大的深孔臺(tái)階爆破作業(yè)。2018—2021年武漢爆破有限公司實(shí)施了鄂州花湖機(jī)場(chǎng)大規(guī)模石方爆破工程，采用GPS、無人機(jī)、電子雷管等先進(jìn)設(shè)備器材，精準(zhǔn)確定孔位、孔深、延期時(shí)間等關(guān)鍵爆破參數(shù)，量化設(shè)計(jì)、精心施工、精細(xì)管理，連續(xù)3個(gè)月炸藥消耗量均超過100 t/d，高峰期120 d完成2 000萬m3巖石的爆破與轉(zhuǎn)運(yùn)。21世紀(jì)以來，隨著鉆孔、挖裝和運(yùn)輸?shù)却笮驮O(shè)備的發(fā)展，以及數(shù)碼電子雷管和現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥等新技術(shù)的發(fā)展與普及[2-4]，露天深孔臺(tái)階爆破規(guī)模不斷擴(kuò)大，機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化水平不斷提高，進(jìn)入精細(xì)爆破發(fā)展階段。

精細(xì)爆破是開啟工程爆破高質(zhì)量發(fā)展的里程碑，其核心思想是爆炸能量釋放和介質(zhì)破碎過程的精確控制。歷經(jīng)十余年的發(fā)展，精細(xì)爆破理念及其技術(shù)體系日趨完善，并在土巖爆破、拆除爆破和特種爆破三大工程爆破領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)精細(xì)爆破的途徑主要有3個(gè)方面:①通過爆破效應(yīng)的定量分析和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)進(jìn)行量化設(shè)計(jì);②采用現(xiàn)代化的施工與管理技術(shù)實(shí)施精細(xì)作業(yè);③依托信息技術(shù)等實(shí)現(xiàn)爆破過程的監(jiān)測(cè)與反饋。本研究基于精細(xì)爆破理念[5-8]，主要從智能爆破設(shè)計(jì)、露天鑿巖設(shè)備、數(shù)碼電子雷管、現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥、裝藥結(jié)構(gòu)和起爆網(wǎng)路等方面梳理了露天深孔臺(tái)階爆破技術(shù)的研究進(jìn)展，并探討了露天深孔臺(tái)階爆破技術(shù)的研究發(fā)展方向。

1 智能爆破設(shè)計(jì)

露天深孔臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)內(nèi)容兩大部分，前者是方案設(shè)計(jì)的依據(jù)，后者是詳細(xì)的爆破參數(shù)。在獲取爆區(qū)地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、模擬分析和方案優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)定量化的爆破設(shè)計(jì)。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能科技的不斷進(jìn)步，以及三維激光掃描(圖1)、無人機(jī)(圖2)等攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展[9]，可為露天深孔臺(tái)階爆破的定量化設(shè)計(jì)提供豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，且預(yù)測(cè)分析和智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使得大規(guī)模露天石方爆破設(shè)計(jì)日益精準(zhǔn)化、可視化。施富強(qiáng)等[10-12]利用三維激光掃描技術(shù)獲取了爆破對(duì)象的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取了每個(gè)炮孔的準(zhǔn)確坐標(biāo)，不僅避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的人為誤差，而且可測(cè)量爆堆的巖石粒徑，任意剖面的坡面角度、長(zhǎng)度，從而方便定量評(píng)價(jià)整體爆破效果，實(shí)現(xiàn)爆破設(shè)計(jì)數(shù)字化及爆破效果的數(shù)字化評(píng)估。劉宇[13]使用低空無人機(jī)對(duì)露天煤礦臺(tái)階爆破區(qū)域進(jìn)行掃描，基于多視圖三維重建技術(shù)構(gòu)建了待爆區(qū)域的實(shí)景三維點(diǎn)云數(shù)字模型。

圖1 露天礦山三維激光掃描模型[10]Fig.1 3D laser scanning model of open-pit mine

圖2 露天土巖無人機(jī)三維航拍模型Fig.2 UAV 3D aerial photography model of open-pit earth rock

鄂州花湖機(jī)場(chǎng)大型石方爆破工程(圖3)中普遍采用無人機(jī)技術(shù)，在三維攝影測(cè)量、開拓路線設(shè)計(jì)、爆破效果分析等方面發(fā)揮了重要作用，為爆破方案設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了重要支撐。利用三維激光掃描或無人機(jī)遙感技術(shù)采集爆破環(huán)境信息，周期短、時(shí)效強(qiáng)，能夠快速且準(zhǔn)確地計(jì)算爆區(qū)面積和體積，節(jié)省大量人力和時(shí)間。

圖3 鄂州花湖機(jī)場(chǎng)大型石方爆破工程Fig.3 Rock blasting engineering on Huahu Airport in Ezhou City

基于三維數(shù)字模型，為提高露天臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)的科學(xué)性、規(guī)范性和便捷性，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者針對(duì)露天臺(tái)階爆破先后研發(fā)了智能爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)，典型的露天臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)如表1所示[14]。近年來，國(guó)外的爆破設(shè)計(jì)軟件正在朝著智能化方向發(fā)展，特別是在爆破效果預(yù)測(cè)方面得到了有效應(yīng)用，如JKSimBlast、IBlast、Maptek BlastLogic等。其中，最具代表性的是澳大利亞澳瑞凱(Orica)公司研發(fā)的SHOTPlus系列軟件，主要用于礦山日常生產(chǎn)爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前已發(fā)展到了第5代(SHOTPlus 5)，用戶可根據(jù)需要設(shè)置三維爆破區(qū)域，指定炮孔尺寸及位置，選擇炸藥類型及裝藥方式，設(shè)計(jì)起爆網(wǎng)路及延期時(shí)間，通過關(guān)聯(lián)電子起爆系統(tǒng)i-kon實(shí)現(xiàn)數(shù)字化起爆。國(guó)內(nèi)在爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)方面的研究起步較晚，研發(fā)的軟件大多是基于CAD環(huán)境下的二次開發(fā)，軟件功能較為簡(jiǎn)單。結(jié)合生產(chǎn)需求，各大施工企業(yè)及科研院校相繼研發(fā)了各具特色的爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)。例如，江西九江華易軟件有限公司研發(fā)了爆破設(shè)計(jì)云系統(tǒng)(圖4)，不僅具備SHOTPlus的設(shè)計(jì)功能，而且軟件界面和數(shù)學(xué)建模更加合理。中國(guó)葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司研發(fā)的eblast三維露天礦山爆破設(shè)計(jì)軟件，通過建立三維可視化模型，采用人機(jī)交互方式來編制爆破設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)爆破設(shè)計(jì)?；贏utoCAD二次開發(fā)系統(tǒng)，白潤(rùn)才等[15]采用C++語言開發(fā)了露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)，可通過多次演示優(yōu)化最佳的起爆順序和爆堆形狀，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，顯著提高了爆破管理水平與設(shè)計(jì)效率。趙明生等[16]運(yùn)用VC平臺(tái)、STL模板庫和OpenGL圖形庫開發(fā)了露天臺(tái)階爆破智能化設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)了布孔和網(wǎng)路的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。李澤華等[17]基于VC++中MFC開發(fā)框架，結(jié)合OpenGL開發(fā)相關(guān)圖形引擎，實(shí)現(xiàn)了炮孔自動(dòng)布置，網(wǎng)路自動(dòng)連接，藥量自動(dòng)優(yōu)化等功能。劉宇[13]對(duì)開源點(diǎn)云處理工具Cloud Compare進(jìn)行二次開發(fā)，研發(fā)了以三維點(diǎn)云數(shù)字模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的露天礦精細(xì)爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使得爆破設(shè)計(jì)更加直觀、形象，得到的精細(xì)爆破參數(shù)可更加具體地指導(dǎo)爆破施工。

圖4 爆破設(shè)計(jì)軟件界面Fig.4 Interfaces of blasting design software

表1 典型露天臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)Table 1 Typical design systems for open-pit bench blasting

作為智能爆破設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，巖石爆破效果數(shù)值模擬預(yù)測(cè)及分析是實(shí)現(xiàn)爆破可視化設(shè)計(jì)的主要手段。露天臺(tái)階數(shù)值模擬方法及軟件主要有澳大利亞澳瑞凱公司的MBM與DMC軟件、美國(guó)ITASCA公司的Blo_Up軟件，以及中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所提出的CDEM方法。其中，MBM(Mechanistic Blasting Model)是一款基于有限元與塊體離散元相結(jié)合的數(shù)值模擬軟件，主要功能包括爆破誘發(fā)巖體損傷、破裂、破碎過程，爆破塊度、拋擲過程，以及爆堆形成過程分析等，目前僅能計(jì)算二維問題。DMC(Distinct Motion Code)是一款基于顆粒離散元的露天礦爆破效果數(shù)值模擬軟件，可以計(jì)算二維及三維爆破問題，主要功能包括模擬拋擲、堆積過程，預(yù)測(cè)爆堆形狀、礦巖分選爆破效果等。CDEM(Continuum Discontinuum Element Method)是李世海[18]團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的連續(xù)—非連續(xù)數(shù)值模擬方法，將連續(xù)介質(zhì)模型與非連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可精確施加爆炸載荷，實(shí)現(xiàn)爆破載荷下巖體破裂破碎、破碎塊體間碰撞及堆積過程的高效計(jì)算(圖5)。目前，CDEM可用于巖石爆破破碎效 果、三維爆堆形態(tài)、爆破振動(dòng)等的精確模擬及分析。

圖5 CDEM方法模擬巖體破碎運(yùn)動(dòng)過程Fig.5 Fracture and movement of rock mass simulated by CDEM method

相比于傳統(tǒng)依靠工程技術(shù)人員工程經(jīng)驗(yàn)的爆破設(shè)計(jì)，利用智能爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可逐步實(shí)現(xiàn)爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)和起爆網(wǎng)路的自動(dòng)化、智能化設(shè)計(jì)，通過多種爆破方案的對(duì)比分析，給出最優(yōu)化爆破方案，并對(duì)爆破效果進(jìn)行可靠預(yù)測(cè)，可在一定程度上降低人工設(shè)計(jì)的工作強(qiáng)度。

近年來，露天深孔臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)的數(shù)字化、智能化、可視化設(shè)計(jì)水平進(jìn)步顯著，面向爆破工程領(lǐng)域涌現(xiàn)出多款智能爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)，但大多數(shù)尚處在研發(fā)和優(yōu)化完善階段，軟件產(chǎn)品的應(yīng)用與推廣方面效果不夠理想。露天深孔臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)的智能化程度還有待提高，可增加專家模塊和共享數(shù)據(jù)平臺(tái)，廣泛借鑒類似工程案例，不斷豐富數(shù)據(jù)庫，并改進(jìn)智能學(xué)習(xí)算法提升設(shè)計(jì)系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)能力，以適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)構(gòu)造和工程環(huán)境。通過整合高校、科研機(jī)構(gòu)及爆破作業(yè)單位等各方資源，面向工程爆破行業(yè)研發(fā)一套集爆破方案選擇、爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、起爆網(wǎng)路優(yōu)化、爆破過程模擬、爆破效果預(yù)測(cè)和有害效應(yīng)評(píng)估等功能于一體的智能化爆破設(shè)計(jì)平臺(tái)。依托重大工程項(xiàng)目在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行試用、應(yīng)用，驗(yàn)證爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性與精確性，并以推介會(huì)等形式加大爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)的商業(yè)推廣力度。

2 鑿巖設(shè)備與爆破器材

2.1 露天鑿巖設(shè)備

目前，我國(guó)露天深孔臺(tái)階爆破鑿巖設(shè)備主要采用潛孔鉆機(jī)和牙輪鉆機(jī)。20世紀(jì)早期，比較先進(jìn)的鑿巖設(shè)備以進(jìn)口為主，知名礦山設(shè)備供應(yīng)商有瑞典的阿特拉斯·科普柯(Atlas Copco)、山特維克(Sandvik)，日本的古河，芬蘭的湯姆洛克公司等。20世紀(jì)80年代后，各大廠商紛紛在中國(guó)開設(shè)生產(chǎn)基地，在很大程度上促進(jìn)了機(jī)械化的鑿巖設(shè)備在各大礦山的應(yīng)用。其中，阿特拉斯·科普柯公司研制生產(chǎn)的PowerROC系列[19]全液壓潛孔式露天鉆機(jī)(圖6)，配置高風(fēng)壓空壓機(jī)，適用于露天礦山、采石場(chǎng)等各種軟巖、中硬巖及極硬巖石的鉆孔作業(yè)，生產(chǎn)效率高，在業(yè)內(nèi)廣受好評(píng)。但是，由于國(guó)外設(shè)備采購(gòu)價(jià)格及后期維修保養(yǎng)成本較高，并且備件服務(wù)不及時(shí)，一直備受詬病。歷經(jīng)十余年發(fā)展，國(guó)產(chǎn)鑿巖設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備的差距逐漸縮小，市場(chǎng)份額逐年增加。目前，國(guó)內(nèi)有330多家鉆機(jī)相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)廠商[20]，以河北、山東、廣東和浙江企業(yè)數(shù)量最多，例如宣化金科、宣化邦達(dá)、浙江紅五環(huán)、浙江開山等。

圖6 PowerROC全液壓露天鉆機(jī)Fig.6 PowerROC full hydraulic drilling rig

露天潛孔鉆機(jī)有分體式和一體式兩種。其中，20世紀(jì)50年代國(guó)內(nèi)分體式潛孔鉆機(jī)由河北宣化地區(qū)生產(chǎn)，在我國(guó)大直徑深孔臺(tái)階爆破初期發(fā)揮了重要作用。但是，該型鉆機(jī)的主要工作原理是靠氣壓驅(qū)動(dòng)，鉆機(jī)與空壓機(jī)分離，鉆機(jī)自動(dòng)化程度低，工作效率不高，且外置的操縱臺(tái)使得工人作業(yè)環(huán)境差，勞動(dòng)強(qiáng)度大。21世紀(jì)以來，隨著國(guó)家和社會(huì)環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)及相關(guān)制度的建立與實(shí)施，國(guó)內(nèi)掀起了一體化鉆機(jī)的制造高潮，涌現(xiàn)出了山河智能、志高機(jī)械、開山股份等多家研發(fā)、制造、生產(chǎn)廠家。近10 a來，國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展[21]，使?jié)摽足@機(jī)、露天液壓鉆機(jī)在節(jié)能、高效、作業(yè)精度和人機(jī)環(huán)境工程等性能上有了很大提高。一體化潛孔鉆機(jī)和露天液壓鉆車逐漸發(fā)展成為大型高性能巖石快速鉆爆施工的關(guān)鍵設(shè)備。

相比于潛孔鉆機(jī)，牙輪鉆機(jī)鉆孔孔徑更大、鉆孔效率更高，是大、中型露天礦山鉆孔作業(yè)的主要設(shè)備[22-23]。目前世界上主要生產(chǎn)牙輪鉆機(jī)的3家公司都在美國(guó)，即比塞洛斯公司(BE)、英格索蘭(IR)和P＆ H公司。我國(guó)第一臺(tái)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的YZ35牙輪鉆由中鋼集團(tuán)衡陽重機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造，經(jīng)過40多年的生產(chǎn)實(shí)踐，該單位根據(jù)用戶需求，不斷地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更新?lián)Q代和系列化研發(fā)與生產(chǎn)。

采用大直徑露天鉆孔設(shè)備，鉆孔效率比傳統(tǒng)設(shè)備提高了1倍以上[24]，配合大斗容的裝載設(shè)備、電鏟等，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了企業(yè)成本。例如，我國(guó)西藏巨龍銅業(yè)驅(qū)龍礦山應(yīng)用YZ-55D型牙輪鉆機(jī)(圖7)，鉆鑿孔徑為310 mm，最大可鉆深度為20 m，最大鉆進(jìn)速度達(dá)到2 m/min[2]。

圖7 YZ-55D高原型牙輪鉆機(jī)Fig.7 YZ-55D blast-hole drilling rig for plateau

近年來，國(guó)內(nèi)外的多家鉆機(jī)公司陸續(xù)推出了一些新功能鉆機(jī)，自動(dòng)化程度越來越高，在部分功能上基本實(shí)現(xiàn)了智能化。智能鉆機(jī)系統(tǒng)依靠傳感器在鉆進(jìn)過程中采集的轉(zhuǎn)進(jìn)速度、回轉(zhuǎn)速度、軸向壓力和扭矩等參數(shù)，確定巖石種類，并為爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)及炸藥裝填系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。20世紀(jì)中期，美國(guó)、日本等國(guó)家已開始嘗試建立工程巖體質(zhì)量與鉆進(jìn)參數(shù)之間的定量關(guān)系[25]。例如，美國(guó)的英格索蘭公司研發(fā)的鉆機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)(IRDMS)可以采集鉆進(jìn)速度、孔深、總進(jìn)尺等參數(shù)，該公司研發(fā)的以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)鉆機(jī)的鉆進(jìn)深度、鉆進(jìn)速度和回轉(zhuǎn)速度。

總體而言，近年來隨著設(shè)備智能化升級(jí)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，大型鑿巖設(shè)備的施工效率顯著提升，露天深孔臺(tái)階爆破鑿巖設(shè)備正朝著大型化、自動(dòng)化、智能化和綠色環(huán)保方向發(fā)展。然而，相比于國(guó)外先進(jìn)設(shè)備，我國(guó)鉆孔設(shè)備研發(fā)水平依然存在很大的提升空間，需進(jìn)一步加強(qiáng)推進(jìn)系統(tǒng)、系統(tǒng)功率匹配節(jié)能技術(shù)、液壓鑿巖機(jī)、自動(dòng)接卸鉆桿、除塵凈化以及液壓先導(dǎo)集成控制等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和攻關(guān)。此外，我國(guó)還需吸取國(guó)外先進(jìn)設(shè)備的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步研發(fā)機(jī)動(dòng)靈活的露天鑿巖設(shè)備，適應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)多變的工作環(huán)境，借助5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完善鑿巖設(shè)備實(shí)時(shí)通信、智能調(diào)度、協(xié)同控制等功能，不斷提升露天潛孔鉆機(jī)的智能化水平。

2.2 數(shù)碼電子雷管

數(shù)碼電子雷管具有延時(shí)精度高、安全性能好、網(wǎng)路可檢測(cè)、延時(shí)可編程等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備定位跟蹤、密碼綁定等安全監(jiān)管優(yōu)勢(shì)[26]，已經(jīng)在露天深孔臺(tái)階爆破領(lǐng)域得到了廣泛推廣應(yīng)用。目前，瑞典的Nobel，澳大利亞的Orica，美國(guó)的EB、Austin、SDI，法國(guó)的Davey Bickford，日本的旭化成化學(xué)株式會(huì)社，南非的AEL和Sasol等諸多公司都相繼推出了各自的數(shù)碼電子雷管產(chǎn)品，并在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)自2006年自主研發(fā)高精度電子雷管“隆芯一號(hào)”以來，國(guó)內(nèi)雷管廠家在相關(guān)政策鼓勵(lì)下，紛紛開始研制電子雷管，北方邦杰、京煤化工、貴州久聯(lián)、西安213所、湖北衛(wèi)東、南嶺民爆等企業(yè)也都生產(chǎn)了數(shù)碼電子雷管產(chǎn)品，目前已獲得生產(chǎn)許可的生產(chǎn)企業(yè)有34家，其中有32家生產(chǎn)企業(yè)(所屬生產(chǎn)集團(tuán)23家)已投入生產(chǎn)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[27]，截至2021年末，我國(guó)電子雷管生產(chǎn)許可能力為6.7億發(fā)，約占雷管總產(chǎn)能27.7億發(fā)的24%(圖8、圖9)。2021年11月，工業(yè)和信息化部發(fā)布的《“十四五”民用爆炸物品行業(yè)安全發(fā)展規(guī)劃》，進(jìn)一步明確給出全面使用數(shù)碼電子雷管的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，即2022年6月底前停止生產(chǎn)、8月底前停止銷售除了工業(yè)數(shù)碼電子雷管外的其他工業(yè)雷管。相關(guān)政策文件的頒布和實(shí)施，將會(huì)提高民爆行業(yè)的安全準(zhǔn)入門檻，推動(dòng)企業(yè)重組整合，大力化解工業(yè)雷管過剩產(chǎn)能。

圖9 2021年電子雷管地區(qū)產(chǎn)量結(jié)構(gòu)Fig.9 Regional production structure of electronic detonator in 2021

應(yīng)用數(shù)碼電子雷管，使得露天深孔臺(tái)階大規(guī)?！爸鹂灼鸨本W(wǎng)路更加可靠，操作更加便捷。大量工程實(shí)踐及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證明，應(yīng)用數(shù)碼電子雷管能夠優(yōu)化孔間延時(shí)，不僅有利于改善爆破效果，而且大大提高了生產(chǎn)效率。王濤等[28]在西藏玉龍銅礦成功實(shí)施了基于數(shù)碼電子雷管的海拔4 650 m以上凍土層區(qū)域6臺(tái)階排間巖石聯(lián)合控制爆破。郭鵬杰[29]在峨口鐵礦爆破開采中應(yīng)用數(shù)碼電子雷管設(shè)計(jì)爆破網(wǎng)路，對(duì)比導(dǎo)爆管雷管網(wǎng)路的實(shí)際應(yīng)用效果，表明數(shù)碼電子雷管微差時(shí)間的控制精度高，在降低大塊率、減少側(cè)翻后翻、降低爆破振動(dòng)與炸藥單耗等方面效果顯著。葉會(huì)師等[30]在司家營(yíng)露天礦山引入數(shù)碼電子雷管，顯著降低了露天采場(chǎng)臺(tái)階爆破振動(dòng)并改善了爆破效果，保證了爆破作業(yè)安全可靠、采礦生產(chǎn)連續(xù)高效。何桃[31]在新疆別斯庫都克露天煤礦采用數(shù)碼電子雷管優(yōu)化了排間微差時(shí)間，降低了炸藥單耗，取得了良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

數(shù)碼電子雷管產(chǎn)品的延時(shí)精度高，并且可自主設(shè)置延期時(shí)間。近年來，相關(guān)學(xué)者以改善破巖效果和控制爆破振動(dòng)為目標(biāo)開展了數(shù)碼電子雷管延期時(shí)間優(yōu)選研究。鐘冬望團(tuán)隊(duì)[32-34]結(jié)合露天礦山生產(chǎn)實(shí)踐，系統(tǒng)研究了爆破振動(dòng)持時(shí)特征和微差爆破延期時(shí)間的優(yōu)選方法，結(jié)合量綱分析理論和炸藥爆炸能量分配理論，推導(dǎo)了爆破振動(dòng)持時(shí)預(yù)測(cè)公式和逐孔起爆時(shí)孔間合理延期時(shí)間的計(jì)算公式，并應(yīng)用隆芯1號(hào)數(shù)碼電子雷管及銥缽起爆系統(tǒng)開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)相似模型試驗(yàn)予以驗(yàn)證。謝先啟院士團(tuán)隊(duì)[35]結(jié)合鄂州花湖機(jī)場(chǎng)紅砂巖石方爆破工程開展了電子雷管爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，通過頻譜分析討論了地震波主振頻率的演變規(guī)律，研究了疊加波列數(shù)與孔間延期時(shí)間對(duì)合成波形峰值振動(dòng)速度的影響機(jī)制，提出了電子雷管延期時(shí)間的確定方法。楊仁樹團(tuán)隊(duì)[36-37]開展了延期時(shí)間對(duì)巖石破碎影響的數(shù)值模擬研究，認(rèn)為合理的延時(shí)間隔不僅有利于臺(tái)階頂部巖石破碎塊度控制，而且能夠改善巖石破碎塊度分布;同時(shí)，建立了精確延時(shí)逐孔起爆振動(dòng)峰值預(yù)測(cè)模型，并應(yīng)用數(shù)碼電子雷管開展了深孔爆破試驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性。劉倩等[38]從改善破碎效果和降低爆破振動(dòng)兩方面對(duì)國(guó)內(nèi)外露天臺(tái)階爆破毫秒延期時(shí)間的研究成果進(jìn)行了梳理，認(rèn)為最優(yōu)延期時(shí)間的計(jì)算公式和經(jīng)驗(yàn)值較多，局限性較大，認(rèn)為逐孔爆破間隔時(shí)間的確定方法將是毫秒延時(shí)間隔時(shí)間研究的主要內(nèi)容。曹昂[39]研究了孔間延期時(shí)間對(duì)巖石破碎度、不均勻性和合格程度的影響，結(jié)合數(shù)碼電子雷管現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為水工級(jí)配料爆破開采的最佳延期時(shí)間為10～20 ms。

由此可見，采用數(shù)碼電子雷管可主動(dòng)控制爆破振動(dòng)效應(yīng)，有效改善巖石爆破效果，并且滿足國(guó)家對(duì)民爆物品使用的精準(zhǔn)管控要求。在城市等復(fù)雜環(huán)境下推廣應(yīng)用數(shù)碼電子雷管，可以取得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。然而，由于數(shù)碼電子雷管的價(jià)格成本高，相關(guān)基礎(chǔ)理論研究成果長(zhǎng)期滯后于生產(chǎn)實(shí)踐，導(dǎo)致其延時(shí)精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)尚未得到有效發(fā)揮。此外，數(shù)碼電子雷管在小斷面井巷、樁基爆破以及含水環(huán)境下的拒爆概率偏高[40-42];在拆除爆破領(lǐng)域大規(guī)模使用時(shí)操作復(fù)雜、流程繁瑣[43-44]，這些都嚴(yán)重影響了爆破安全和數(shù)碼電子雷管的推廣應(yīng)用。因此，為有效落實(shí)工業(yè)和信息化部提出的“盡早實(shí)現(xiàn)電子雷管全面使用”的要求，早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”背景下“綠色、安全、智能、高效”的工程爆破愿景，數(shù)碼電子雷管產(chǎn)品尚需提高雷管的抗沖擊振動(dòng)性能、網(wǎng)路的防水性能、大規(guī)模使用時(shí)的可靠性與操作便捷性，并進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥

現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥是集原料運(yùn)輸、炸藥混制、現(xiàn)場(chǎng)裝填于一體的高科技產(chǎn)品，具有安全性好、計(jì)量誤差小、裝藥效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)[7，45]，可更好地適應(yīng)大規(guī)模露天深孔臺(tái)階爆破施工需求?，F(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥早期主要在南芬鐵礦、平朔煤礦、哈爾烏素煤礦等國(guó)內(nèi)大型露天礦山推廣應(yīng)用，現(xiàn)已逐漸向公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)建設(shè)和小型采石場(chǎng)轉(zhuǎn)移，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?，F(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥(乳化炸藥、銨油炸藥、粒狀銨油炸藥)是我國(guó)“十四五”時(shí)期產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要方向。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[46]，截至2021年末，我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥生產(chǎn)許可能力達(dá)252萬t，占總炸藥產(chǎn)能的41.6%(圖10)?，F(xiàn)有混裝車690輛，所屬生產(chǎn)集團(tuán)48家。2021年現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥總產(chǎn)量為136萬t，產(chǎn)能利用率達(dá)54%。由于各地區(qū)礦產(chǎn)類型和開采方式不同，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥發(fā)展水平不均衡，主要集中在我國(guó)北方煤炭大省(圖11)。

圖10 2017—2021年現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥年產(chǎn)量變化Fig.10 Annual output variation of on-site mixed explosive from 2017 to 2021

圖11 2021年現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥地區(qū)產(chǎn)量結(jié)構(gòu)Fig.11 Regional production structure of on-site mixed explosive in 2021

現(xiàn)場(chǎng)混裝作業(yè)技術(shù)安全可靠，可從本質(zhì)上消除成品炸藥儲(chǔ)存、運(yùn)輸和裝藥作業(yè)中發(fā)生遺失的安全隱患。通過混裝車自身的定位系統(tǒng)和炸藥流量計(jì)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)爆破區(qū)域內(nèi)炮孔定位、定量裝藥現(xiàn)場(chǎng)混裝作業(yè)。現(xiàn)場(chǎng)混裝裝藥每分鐘可混制和裝填炸藥250～300 kg，裝填一個(gè)孔徑310 mm的炮孔，平均只需2～3 min，是人工裝藥工效的數(shù)十倍[47]。此外，采用現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可針對(duì)不同性質(zhì)的巖石動(dòng)態(tài)調(diào)整炸藥組分，不僅提高了裝藥密度，而且在同一炮孔內(nèi)可裝填不同密度、不同種類的炸藥，使炸藥能量得以充分發(fā)揮，降低大塊率，克服根底，改善爆破效果。趙明生等[48]通過理論計(jì)算分析混裝乳化炸藥配方中不同組分含量對(duì)炸藥的爆熱、爆速、爆容的影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析了巖石爆破破碎塊度，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整炸藥組分中硝酸銨含量可改變炸藥阻抗及爆轟參數(shù)，使得炸藥性能可根據(jù)不同巖石性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)炸藥匹配的多樣化。

現(xiàn)階段，混裝乳化炸藥技術(shù)的研發(fā)與推廣效果仍不理想。需要主管部門不斷完善相關(guān)政策制度，進(jìn)一步打破混裝炸藥的發(fā)展壁壘:①完善現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車的生產(chǎn)、購(gòu)買、銷售審批制度;②明確硝酸銨溶液、乳膠基質(zhì)的采購(gòu)和運(yùn)輸審批流程;③加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車的流動(dòng)服務(wù)過程和炸藥產(chǎn)品的流向監(jiān)管。盡管目前國(guó)內(nèi)工業(yè)炸藥市場(chǎng)仍以包裝型炸藥為主，但是工業(yè)炸藥現(xiàn)場(chǎng)制備、現(xiàn)場(chǎng)裝填和爆破施工“一體化”技術(shù)已成為當(dāng)今工業(yè)炸藥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，民爆產(chǎn)品銷售方式和途徑也在發(fā)生變化，近些年由生產(chǎn)企業(yè)直供給用戶的民爆產(chǎn)品銷售量(直供量)占總銷售量的比例逐年增加。未來，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥技術(shù)的發(fā)展?jié)摿薮?，?yīng)用前景非常廣闊。

3 爆破施工技術(shù)

3.1 裝藥結(jié)構(gòu)

裝藥結(jié)構(gòu)是影響爆破效果和爆破有害效應(yīng)的重要因素之一，通過選用合理的裝藥結(jié)構(gòu)方式和裝藥參數(shù)，改變藥卷周圍不同性質(zhì)的傳爆介質(zhì)，可有效控制炸藥爆炸能量釋放、分配和作用過程，從而提高爆破效率、控制有害效應(yīng)、降低爆破成本。裝藥結(jié)構(gòu)的形式多種多樣[49-50]，按照裝藥品種可以分為單一和混合裝藥，按照藥卷與炮孔的徑向關(guān)系可以分為耦合和不耦合裝藥，按藥卷與炮孔的軸向關(guān)系可以分為連續(xù)和間隔裝藥;通過調(diào)整藥包形狀，還可以設(shè)計(jì)聚能裝藥結(jié)構(gòu)。

近年來，圍繞露天深孔臺(tái)階裝藥結(jié)構(gòu)的研究，顧文彬等[51]從阻抗匹配角度對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)能量傳遞進(jìn)行了理論分析，結(jié)合不同裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破效果影響及遠(yuǎn)區(qū)振動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)，得出了不同裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破遠(yuǎn)區(qū)振動(dòng)能量的影響規(guī)律。李桐等[52]理論分析了爆炸作用下巖體變形及破壞特征，得到不同耦合介質(zhì)爆破時(shí)理論爆炸能量的傳遞效率，并結(jié)合數(shù)值模擬研究了巖體性質(zhì)、炸藥類別及不耦合裝藥系數(shù)對(duì)不同耦合介質(zhì)爆破時(shí)的爆炸能量傳遞效率差異的影響。李斌等[53]提出了徑向不耦合裝藥方法及操作要點(diǎn)，并開展了耦合裝藥、軸向不耦合裝藥對(duì)比試驗(yàn)，表明徑向不耦合裝藥能讓爆炸能更好地作用于破巖過程，爆后大塊率、根底下降超過2%，挖裝效率提高26%。茍倩倩等[54]開展了連續(xù)耦合裝藥、徑向不耦合裝藥、中部空氣間隔裝藥及水不耦合裝藥的4組爆破試驗(yàn)，表明空氣不耦合裝藥爆破振動(dòng)速度—時(shí)程曲線攜帶的能量最小、破壞力最小，水不耦合裝藥次之，但水不耦合裝藥爆破能有效降低巖石大塊率及粉塵危害。此外，CHEN等[55]研究了露天深孔堵塞段在爆破過程中的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并提出了炮孔堵塞長(zhǎng)度的優(yōu)化原則。

總體而言，影響露天深孔臺(tái)階爆破效果的因素很多，相關(guān)理論研究尚不完善，通過調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)改善爆破效果是一種有效的技術(shù)途徑。根據(jù)不同的爆破目的，爆破作業(yè)應(yīng)注重炸藥性能與巖石性質(zhì)相互匹配，深入研究耦合介質(zhì)、間隔位置、耦合系數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)科學(xué)的裝藥結(jié)構(gòu)，不斷改善爆破效果、降低生產(chǎn)成本、提升施工效率。

3.2 起爆網(wǎng)路

現(xiàn)階段，露天深孔臺(tái)階爆破常用的起爆網(wǎng)路[1]按照起爆順序主要分為排間順序起爆、排間奇偶式起爆、波浪式順序起爆、“V”形順序起爆、梯形順序起爆、對(duì)角線順序起爆、徑向順序起爆和組合式順序起爆。隨著數(shù)碼電子雷管不斷普及，炮孔起爆延時(shí)控制精度更高，逐孔起爆技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，不僅有效控制了爆破有害效應(yīng)，而且顯著提升了爆破效果。李峰[56]將導(dǎo)爆管雷管應(yīng)用于逐孔起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)中，結(jié)合雷管段別設(shè)置和延期誤差確定出炮孔的最佳延期時(shí)間;結(jié)合Visual Basic編程語言和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)，開發(fā)了臺(tái)階爆破逐孔起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了延時(shí)爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)的可視化和智能化。于江浩等[57]以神華北電勝利露天礦為研究對(duì)象，采用理論分析、ANSYS數(shù)值模擬等技術(shù)方法，分析了逐孔起爆技術(shù)的作用機(jī)理，并結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)了合理的堵塞長(zhǎng)度和起爆網(wǎng)路。王生楠[58]闡述了逐孔起爆爆破的機(jī)理、特點(diǎn)，并結(jié)合公路爆破工程設(shè)計(jì)了逐孔起爆網(wǎng)路，改善了爆破塊度并有效控制了有害效應(yīng)。蘭小平[59]探討了數(shù)碼電子雷管逐孔起爆網(wǎng)路的最優(yōu)延期時(shí)間，通過5次爆破試驗(yàn)調(diào)整優(yōu)化了孔間、排間的延期時(shí)間，改善了爆破效果并提高了挖裝效率和采場(chǎng)平整度。張萬忠[60]在新疆某大型露天礦山應(yīng)用逐孔起爆技術(shù)，減少了網(wǎng)路連接時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，將爆破對(duì)周邊的影響降到了最低。張光權(quán)等[61]設(shè)計(jì)了導(dǎo)爆管雷管逐孔起爆網(wǎng)路，提出了孔內(nèi)雷管起爆時(shí)間的計(jì)算公式，并通過計(jì)算機(jī)編程設(shè)計(jì)快捷方便地計(jì)算出了在既定延時(shí)導(dǎo)爆管雷管組合下各孔的起爆時(shí)間，清晰地顯示出點(diǎn)燃陣面。

逐孔起爆網(wǎng)路不僅可以創(chuàng)造更多的動(dòng)態(tài)自由面，增強(qiáng)爆炸應(yīng)力波的反射，提升巖石碰撞破碎概率，充分利用炸藥爆炸能量，從而改善爆破效果、優(yōu)化石料塊度，而且可以實(shí)現(xiàn)爆破振動(dòng)、飛石等有害效應(yīng)的精細(xì)控制。隨著高精度導(dǎo)爆管雷管和數(shù)碼電子雷管的廣泛應(yīng)用，逐孔起爆網(wǎng)路將逐步取代傳統(tǒng)的非電導(dǎo)爆管排間微差爆破網(wǎng)路。

4 展 望

近年來，隨著大型鑿巖設(shè)備和爆破器材發(fā)展進(jìn)步，以及眾多科研工作者和工程技術(shù)人員共同努力，露天深孔臺(tái)階爆破技術(shù)取得了較大突破，露天臺(tái)階爆破逐漸踏上了規(guī)模大型化、設(shè)計(jì)智能化、施工精細(xì)化的高質(zhì)量發(fā)展之路，下一階段還應(yīng)聚焦爆破工程全生命周期，開展智能化設(shè)計(jì)、精細(xì)化施工、精準(zhǔn)化管控研究。

(1)在智能爆破設(shè)計(jì)方面，相關(guān)的智能爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)種類較多，可解決一般爆破工程項(xiàng)目中的爆破方案與爆破參數(shù)的優(yōu)選問題，但目前軟件產(chǎn)品研發(fā)深度與工程應(yīng)用范圍還較為局限。下一步需整合高校、科研機(jī)構(gòu)及爆破作業(yè)單位等各方資源，面向工程爆破行業(yè)研發(fā)一套集爆破方案選擇、爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、起爆網(wǎng)路優(yōu)化、爆破過程模擬、爆破效果預(yù)測(cè)和有害效應(yīng)評(píng)估等功能于一體的智能化爆破設(shè)計(jì)平臺(tái)。

(2)引進(jìn)、吸收并發(fā)展先進(jìn)的工程爆破施工裝備技術(shù)，提高爆破作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化水平。施工設(shè)備的性能、規(guī)格、特征應(yīng)能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的施工環(huán)境，符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)并能提供優(yōu)良的操作環(huán)境。我國(guó)露天鑿巖設(shè)備研發(fā)、制造起步較晚，仍需繼續(xù)借鑒國(guó)外優(yōu)秀廠商的先進(jìn)技術(shù)，不斷提升鑿巖設(shè)備的性能以及自動(dòng)化、智能化水平。

(3)推廣應(yīng)用數(shù)碼電子雷管和現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥，不斷提高爆破工程的安全性，加強(qiáng)爆破器材的本質(zhì)安全，提升爆破工程的社會(huì)效益。數(shù)碼電子雷管作為國(guó)家“十四五”時(shí)期重點(diǎn)推廣應(yīng)用的爆破器材，相比導(dǎo)爆管雷管具有延時(shí)精度高、延期時(shí)間可調(diào)、方便安全管控等優(yōu)點(diǎn)，在降低爆破振動(dòng)、改善爆破效果方面具有明顯優(yōu)勢(shì);但價(jià)格偏高，在狹小斷面隧道爆破工程中的拒爆率較高，在一定程度上限制了產(chǎn)品的推廣。此外，數(shù)碼電子雷管在拆除爆破領(lǐng)域大規(guī)模使用時(shí)起爆的可靠性和適應(yīng)性尚待進(jìn)一步工程驗(yàn)證。由于數(shù)碼電子雷管的推廣應(yīng)用，大規(guī)模逐孔起爆網(wǎng)路是未來發(fā)展的主流方向，圍繞爆破振動(dòng)效應(yīng)控制和巖石破碎效果優(yōu)化等需求，相關(guān)技術(shù)需進(jìn)一步深入研究。

(4)探索裝藥結(jié)構(gòu)、起爆網(wǎng)路等方面的新技術(shù)，加強(qiáng)化學(xué)、材料、力學(xué)等多學(xué)科理論的交叉融合，實(shí)現(xiàn)炸藥爆炸能量釋放過程的精細(xì)控制，提高炸藥能量利用率，降低爆破有害效應(yīng)。

(5)開展工程爆破與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、高速移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息化技術(shù)的融合發(fā)展，研發(fā)智慧監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)爆破器材生產(chǎn)、銷售、運(yùn)輸、使用等全壽命周期的實(shí)時(shí)監(jiān)管。