預裂爆破方法研究與實踐

1、所屬領域

爆破工程

2、適用範圍

露天礦山爆破、岩土工程爆破

3、基本原理

露天預裂爆破是保護到界邊坡、露天工程爆破被保護坡面或設施等對象的重要技術措施。要提高預裂爆破的安全性和爆破質量，需要開展預裂爆破新設備、新方法應用研究，研究特殊工程條件下預裂爆破新方法，進而建立影響預裂爆破效果主要因素的數學模型，理論與實踐相結合改進爆破方法，提升預裂爆破工藝技術和精細、智能水平。本研究涉及的主要創新技術的原理是：

採用技術性能優良的新型穿孔設備，進行預裂爆破新工藝攻關；針對技術性能差的設備，研究技術操作方法，提高預裂爆破質量。如應用依據標高調整預裂布孔位置等方法，提升了設計精度。又如應用預裂炮孔扒碴最佳操作法等，提升司機操作水平和穿孔質量等。

建立影響預裂爆破效果主要參數的數學模型。通過研究確定影響預裂爆破效果的主要因素8大類，24項，制定定性、定量技術措施和方法33項。在此基礎上採用工程類比法，針對5種可量化影響預裂爆破效果的因素，建立了幾何關係、參數關係、工序關係等3大類數學模型20餘個。

在此基礎上，一是應用建立的數學模型分析了水廠鐵礦預裂爆破參數的科學性，並進行了30m台階預裂爆破可行性研究；二是提出「水廠鐵礦中深孔爆破作用區域劃分假想」，為改進預裂和緩衝爆破質量，提供了安全技術依據；三是對緩衝爆破孔底距進行科學定義，並建立了幾何模型，對預裂爆破的孔網參數進行優化和簡化。對輔助緩衝孔的作用進行建模分析，創新了「分段爆破方法」用於緩衝爆破，改善爆破效果，降低爆破費用等。四是建立了「壓渣厚度對預裂爆破效果影響的數學模型」，提高爆破控制水平。五是創新「分段別微差降振預裂爆破法」、「分區段泄水預裂爆破法」等「分段預裂爆破方法」，降低爆破振動、地下水對預裂爆破質量的影響。

建立邊坡爆破效果控制與評價模型，對預裂爆破進行定性、定量評價，促進爆破技術的自我創新和智能發展。應用計算機繪製預裂爆破剖面圖，平均每個爆區繪圖時間由原來的3小時縮短到20分鐘，提高數學模型的執行效率。

改進岩土開挖工程預裂爆破方法。在半移動式破碎站基坑開挖中創新採用複合預裂爆破技術，減少了掘溝爆破對基坑兩翼的破壞，並形成了基坑開挖爆破設計模型。複合預裂爆破起爆順序為：預裂孔、緩衝孔、光面孔，三者均先於掘溝和基坑區域爆破。複合預裂和基坑預裂銜接部位，採用「空孔預裂爆破法」。基坑開挖爆破設計模型的爆破作業順序是：首先進行複合預裂爆破，然後進行基道和皮帶通廊爆破並形成採空區，最後進行基坑一次成型爆破。

在岩土工程雙壁溝開挖中，創新採用空孔減振緩衝爆破法，進行質量和振動控制，取得良好效果，其技術原理是：減震孔深度≈減震孔到新緩衝孔的間距≈新緩衝孔堵塞高度≈減震孔頂到坡頂距離。孔底距受岩性控制。為了防止地表導爆索衝擊波對周圍建築物的破壞，採用孔內導爆索、地表非電導爆管聯線的無聲、無空氣衝擊波預裂爆破方法，較好地控制了空氣衝擊波和雜訊危害。

4、關鍵技術與裝備

研究了新型L8鑽機在露天邊坡爆破和工程爆破中的適用性，並確定了其爆破參數和預裂爆破工藝方法。

建立了提高預裂爆破質量和安全性的系列數學模型，建立了邊坡爆破效果控制與評價模型，促進了預裂爆破工藝技術和管理的智能發展。

創新發明了複合預裂爆破、預裂爆破分段裝藥方法及裝葯結構、無雜訊預裂爆破法、分段微差預裂爆破法、空孔預裂、空孔緩衝爆破法等多項預裂爆破方法。

創新應用計算機繪製預裂爆破剖面圖方法，提高繪圖效率和準確性，使爆破設計更加方便快捷。

建立了以主緩衝孔孔底距為主控制因素的爆破參數模型和爆破設計方法，提出了提出「水廠鐵礦中深孔爆破作用區域劃分假想」，建立了壓渣厚度對預裂爆破效果影響的數學模型，改進了緩衝爆破方法。

5、工藝流程

以半移動式破碎站基坑爆破開挖為例，其爆破工藝流程是：首先進行複合預裂爆破，複合預裂爆破的流程是臨近被保護對象打一排光面孔，光面孔外側打一排預裂孔，預裂孔外側打一排緩衝孔，起爆順序為預裂孔、緩衝孔、光面孔；然後進行基坑外面的基道和皮帶通廊爆破，電鏟採掘形成採空區，有利於基坑爆破時形成清渣條件，並利於基坑穿孔時減少炮孔內地下水；最後進行基坑一次成型爆破。凡是複合預裂爆破和基坑爆破銜接部位，都超前穿2個不裝葯空孔。

無雜訊預裂爆破的工藝流程是：按照設計用竹皮、導爆索和乳化葯卷加工預裂爆破葯串；加工完畢把葯串裝入預裂炮孔，要求孔口富餘導爆索不超過0.5米；按照設計填塞高度填塞預裂炮孔；每個炮孔用2發非電導爆管雷管連接導爆索，然後把導爆索和雷管用岩渣覆蓋；導爆管按照爆破振動控制要求進行分組連接；與中深孔爆破炮孔連接，確保預裂爆破超前於中深孔爆破100ms起爆。

計算機繪製預裂爆破（緩衝爆破）剖面圖的流程是：第一步，運行繪圖準備程序，調出包括主、輔緩衝孔及預裂孔的爆破電子模板數據；第二步，計算主緩至預裂的距離，主緩至輔緩的孔距；第三步，提取預裂、主、輔緩衝孔的孔口標高及孔深，角度；第四步，把以上數據導入繪圖程序運行；第五步，標註孔底距；第六步，列印出圖。

6、主要創新點

採用 L8鑽機進行150mm孔徑預裂爆破，彌補了150mm孔徑預裂爆破方法的空白。

發明了同一預裂炮孔採用兩種不同裝葯結構的不耦合裝葯法、「預裂+緩衝+光面」複合預裂爆破方法，創新了塔型不耦合裝葯結構、無雜訊預裂爆破法、分段微差預裂爆破法、空孔緩衝爆破法等多項預裂爆破方法，提高了預裂爆破技術水平，改善了保護區邊坡質量。

在國內首次建立了預裂爆破參數數學模型、邊坡爆破工藝技術參數模型、邊坡爆破效果控制與評價模型，改善了爆破效果，提高了爆破效率。並首次應用計算機繪製預裂爆破剖面圖，平均每個爆區繪圖時間由原來的3小時縮短到20分鐘。

該項成果通過了首鋼科技成果驗收，具有較強的適用性和可操作性，經濟效益顯著，在同類礦山具有推廣前景。總體技術水平達到國內領先。

7、主要技術指標及同類技術對比情況

2003～2005年，首鋼水廠鐵礦與馬鞍山礦山研究院合作進行護幫控制爆破研究，預裂爆破半壁孔率達到65%以上。2006年該成果獲得首鋼科學技術進步二等獎、中國工程爆破協會科技進步二等獎。該成果一直應用到2012年，較好地改善了水廠鐵礦邊坡技術狀況。但隨著采場開採深度的不斷增加，地質條件和采場作業環境發生改變，原有的爆破方法無法滿足采場安全生產需要，需要因地制宜開展預裂爆破新方法的研究。

（1）首鋼水廠鐵礦採用新型預裂爆破方法，2014年共完成預裂爆破長度7542m，爆破5387孔，平均半壁孔率58.32%；2015年完成預裂爆破長度7973m，爆破5695孔，平均半壁孔率61.41%；2016年完成預裂爆破長度3984m，爆破2846孔，平均半壁孔率67.54%。爆破效果逐年提高。

2014～2016年，水廠鐵礦邊坡鑽分別完成預裂爆破米道80670m、91000m、45850m,共完成217520m。其中L8鑽機分別完成54080m、47320m、31780m，共完成133180m。分別佔總爆破米道數的67%、52%、69%，在預裂爆破中占居主要地位。

新型L8鑽機平均孔深、角度合格率，分別達到93%、94%，穿孔效率達到5.06萬米/台年，達到國內領先水平。L8鑽機平均半壁孔率達到70%。統計複雜地質條件下穿孔質量和爆破效果，孔深合格率提高10%左右，角度合格率提高7%左右，半壁孔率提高20%左右。達到國內領先水平。

2014～2016年，L8鑽機較F9鑽機成孔率提高10%，節省預裂爆破費用106.2萬元。採用L8鑽機較F9鑽機半壁孔率提高10%以上，節省預裂爆破費用132.3萬元。L8邊坡鑽每百米境界長度穿孔費用僅為F9邊坡鑽機的65%，降低穿孔費用573.85萬元。

（2）應用預裂爆破數學模型，2015、2016年兩種鑽機平均半壁孔分別較上年提高3%、7%，達到68%，最高達到85%, 處於國內領先水平。

2015年平均半壁孔率較2014年提高3%，降低穿孔費用32.82萬元。2016年平均半壁孔率再提高7%，效益23.8萬元。

（3）2016年4月，水廠鐵礦採用複合預裂爆破方法和基坑開挖爆破設計模型方案，完成-95米東排破碎站基坑爆破開挖，基坑穿孔質量合格率達到100%，半壁孔率達到95%，創國內除三峽工程外最好水平。爆破質量良好，節省工期7天。

2016年8月，水廠鐵礦採用完成尾砂干排工程雙壁溝爆破開挖，採用空孔減振緩衝爆破法、無雜訊無衝擊波預裂爆破方法，有效果控制了爆破有害效應，距離爆區30米的廠房沒有受到爆破振動和衝擊波等危害，開挖坡面半壁孔率達到75%以上，並節省工程工期14天。

採用工程預裂爆破新方法，降低了工程費用。東排破碎站下移工程爆破，穿孔成孔率提高20%，減少穿孔成本16.2萬元。確保了破碎站一次成型，減少安全防護投入43.1萬元。優化尾砂干排部位爆破設計方案，節省穿爆費用 98.03萬元。

（4）預裂爆破方法研究與實踐，降低了爆破消耗和對環境的破壞，為同類爆破工程提供了借鑒，總計取得效益1003.78萬元。

8、典型實例及成效

水廠鐵礦採用複合預裂爆破方法和基坑開挖爆破設計模型方案，2016年完成-95米東排破碎站基坑爆破開挖，2017年完成-125米礦石破碎站基坑爆破開挖，穿孔質量合格率達到100%，爆破質量良好，半壁孔率達到95%，創國內除三峽工程外最好水平。

2016年8月，水廠鐵礦採用完成尾砂干排工程雙壁溝爆破開挖，採用空孔減振緩衝爆破法、無雜訊無衝擊波預裂爆破方法，有效控制了爆破有害效應，距離爆區30米的廠房沒有受到爆破振動和衝擊波等效應危害，開挖坡面半壁孔率達到75%以上。

水廠鐵礦應用計算機繪製預裂爆破剖面圖，平均每個爆區繪圖時間由原來的3小時縮短到20分鐘。應用計算機繪製預裂爆破剖面圖，可以大幅度提升組圖效率和準確性，可以在預裂爆破和緩衝爆破分開爆破的情況下，快捷、直觀、精確地審查爆破設計中預裂孔和緩衝孔所涉及的孔底距、孔間距、角度等參數是否科學合理。

首鋼水廠鐵礦採用新型預裂爆破方法，2014年共完成預裂爆破長度7542m，爆破5387孔，平均半壁孔率58.32%；2015年完成預裂爆破長度7973m，爆破5695孔，平均半壁孔率61.41%；2016年完成預裂爆破長度3984m，爆破2846孔，平均半壁孔率67.54%。爆破效果逐年提高。

水廠鐵礦應用預裂爆破數學模型和爆破方法，2015、2016年L8、F9兩種鑽機邊坡爆破平均半壁孔分別較上年提高3%、7%，達到68%，最高達到85%, 處於國內領先水平。

水廠鐵礦預裂爆破方法研究與實踐，降低了爆破消耗和對環境的破壞，為同類爆破工程提供了借鑒，總計取得效益1003.78萬元。

9、推廣應用前景

L8鑽機可採用150～200mm孔徑穿孔，廣泛應用於露天礦山邊坡爆破和工程預裂爆破。

該成果所涉及數學模型、爆破參數和方法，具有較強的代表性，根據數學模型，可以根據不同爆破對象的地質地形條件，推導80～310mm範圍任意孔徑的預裂爆破參數，可廣泛應用於露天礦山、岩土工程等的預裂爆破和控制爆破。

該成果涉及的複合預裂爆破技術，可應用於半移動式膠帶運輸系統破碎站基坑的開挖，可有效克服地下水、斷層、破碎帶、礦岩交界等地質條件影響，提升爆破質量。可為類似岩土工程的基坑爆破開挖提供借鑒。

空孔減振緩衝爆破法、無雜訊無衝擊波預裂爆破方法，可應用於複雜周邊環境下岩土爆破開挖工程，抑制爆破振動、雜訊、衝擊波等有害效應對周圍近距離建築物或設施的破壞。

應用計算機繪製預裂爆破剖面圖，可以大幅度提升組圖效率和準確性，可以在預裂爆破和緩衝爆破分開爆破的情況下，快捷、直觀、精確地審查爆破設計中預裂孔和緩衝孔所涉及的孔底距、孔間距、角度等參數是否科學合理。該方法可推廣應用於繪製露天爆破及岩土工程爆破任意類型爆破炮孔的剖面圖。

該成果涉及的數學模型建模思路、邊坡爆破效果控制與評價模型，可為露天爆破和岩土工程爆破提供借鑒。多數爆破方法如裝葯結構方法、起爆方法、降低爆破有害效應的方法等，可推廣到中深孔或淺孔爆破，具有較強的適用性，可降低爆破有害效應、改善爆破質量。

10、專利及獲獎情況

經諮詢專利管理部門，爆破方法由於其特殊性，不宜申請專利。

涉及成果公開發表論文3篇，促進了礦山預裂爆破技術的發展。

不宜公開發表部分撰寫內部培訓教材12篇，20多萬字，提升了爆破工程技術人員創新能力。

該成果獲得首鋼科技進步三等獎（無專利）。

來源：中國冶金礦山企業協會

排版：王廣運

監製：趙 鵬

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