李勝林梁書鋒李晨劉殿書

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083

目前,全世界約三分之二的固體礦物是通過露天開采方式獲得的,而這些露天礦山中普遍采用深孔臺階爆破。在國家倡導(dǎo)發(fā)展數(shù)字礦山、綠色礦山、智慧礦山的大背景下,大數(shù)據(jù)、5G、人工智能等新技術(shù)與傳統(tǒng)爆破工藝不斷融合,露天礦山深孔爆破技術(shù)也出現(xiàn)了大的調(diào)整與進步。本文基于近幾年的科研工作,并結(jié)合文獻調(diào)研,對國內(nèi)露天礦山深孔臺階爆破技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行總結(jié)和分析,為露天礦山的爆破設(shè)計、施工以及技術(shù)理論研究提供參考與借鑒。

1 起爆系統(tǒng)電子化

2017年底,我國開始推廣使用電子雷管,目前是世界上最大的電子雷管生產(chǎn)國和使用國。2020年,中國工業(yè)雷管總產(chǎn)量為9.56 億發(fā),其中電子雷管1.17 億發(fā)。伴隨著電子雷管技術(shù)標(biāo)準的完善以及生產(chǎn)工藝的不斷進步,用戶體驗不斷改善,電子雷管的使用范圍會進一步擴大,占比也將不斷增高。

電子雷管使用電子芯片取代延期藥實現(xiàn)延時,可在一定范圍內(nèi)指定延期時間,延時精度高。目前,國內(nèi)有近30 家企業(yè)獲得電子雷管生產(chǎn)許可。在礦山臺階爆破中,應(yīng)用電子雷管的優(yōu)勢在于:

(1)精確延時改善了爆破效果。以普通延期電雷管(第1 毫秒系列)為例,延期時間在2 000 ms以下共20 個段別,2 段名義延期時間為25 ms,下限12.6 ms,上限37.5 ms,延期精度是±50%,20 段名義延期時間為2 000 ms,下限1 850.1 ms,上限2 149.9 ms,延期精度是±7.5% ;半秒系列和秒系列延期精度上限為±5%,下限為±17%,且穩(wěn)定性差、易串段,尤其儲存一段時間后,存在延期時間漂移現(xiàn)象。

電子雷管延期時間可在0～20 000 ms 間任意設(shè)置,延期精度可控制在±1% 以內(nèi)。國際先進水平每段產(chǎn)品精度可控制為±1 ms,而且性能穩(wěn)定,存儲期長。

對比采用普通非電導(dǎo)爆管雷管的網(wǎng)路可知,采用電子雷管的爆破,爆破塊度均勻且平均尺寸小,大塊率低。神華準格爾能源有限公司黑岱溝露天煤礦采用電子雷管進行高臺階拋擲爆破,可將拋擲率提高5%～37%,一次性地將大量巖土排到指定的內(nèi)排區(qū)域,有效減少了倒堆工作量[1]。

(2)爆破振動有害效應(yīng)易于控制。爆破振動對周邊構(gòu)建物的傷害主要有2 個因素,振動幅值與頻率。振動速度幅值主要與爆破的單段藥量相關(guān),使用電子雷管的起爆網(wǎng)路,可以方便地實現(xiàn)逐孔起爆,這大大減小了單段起爆藥量,有效減小了爆破振動。

(3)安全性好。電子雷管具有良好的抗靜電、抗射頻、抗雜散電流等性能,不能被普通電源和工業(yè)用電引爆。其生產(chǎn)、裝卸、運輸、貯存和使用環(huán)節(jié)的本質(zhì)安全水平大幅提高,同時消除了延期藥生產(chǎn)過程的危險和污染問題。

(4)可追溯性強。電子雷管及其起爆系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場實時注冊、檢測、授權(quán)、時間設(shè)置、密碼控制、APP 軟件+后臺系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)交互、GPS 或北斗定位、爆破信息數(shù)據(jù)實時上傳等功能,可做到電子雷管全流程、全領(lǐng)域的過程控制,實現(xiàn)了雷管使用的事前控制、事后追溯。

相對于電雷管或非電雷管,當(dāng)前電子雷管產(chǎn)品與應(yīng)用技術(shù)仍然未完全成熟,存在一些弊端。首先,產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準借鑒電雷管的國家標(biāo)準,涉及電子雷管核心技術(shù)的生產(chǎn)條目及參數(shù)檢驗標(biāo)準缺失。國家或行業(yè)未制定使用標(biāo)準,各廠家自行制定本公司產(chǎn)品的使用流程,用戶若使用幾家公司的電子雷管,則需要購置多種類型的檢測或起爆設(shè)備,遵照不同的使用流程,現(xiàn)場使用效率低下,且易混淆出錯。其次,產(chǎn)品性能、質(zhì)量和可靠性偏低。目前國內(nèi)各廠家的生產(chǎn)組織仍處于手工或半自動化狀態(tài)。整體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化水平不高,生產(chǎn)連續(xù)化、智能化、自動化水平偏低,同時造成產(chǎn)品質(zhì)量可靠度偏低。

電子雷管在爆破作業(yè)中仍存在較多問題,拒爆、盲爆率較高,爆破作業(yè)過程中存在芯片模組器件損壞、電子雷管被壓死的現(xiàn)象,帶來了較大的經(jīng)濟損失與安全隱患。2020年6月,北京市工程爆破協(xié)會對國內(nèi)幾種電子雷管進行現(xiàn)場實驗,檢驗電子雷管近距離起爆的可靠程度。當(dāng)炮孔距離較近(30 cm)而起爆時差較大時,電子雷管出現(xiàn)大面積拒爆現(xiàn)象。當(dāng)場取出拒爆的電子雷管不能正常檢測,也不能被起爆,但一段時間(幾天到幾周)后,拒爆雷管各項技術(shù)參數(shù)又恢復(fù)正常,且能正常起爆。導(dǎo)致電子雷管被“振暈”的原因至今在學(xué)術(shù)界未有定論。

任何一個新事物的成熟,都需要一定的發(fā)展階段。目前,中國電子雷管的應(yīng)用正處于初級階段,使用過程中不可避免地會出現(xiàn)各種問題,但瑕不掩瑜,伴隨著技術(shù)進步,電子雷管產(chǎn)品會更加成熟,它也必然會促進工程爆破技術(shù)的革新與進步。

2 爆破智能化

2018年5月1日起,《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》(GB/T34679-2017)在我國開始實施,其中提出了向智慧礦山轉(zhuǎn)變的大量信息系統(tǒng)通用技術(shù)要求。智慧礦山以數(shù)字礦山為基礎(chǔ),融合了信息科學(xué)、采礦科學(xué)、大數(shù)據(jù)、人工智能、計算機技術(shù)和3S 技術(shù)[2]。爆破作為露天礦山生產(chǎn)工藝重要的一環(huán),也必須向智能化邁進。

總體來說,露天礦山爆破智能化包含3 個系統(tǒng):鉆機系統(tǒng)、爆破設(shè)計系統(tǒng)、炸藥現(xiàn)場混裝與裝填系統(tǒng),而3 個系統(tǒng)間的信息共享應(yīng)用與傳輸也是必不可少的。

2.1 智能鉆機系統(tǒng)

智能鉆機系統(tǒng)依靠傳感器在鉆進過程中采集參數(shù),確定巖石種類,并為爆破設(shè)計系統(tǒng)及炸藥裝填系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。良好的智能鉆機系統(tǒng)可以提高鉆孔效率,改善成孔質(zhì)量,減少對人工經(jīng)驗的依賴。

近些年,國內(nèi)外的多家鉆機公司陸續(xù)推出了一些新功能鉆機,自動化程度越來越高,在某些功能上基本實現(xiàn)了智能化。例如,應(yīng)用GPS 技術(shù)對鉆機臂架進行自動定位,可以大幅度提高現(xiàn)場標(biāo)記和定位的工作效率,能夠使鉆機操作人員集中精力監(jiān)控鉆孔的過程。

實際采礦工程中,準確掌握爆區(qū)巖體性質(zhì)是保證爆破參數(shù)設(shè)計科學(xué)性的關(guān)鍵。理論上認為破碎單位體積巖石所消耗的能量多少反映了巖石破碎的難易程度,其與巖石的物理力學(xué)性質(zhì)存在一定的關(guān)聯(lián)性。依據(jù)此理論認識,在應(yīng)用智能鉆機系統(tǒng)鉆孔時,可以采集以下幾方面鉆進數(shù)據(jù)用于巖性識別:

(1)鉆進速度。鉆機和鉆頭對同一巖石塊體的鉆進速度為常數(shù)[3]。因此,可以利用鉆速的時空變化曲線實現(xiàn)工程巖體的快速分級和評價。

(2)回轉(zhuǎn)速度。與巖性匹配的回轉(zhuǎn)速度,可以提高鉆孔效率,減少鉆頭磨損,此參數(shù)間接反映了鉆機提供給鉆具的能量。

(3)鉆頭上的軸向壓力與扭矩。鉆頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切削力和鉆頭軸向沖擊力是破碎巖體的能量來源,可以作為獲取巖體分級中鑿碎比能指標(biāo)的重要依據(jù)。

(4)其他參數(shù),如鉆孔深度、工作氣壓等。20世紀中期,美國、日本等國家已開始嘗試建立工程巖體質(zhì)量與鉆進參數(shù)之間的定量關(guān)系[4]。例如,美國的Bulgrus-Erjie 公司研發(fā)了牙輪鉆機的HolePro 系統(tǒng),并利用該系統(tǒng)采集鉆速、回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)力矩和軸壓力等數(shù)據(jù),用于分析巖石的硬度?？ㄌ乇死展緞t利用鉆桿在鉆進過程中產(chǎn)生的振動數(shù)據(jù)來辨別巖石巖性,實現(xiàn)了牙輪鉆機鉆進過程的自動化、智能化。

在巖性識別的基礎(chǔ)上,可以對巖體進行可爆性分級,并為爆破設(shè)計與裝藥提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),這也是露天礦山實現(xiàn)爆破設(shè)計網(wǎng)絡(luò)化、可視化、精細化和智能化的基礎(chǔ)。目前,這項工作有待研究人員進一步發(fā)掘。

2.2 智能爆破設(shè)計系統(tǒng)

爆破參數(shù)設(shè)計是爆破作業(yè)的核心環(huán)節(jié),對爆破質(zhì)量以及后續(xù)的鏟裝效率均有較大的影響。傳統(tǒng)的爆破設(shè)計往往依賴于工程師的經(jīng)驗,不利于有效控制爆破效果和爆破成本。為了提高爆破設(shè)計的科學(xué)性,國內(nèi)外學(xué)者嘗試將爆破理論、專家經(jīng)驗和計算機技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)了爆破計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)。

依據(jù)自動化程度,可將現(xiàn)有爆破設(shè)計系統(tǒng)分為以下3 類:

(1)手動設(shè)計。爆破技術(shù)人員基于巖體、爆破器材、鉆機等信息,在安全的前提下根據(jù)對爆破效果的要求,靠個人經(jīng)驗進行爆破設(shè)計。目前這一類設(shè)計軟件是市場主流,所有的爆破設(shè)計軟件基本都支持此功能,比較著名的軟件有澳瑞凱公司的shotplus 軟件[5]、澳大利亞昆士蘭大學(xué)的3×30 PRO[6]、遼寧工程技術(shù)大學(xué)SMCAD[7]、中國礦業(yè)大學(xué)的Ksbp[8]等。

(2)自動設(shè)計。在輸入基本信息后,程序能夠根據(jù)地質(zhì)、地形信息自動布孔,此種方法大大減小了爆破工程師繪圖工作量。北京科技大學(xué)的Blast-Code[9]是這一類軟件的代表。

(3)智能或智慧設(shè)計。此類設(shè)計需要大量的樣本信息,包括爆前信息(巖性、炸藥參數(shù)、布孔參數(shù)、網(wǎng)路等)和爆后信息(拋擲率、大塊率、塊度分布等),使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者專家系統(tǒng)訓(xùn)練得出爆破效果與爆破參數(shù)的隱性關(guān)系,隨著樣本數(shù)的增加,兩者關(guān)系更加可靠。爆破工程師進行爆破設(shè)計時,只需輸入基本參數(shù)和效果控制指標(biāo),系統(tǒng)會自動給出爆破參數(shù)。第三類軟件一般單獨針對單個礦山或某個公司研發(fā),商業(yè)開發(fā)不充分,市場占有率較低。

智能爆破設(shè)計系統(tǒng)要具有爆破領(lǐng)域?qū)＜曳菃我坏乃季S方式,在研究巖體爆破問題時,能夠綜合考慮巖體條件、工藝條件、炸藥參數(shù)等因素對爆破方案的影響;應(yīng)具備模糊推理能力,以處理爆破設(shè)計問題的非確定性和客觀條件的模糊性;系統(tǒng)能與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有效結(jié)合,能對數(shù)據(jù)進行分析并從中找出規(guī)律,形成有效的學(xué)習(xí)反饋機制。

2.3 炸藥現(xiàn)場混裝技術(shù)

炸藥作為工程爆破中的做功材料,屬于危險化學(xué)物品,其生產(chǎn)、儲存、運輸和使用各環(huán)節(jié)的安全問題,受到越來越多的關(guān)注。炸藥現(xiàn)場混裝是集原料運輸、炸藥混制、裝填于一體的新技術(shù),具有安全性高、計量精度高、裝藥效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點[10],近年來成為露天礦山“數(shù)字化爆破”中的重要組成部分。

炸藥現(xiàn)場混裝技術(shù)是通過混裝車自身的定位系統(tǒng)和炸藥流量計量系統(tǒng),實現(xiàn)爆破區(qū)域內(nèi)炮孔定位、定量裝藥現(xiàn)場混裝作業(yè)。類同于城市土木工程建設(shè)中常見的混凝土攪拌車組成的配送體系,現(xiàn)場混裝車輛(裝藥車)從某一集中制備站裝載炸藥原料或半成品后,運輸至爆破工程作業(yè)現(xiàn)場,利用車載混拌系統(tǒng),完成半成品炸藥或原材料的現(xiàn)場攪拌和敏化,最后通過泵送或螺旋輸送裝填進炮孔,再經(jīng)5～10 min 發(fā)泡后才能成為炸藥。該技術(shù)實現(xiàn)了炸藥制備、運輸和裝填的一體化和標(biāo)準化?，F(xiàn)場混裝作業(yè)技術(shù)具有可靠的安全保證,尤其可消除成品炸藥的倉庫儲存、路途運輸和裝藥作業(yè)中發(fā)生遺失的安全隱患。另外,現(xiàn)場混裝裝藥效率高,每分鐘可混制和裝填炸藥250～300 kg,裝填一個孔徑310 mm 的炮孔,平均只需2～3 min,是人工裝藥工效的數(shù)十倍[11]。對于有水的炮孔,采用現(xiàn)場混裝乳化炸藥時,可通過裝藥軟管從孔底往上裝藥,隨著炸藥的裝入,炮孔中的積水自動排出,減少了水孔排水的施工程序,節(jié)省了裝藥時間[12]。由于炸藥各組分的比例實現(xiàn)了智能化控制,針對不同的巖體,可以動態(tài)調(diào)整炸藥的密度、爆速等參數(shù),使其波阻抗與巖石波阻抗相匹配,甚至可以在同一炮孔內(nèi)裝填不同密度、不同種類的炸藥以適應(yīng)不同的巖體結(jié)構(gòu),使炸藥能量得以充分發(fā)揮,改善爆破效果。

炸藥現(xiàn)場混裝技術(shù)在運輸、生產(chǎn)、使用等幾個環(huán)節(jié)都具有較高的本質(zhì)安全性,是礦山爆破作業(yè)的一大進步。據(jù)統(tǒng)計,2010年,國外現(xiàn)場混裝炸藥的比例達到80% 以上,美國、加拿大和瑞典等國家現(xiàn)場混裝炸藥的比例均超過90%。近年來,我國大力提倡發(fā)展工業(yè)炸藥現(xiàn)場混裝作業(yè)模式?，F(xiàn)場混裝炸藥的產(chǎn)量逐年增加,2019年已達到1.18 Mt,占工業(yè)炸藥總產(chǎn)量的27.1%,同比增長約8%,其占比將在“十四五”時期持續(xù)增加。

綜上所述,礦山數(shù)字爆破是一個集成解決方案,露天爆破智能化發(fā)展的目標(biāo)是:不僅能將爆破參數(shù)及孔位坐標(biāo)傳輸至鉆機系統(tǒng),還能接收并依據(jù)鉆機系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)設(shè)計裝藥參數(shù),也能將裝藥參數(shù)及孔位坐標(biāo)傳輸至現(xiàn)場混裝炸藥車,從而實現(xiàn)鉆機系統(tǒng)、爆破智能設(shè)計系統(tǒng)以及炸藥混裝和裝填系統(tǒng)的有機結(jié)合。

3 爆破綠色化

深孔臺階爆破產(chǎn)生的有害效應(yīng)包括爆破振動、沖擊波與噪聲、粉塵、飛石及各種有毒有害氣體。爆破綠色化就是通過多種手段來降低或消除爆破有害效應(yīng)。

3.1 爆破振動預(yù)測

巖石的爆破過程不可避免地會帶來爆破振動效應(yīng),并且這種效應(yīng)是無法消除的。很多礦山經(jīng)過長期的開采,毗鄰礦界時會逐漸接近村莊、城鎮(zhèn)或者古跡,由于爆破振動而產(chǎn)生的事故或糾紛比比皆是。

《GB 6722—2014 爆破安全規(guī)程》規(guī)定,爆破振動的安全判據(jù)以不同頻率范圍的質(zhì)點峰值振速為指標(biāo),爆破振動強度的預(yù)測沿用了修正后的薩道夫斯基公式:

式中,K和α為與爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù);R為測點至爆區(qū)中心距離,m;Q為延時爆破最大單段藥量,kg;v為質(zhì)點峰值振動速度,cm/s。

應(yīng)用公式(1)對實測數(shù)據(jù)進行線性回歸即可得到預(yù)測公式。該公式僅包含藥量和爆心距兩個因素,對其他裝藥參數(shù)則明顯考慮不足。根據(jù)筆者對多個露天礦山的爆破振動測試分析發(fā)現(xiàn),預(yù)測公式與實測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性有時不高。雖然其誤差波動性較大,但仍有規(guī)律可循,即相對誤差在其均值中心附近分布較密,并向兩側(cè)逐漸減少,這符合隨機誤差的特征,可以認為預(yù)測值的相對誤差X服從正態(tài)分布N(μ,σ2)。對于重要性較高的建筑物,通過現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測,將獲取的數(shù)據(jù)樣本均值和方差作為μ和σ2的估計值,并依據(jù)一定可靠性指標(biāo)(1-α)下速度預(yù)測的最大誤差對公式預(yù)測值加以修正,保證預(yù)測速度值不會顯著低于真實速度值,從而為爆破振動的設(shè)計給出更為安全的設(shè)計依據(jù),具體方法見文獻[13]。

隨著人們對爆破振動認識的深入,單憑振動強度一個指標(biāo)已不能完整地描述爆破振動對周圍環(huán)境的影響。對于工程中的一些重點保護對象,往往需要預(yù)先知道它在爆破振動作用下完整的動力響應(yīng)過程,希望能夠預(yù)測爆破地震波的波形全貌,從而可以對爆破振動的危害進行全面評價。

由于爆破地震波具有波的可調(diào)制性[14],國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了線性疊加模型[15]、非線性疊加模型[16]、基于多組子波的疊加模型[17],這些模型將單孔爆破地震波作為子波對群孔爆破地震波全時程曲線進行預(yù)測。此類模型雖能夠在一定程度上提高爆破振動預(yù)測結(jié)果的準確性和全面性,但鑒于實際的單孔爆破振動波形并不具有復(fù)現(xiàn)性,其預(yù)測精度仍有待改善。為此,人們近年來開始借助地震波隨機模型[18]嘗試實現(xiàn)單孔爆破振動的隨機化。

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)李晨博士以調(diào)制過濾白噪聲為基礎(chǔ),分別采用強度包絡(luò)函數(shù)和單位脈沖響應(yīng)函數(shù)來描述爆破振動波形的強度特征和頻率特征,構(gòu)建了一種單孔爆破振動隨機模型,并據(jù)此改進了安德森疊加模型。圖1所示為該模型在北京昌平鳳山露天礦單孔和群孔(3 孔)爆破振動預(yù)測的應(yīng)用實例,其爆破條件為單孔裝藥量180 kg,爆心距150 m,孔間延時10 ms。圖1 中X1、X2和X3是根據(jù)振動隨機模型模擬生成的3 列單孔爆破振動速度波形曲線,u1則是在此基礎(chǔ)上疊加形成的群孔爆破振動速度波形曲線。由圖1(a)～(c)可以看出,參與疊加計算的單孔隨機爆破振動速度波形,突破了原有地震波線性疊加模型中關(guān)于單孔爆破地震波的復(fù)現(xiàn)假設(shè),更能體現(xiàn)炮孔裝藥起爆后所激發(fā)爆破地震波的真實性。

圖1 單孔裝藥量180 kg、爆心距150 m 下的多孔爆破地震波模擬結(jié)果Fig.1 Simulations of blasting seismic wave with charge of 180 kg and distance of 150 m

需要指出的是,相同爆破條件下應(yīng)用該模型得到的預(yù)測結(jié)果不再是單一曲線,圖2 給出了經(jīng)100次模擬計算的統(tǒng)計結(jié)果。由統(tǒng)計結(jié)果可以看出,多孔爆破振速峰值大致呈對數(shù)正態(tài)分布,其速度峰值的均值和取值范圍均與現(xiàn)場實測結(jié)果相符。

圖2 多孔爆破的地震波的對數(shù)峰值振速分布情況Fig.2 Logarithmic peak velocity distribution of seismic wave in multi hole blasting

3.2 爆破粉塵控制方法

露天爆破的起爆瞬間,空氣中將產(chǎn)生濃度1.5～2.0 g/m3的粉塵,且粉塵分散度高、擴散快[19],其污染程度遠超其他作業(yè)環(huán)節(jié)。隨著人們對粉塵危害認識的加深和國民健康意識的增強,有關(guān)專家及學(xué)者也在不斷深入研究露天爆破粉塵污染的控制問題,并提出了多種露天爆破除塵、降塵技術(shù)。

對于露天爆破而言,在巖塵形成蘑菇云及擴散階段實施捕塵措施的難度比較大,效果也不理想。因此,目前爆破降塵方法主要是在粉塵粒子起跳階段予以控制。常見的降塵措施包括干式除塵、濕式降塵和聯(lián)合式除塵3 種,其中濕式降塵技術(shù)因其效果好、成本低而被廣泛應(yīng)用,也是近年來國內(nèi)外爆破降塵研究的重點方向。濕式降塵技術(shù)包括:

(1)壓力水降塵技術(shù)。鉆孔時向預(yù)采剝巖體工作面內(nèi)提前注入壓力水,爆破作業(yè)時預(yù)濕巖體可對塵源的擴散起到預(yù)防作用,但該技術(shù)對爆破采剝巖層有一定的要求,無裂隙且高硬度的完整巖層中因滲透性差,降塵率往往較低。

(2)爆破水袋降塵技術(shù)。采用水炮泥替代部分黏土炮泥實現(xiàn)降塵,考慮到粉塵的附著性,可在水炮泥中添加一定的無機鹽、陰離子表面活性劑、粘塵劑等添加劑,達到降低水的表面張力、增大其濕潤能力的目的。這種降塵技術(shù)主要對炮孔粉塵有效,無法直接影響到地表粉塵以及巖層擠壓破碎產(chǎn)生的粉塵,降塵效果具有局限性。

(3)泡沫降塵技術(shù)。該技術(shù)主要經(jīng)由空氣、水和發(fā)泡劑等物質(zhì)混合后的物理發(fā)泡過程形成泡沫,泡沫噴灑至爆破區(qū)域內(nèi)可將主要塵源無空隙覆蓋、對粉塵實現(xiàn)包裹,爆破作業(yè)后周圍的粉塵會黏附在一起,增加了粉塵自重,進而達到自然沉降的目的。但是,由于發(fā)泡混合液配比復(fù)雜、發(fā)泡劑應(yīng)用成本高,目前該技術(shù)尚未能夠大范圍應(yīng)用至實際工程。

(4)水幕簾降塵技術(shù)。水幕簾降塵技術(shù)從塵源位置入手,在主要降塵區(qū)域懸掛灌滿水的塑料袋,利用爆破時形成的簾狀水幕區(qū),通過霧化水將粉塵吸附限制在水幕區(qū)域內(nèi),防止其大范圍擴散。但是該技術(shù)實施煩瑣,同時對施工環(huán)境要求較高,在露天環(huán)境中的應(yīng)用效果較差。

近年來,學(xué)者們也在努力提高濕式除塵方法中水介質(zhì)的捕塵能力,如磁化水降塵技術(shù)[20]、超聲波霧化降塵技術(shù)[21]、預(yù)荷電噴霧技術(shù)[22]等。不過受空間、經(jīng)濟性、適用性等因素制約,現(xiàn)階段還無法在礦山巖石爆破降塵中取得較好的應(yīng)用效果。

3.3 沖擊波與噪聲的防治措施

爆破沖擊波又稱為空氣超壓,是炸藥爆炸瞬間在空氣中形成的一種壓縮波。爆破沖擊波的頻率范圍很寬,其中人耳能夠聽到的為噪聲;而大部分頻率小于20 Hz 的分量是人耳聽不到但可以感覺到的,可稱為“振蕩”[23]。噪聲和振蕩共同組成了爆破沖擊波超壓,其強度受到諸多因素的影響(圖3)。

圖3 影響空氣沖擊波的因素Fig.3 Factors affecting air shock wave

由于該問題牽涉巖石和空氣兩相介質(zhì),又受天氣等多種不可控因素的影響,故對空氣沖擊波的預(yù)測和控制往往要比爆破振動、爆破飛石等爆破危害困難得多[23]。此外,由于多數(shù)露天礦山與居民生活區(qū)有一定距離,對其危害性重視程度不夠,目前的研究成果還較少。

既有研究表明[23],裝藥量、炮孔長細比和最小抵抗線決定著空氣沖擊波強度,在爆破設(shè)計和爆破危害預(yù)測時應(yīng)全面考慮,以確保安全。針對爆破沖擊波特點,工程中為有效抑制其強度,常用的控制措施有:

(1)爆破方向盡量背離公眾區(qū)域。

(2)適當(dāng)增大首排炮孔抵抗線。

(3)適當(dāng)增加炮孔填塞高度,但同時應(yīng)綜合考慮破碎效果、場地平整的設(shè)計要求及其飛石等因素。

(4)確保炮孔填塞的質(zhì)量。對有明顯張開裂隙的地質(zhì)條件可考慮間隔填塞。

(5)避免地表導(dǎo)爆索的使用。

(6)采用爆區(qū)頂部覆蓋或設(shè)置周邊聲障等增大沖擊波在空氣中傳播的阻力。

4 總結(jié)與展望

現(xiàn)階段我國露天礦山深孔臺階爆破采剝過程中已初步實現(xiàn)了起爆系統(tǒng)電子化、爆破作業(yè)智能化和綠色化,提升了我國露天礦山的核心競爭力,從而推動露天采礦業(yè)朝向安全、高效、經(jīng)濟、綠色與可持續(xù)目標(biāo)發(fā)展。當(dāng)然,受多因素制約的露天礦山深孔臺階爆破技術(shù)完全成熟需要諸多學(xué)者與工程師們逐步探索與完善,伴隨著電子雷管等新型產(chǎn)品的完善及綠色爆破標(biāo)準化等工作的推進,最終達到智慧綠色爆破開采的目標(biāo)。