露天深孔臺階精細爆破技術研究進展

謝先啟 黃小武 姚穎康 何 理 伍 岳

(1.江漢大學精細爆破國家重點實驗室,湖北 武漢 430056;2.武漢爆破有限公司,湖北 武漢 430056;3.武漢科技大學理學院,湖北 武漢 430065)

露天臺階爆破是在地面上以臺階形式開挖的石方爆破作業[1]，依據孔徑、孔深分為深孔臺階爆破和淺孔臺階爆破。其中，露天深孔臺階爆破技術的開采空間廣闊，方便應用大型機械設備，有利于實現機械化、自動化作業;同時深孔臺階爆破的開采強度更高，生產規模大，便于引進新技術、新方法。因此，露天深孔臺階爆破技術生產效率高、經濟效益好，在礦山、鐵道、公路、水利水電等建設領域得到廣泛應用。例如，2005年3月，太原鋼鐵公司峨口鐵礦開展了大區多排深孔毫秒爆破，一次性爆破871個炮孔，共使用炸藥398.7 t，爆破礦巖130.3萬t，成為目前我國冶金礦山爆破規模最大的深孔臺階爆破作業。2018—2021年武漢爆破有限公司實施了鄂州花湖機場大規模石方爆破工程，采用GPS、無人機、電子雷管等先進設備器材，精準確定孔位、孔深、延期時間等關鍵爆破參數，量化設計、精心施工、精細管理，連續3個月炸藥消耗量均超過100 t/d，高峰期120 d完成2 000萬m3巖石的爆破與轉運。21世紀以來，隨著鉆孔、挖裝和運輸等大型設備的發展，以及數碼電子雷管和現場混裝炸藥等新技術的發展與普及[2-4]，露天深孔臺階爆破規模不斷擴大，機械化、自動化、智能化水平不斷提高，進入精細爆破發展階段。

精細爆破是開啟工程爆破高質量發展的里程碑，其核心思想是爆炸能量釋放和介質破碎過程的精確控制。歷經十余年的發展，精細爆破理念及其技術體系日趨完善，并在土巖爆破、拆除爆破和特種爆破三大工程爆破領域內廣泛應用。實現精細爆破的途徑主要有3個方面:①通過爆破效應的定量分析和準確預測進行量化設計;②采用現代化的施工與管理技術實施精細作業;③依托信息技術等實現爆破過程的監測與反饋。本研究基于精細爆破理念[5-8]，主要從智能爆破設計、露天鑿巖設備、數碼電子雷管、現場混裝炸藥、裝藥結構和起爆網路等方面梳理了露天深孔臺階爆破技術的研究進展，并探討了露天深孔臺階爆破技術的研究發展方向。

1 智能爆破設計

露天深孔臺階爆破設計內容主要包括基礎數據和設計內容兩大部分，前者是方案設計的依據，后者是詳細的爆破參數。在獲取爆區地形、地質數據的基礎上，進行爆破參數設計、模擬分析和方案優化，實現定量化的爆破設計。

近年來，隨著物聯網、云計算、大數據、人工智能科技的不斷進步，以及三維激光掃描(圖1)、無人機(圖2)等攝影測量技術的發展[9]，可為露天深孔臺階爆破的定量化設計提供豐富的基礎數據來源，且預測分析和智能設計系統，使得大規模露天石方爆破設計日益精準化、可視化。施富強等[10-12]利用三維激光掃描技術獲取了爆破對象的三維點云數據，提取了每個炮孔的準確坐標，不僅避免了傳統設計的人為誤差，而且可測量爆堆的巖石粒徑，任意剖面的坡面角度、長度，從而方便定量評價整體爆破效果，實現爆破設計數字化及爆破效果的數字化評估。劉宇[13]使用低空無人機對露天煤礦臺階爆破區域進行掃描，基于多視圖三維重建技術構建了待爆區域的實景三維點云數字模型。

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 露天土巖無人機三維航拍模型Fig.2 UAV 3D aerial photography model of open-pit earth rock

鄂州花湖機場大型石方爆破工程(圖3)中普遍采用無人機技術，在三維攝影測量、開拓路線設計、爆破效果分析等方面發揮了重要作用，為爆破方案設計優化提供了重要支撐。利用三維激光掃描或無人機遙感技術采集爆破環境信息，周期短、時效強，能夠快速且準確地計算爆區面積和體積，節省大量人力和時間。

圖3 鄂州花湖機場大型石方爆破工程Fig.3 Rock blasting engineering on Huahu Airport in Ezhou City

基于三維數字模型，為提高露天臺階爆破設計的科學性、規范性和便捷性，國內外不少學者針對露天臺階爆破先后研發了智能爆破設計系統，典型的露天臺階爆破設計系統如表1所示[14]。近年來，國外的爆破設計軟件正在朝著智能化方向發展，特別是在爆破效果預測方面得到了有效應用，如JKSimBlast、IBlast、Maptek BlastLogic等。其中，最具代表性的是澳大利亞澳瑞凱(Orica)公司研發的SHOTPlus系列軟件，主要用于礦山日常生產爆破優化設計，目前已發展到了第5代(SHOTPlus 5)，用戶可根據需要設置三維爆破區域，指定炮孔尺寸及位置，選擇炸藥類型及裝藥方式，設計起爆網路及延期時間，通過關聯電子起爆系統i-kon實現數字化起爆。國內在爆破設計系統方面的研究起步較晚，研發的軟件大多是基于CAD環境下的二次開發，軟件功能較為簡單。結合生產需求，各大施工企業及科研院校相繼研發了各具特色的爆破設計系統。例如，江西九江華易軟件有限公司研發了爆破設計云系統(圖4)，不僅具備SHOTPlus的設計功能，而且軟件界面和數學建模更加合理。中國葛洲壩集團易普力股份有限公司研發的eblast三維露天礦山爆破設計軟件，通過建立三維可視化模型，采用人機交互方式來編制爆破設計方案，實現了自動爆破設計?；贏utoCAD二次開發系統，白潤才等[15]采用C++語言開發了露天礦爆破設計三維可視化系統，可通過多次演示優化最佳的起爆順序和爆堆形狀，具有較強的適應性和擴展性，顯著提高了爆破管理水平與設計效率。趙明生等[16]運用VC平臺、STL模板庫和OpenGL圖形庫開發了露天臺階爆破智能化設計軟件，實現了布孔和網路的自動化設計。李澤華等[17]基于VC++中MFC開發框架，結合OpenGL開發相關圖形引擎，實現了炮孔自動布置，網路自動連接，藥量自動優化等功能。劉宇[13]對開源點云處理工具Cloud Compare進行二次開發，研發了以三維點云數字模型為數據基礎的露天礦精細爆破設計系統，使得爆破設計更加直觀、形象，得到的精細爆破參數可更加具體地指導爆破施工。

圖4 爆破設計軟件界面Fig.4 Interfaces of blasting design software

表1 典型露天臺階爆破設計系統Table 1 Typical design systems for open-pit bench blasting

作為智能爆破設計的重要環節，巖石爆破效果數值模擬預測及分析是實現爆破可視化設計的主要手段。露天臺階數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ITASCA公司的Blo_Up軟件，以及中國科學院力學研究所提出的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合的數值模擬軟件，主要功能包括爆破誘發巖體損傷、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值模擬軟件，可以計算二維及三維爆破問題，主要功能包括模擬拋擲、堆積過程，預測爆堆形狀、礦巖分選爆破效果等。CDEM(Continuum Discontinuum Element Method)是李世海[18]團隊自主研發的連續—非連續數值模擬方法，將連續介質模型與非連續介質模型進行有機結合，可精確施加爆炸載荷，實現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算(圖5)。目前，CDEM可用于巖石爆破破碎效 果、三維爆堆形態、爆破振動等的精確模擬及分析。

圖5 CDEM方法模擬巖體破碎運動過程Fig.5 Fracture and movement of rock mass simulated by CDEM method

相比于傳統依靠工程技術人員工程經驗的爆破設計，利用智能爆破設計系統，可逐步實現爆破參數、裝藥結構和起爆網路的自動化、智能化設計，通過多種爆破方案的對比分析，給出最優化爆破方案，并對爆破效果進行可靠預測，可在一定程度上降低人工設計的工作強度。

近年來，露天深孔臺階爆破設計的數字化、智能化、可視化設計水平進步顯著，面向爆破工程領域涌現出多款智能爆破設計系統，但大多數尚處在研發和優化完善階段，軟件產品的應用與推廣方面效果不夠理想。露天深孔臺階爆破設計系統的智能化程度還有待提高，可增加專家模塊和共享數據平臺，廣泛借鑒類似工程案例，不斷豐富數據庫，并改進智能學習算法提升設計系統的自主學習能力，以適應復雜多變的地質構造和工程環境。通過整合高校、科研機構及爆破作業單位等各方資源，面向工程爆破行業研發一套集爆破方案選擇、爆破參數設計、起爆網路優化、爆破過程模擬、爆破效果預測和有害效應評估等功能于一體的智能化爆破設計平臺。依托重大工程項目在行業內進行試用、應用，驗證爆破設計系統的可靠性與精確性，并以推介會等形式加大爆破設計系統的商業推廣力度。

2 鑿巖設備與爆破器材

2.1 露天鑿巖設備

目前，我國露天深孔臺階爆破鑿巖設備主要采用潛孔鉆機和牙輪鉆機。20世紀早期，比較先進的鑿巖設備以進口為主，知名礦山設備供應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80年代后，各大廠商紛紛在中國開設生產基地，在很大程度上促進了機械化的鑿巖設備在各大礦山的應用。其中，阿特拉斯·科普柯公司研制生產的PowerROC系列[19]全液壓潛孔式露天鉆機(圖6)，配置高風壓空壓機，適用于露天礦山、采石場等各種軟巖、中硬巖及極硬巖石的鉆孔作業，生產效率高，在業內廣受好評。但是，由于國外設備采購價格及后期維修保養成本較高，并且備件服務不及時，一直備受詬病。歷經十余年發展，國產鑿巖設備與進口設備的差距逐漸縮小，市場份額逐年增加。目前，國內有330多家鉆機相關設備生產廠商[20]，以河北、山東、廣東和浙江企業數量最多，例如宣化金科、宣化邦達、浙江紅五環、浙江開山等。

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

露天潛孔鉆機有分體式和一體式兩種。其中，20世紀50年代國內分體式潛孔鉆機由河北宣化地區生產，在我國大直徑深孔臺階爆破初期發揮了重要作用。但是，該型鉆機的主要工作原理是靠氣壓驅動，鉆機與空壓機分離，鉆機自動化程度低，工作效率不高，且外置的操縱臺使得工人作業環境差，勞動強度大。21世紀以來，隨著國家和社會環保意識的加強及相關制度的建立與實施，國內掀起了一體化鉆機的制造高潮，涌現出了山河智能、志高機械、開山股份等多家研發、制造、生產廠家。近10 a來，國內計算機技術、自動控制技術和傳感器技術的快速發展[21]，使潛孔鉆機、露天液壓鉆機在節能、高效、作業精度和人機環境工程等性能上有了很大提高。一體化潛孔鉆機和露天液壓鉆車逐漸發展成為大型高性能巖石快速鉆爆施工的關鍵設備。

相比于潛孔鉆機，牙輪鉆機鉆孔孔徑更大、鉆孔效率更高，是大、中型露天礦山鉆孔作業的主要設備[22-23]。目前世界上主要生產牙輪鉆機的3家公司都在美國，即比塞洛斯公司(BE)、英格索蘭(IR)和P＆ H公司。我國第一臺達到國際先進水平的YZ35牙輪鉆由中鋼集團衡陽重機有限公司設計制造，經過40多年的生產實踐，該單位根據用戶需求，不斷地對產品進行更新換代和系列化研發與生產。

采用大直徑露天鉆孔設備，鉆孔效率比傳統設備提高了1倍以上[24]，配合大斗容的裝載設備、電鏟等，提高了生產效率，節約了企業成本。例如，我國西藏巨龍銅業驅龍礦山應用YZ-55D型牙輪鉆機(圖7)，鉆鑿孔徑為310 mm，最大可鉆深度為20 m，最大鉆進速度達到2 m/min[2]。

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

近年來，國內外的多家鉆機公司陸續推出了一些新功能鉆機，自動化程度越來越高，在部分功能上基本實現了智能化。智能鉆機系統依靠傳感器在鉆進過程中采集的轉進速度、回轉速度、軸向壓力和扭矩等參數，確定巖石種類，并為爆破設計系統及炸藥裝填系統提供數據。20世紀中期，美國、日本等國家已開始嘗試建立工程巖體質量與鉆進參數之間的定量關系[25]。例如，美國的英格索蘭公司研發的鉆機檢測系統(IRDMS)可以采集鉆進速度、孔深、總進尺等參數，該公司研發的以PLC為基礎的控制系統可監測鉆機的鉆進深度、鉆進速度和回轉速度。

總體而言，近年來隨著設備智能化升級與工業物聯網的應用，大型鑿巖設備的施工效率顯著提升，露天深孔臺階爆破鑿巖設備正朝著大型化、自動化、智能化和綠色環保方向發展。然而，相比于國外先進設備，我國鉆孔設備研發水平依然存在很大的提升空間，需進一步加強推進系統、系統功率匹配節能技術、液壓鑿巖機、自動接卸鉆桿、除塵凈化以及液壓先導集成控制等關鍵技術的研發和攻關。此外，我國還需吸取國外先進設備的發展經驗，進一步研發機動靈活的露天鑿巖設備，適應施工現場多變的工作環境，借助5G、物聯網技術完善鑿巖設備實時通信、智能調度、協同控制等功能，不斷提升露天潛孔鉆機的智能化水平。

2.2 數碼電子雷管

數碼電子雷管具有延時精度高、安全性能好、網路可檢測、延時可編程等優點，同時具備定位跟蹤、密碼綁定等安全監管優勢[26]，已經在露天深孔臺階爆破領域得到了廣泛推廣應用。目前，瑞典的Nobel，澳大利亞的Orica，美國的EB、Austin、SDI，法國的Davey Bickford，日本的旭化成化學株式會社，南非的AEL和Sasol等諸多公司都相繼推出了各自的數碼電子雷管產品，并在全球范圍內得到了廣泛應用。我國自2006年自主研發高精度電子雷管“隆芯一號”以來，國內雷管廠家在相關政策鼓勵下，紛紛開始研制電子雷管，北方邦杰、京煤化工、貴州久聯、西安213所、湖北衛東、南嶺民爆等企業也都生產了數碼電子雷管產品，目前已獲得生產許可的生產企業有34家，其中有32家生產企業(所屬生產集團23家)已投入生產。據相關數據統計[27]，截至2021年末，我國電子雷管生產許可能力為6.7億發，約占雷管總產能27.7億發的24%(圖8、圖9)。2021年11月，工業和信息化部發布的《“十四五”民用爆炸物品行業安全發展規劃》，進一步明確給出全面使用數碼電子雷管的時間節點，即2022年6月底前停止生產、8月底前停止銷售除了工業數碼電子雷管外的其他工業雷管。相關政策文件的頒布和實施，將會提高民爆行業的安全準入門檻，推動企業重組整合，大力化解工業雷管過剩產能。

圖9 2021年電子雷管地區產量結構Fig.9 Regional production structure of electronic detonator in 2021

應用數碼電子雷管，使得露天深孔臺階大規?！爸鹂灼鸨本W路更加可靠，操作更加便捷。大量工程實踐及監測數據證明，應用數碼電子雷管能夠優化孔間延時，不僅有利于改善爆破效果，而且大大提高了生產效率。王濤等[28]在西藏玉龍銅礦成功實施了基于數碼電子雷管的海拔4 650 m以上凍土層區域6臺階排間巖石聯合控制爆破。郭鵬杰[29]在峨口鐵礦爆破開采中應用數碼電子雷管設計爆破網路，對比導爆管雷管網路的實際應用效果，表明數碼電子雷管微差時間的控制精度高，在降低大塊率、減少側翻后翻、降低爆破振動與炸藥單耗等方面效果顯著。葉會師等[30]在司家營露天礦山引入數碼電子雷管，顯著降低了露天采場臺階爆破振動并改善了爆破效果，保證了爆破作業安全可靠、采礦生產連續高效。何桃[31]在新疆別斯庫都克露天煤礦采用數碼電子雷管優化了排間微差時間，降低了炸藥單耗，取得了良好的社會效益與經濟效益。

數碼電子雷管產品的延時精度高，并且可自主設置延期時間。近年來，相關學者以改善破巖效果和控制爆破振動為目標開展了數碼電子雷管延期時間優選研究。鐘冬望團隊[32-34]結合露天礦山生產實踐，系統研究了爆破振動持時特征和微差爆破延期時間的優選方法，結合量綱分析理論和炸藥爆炸能量分配理論，推導了爆破振動持時預測公式和逐孔起爆時孔間合理延期時間的計算公式，并應用隆芯1號數碼電子雷管及銥缽起爆系統開展了現場試驗和室內相似模型試驗予以驗證。謝先啟院士團隊[35]結合鄂州花湖機場紅砂巖石方爆破工程開展了電子雷管爆破振動監測試驗，通過頻譜分析討論了地震波主振頻率的演變規律，研究了疊加波列數與孔間延期時間對合成波形峰值振動速度的影響機制，提出了電子雷管延期時間的確定方法。楊仁樹團隊[36-37]開展了延期時間對巖石破碎影響的數值模擬研究，認為合理的延時間隔不僅有利于臺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，建立了精確延時逐孔起爆振動峰值預測模型，并應用數碼電子雷管開展了深孔爆破試驗驗證了其可靠性。劉倩等[38]從改善破碎效果和降低爆破振動兩方面對國內外露天臺階爆破毫秒延期時間的研究成果進行了梳理，認為最優延期時間的計算公式和經驗值較多，局限性較大，認為逐孔爆破間隔時間的確定方法將是毫秒延時間隔時間研究的主要內容。曹昂[39]研究了孔間延期時間對巖石破碎度、不均勻性和合格程度的影響，結合數碼電子雷管現場爆破試驗數據，認為水工級配料爆破開采的最佳延期時間為10～20 ms。

由此可見，采用數碼電子雷管可主動控制爆破振動效應，有效改善巖石爆破效果，并且滿足國家對民爆物品使用的精準管控要求。在城市等復雜環境下推廣應用數碼電子雷管，可以取得較好的社會效益和經濟效益。然而，由于數碼電子雷管的價格成本高，相關基礎理論研究成果長期滯后于生產實踐，導致其延時精準的優勢尚未得到有效發揮。此外，數碼電子雷管在小斷面井巷、樁基爆破以及含水環境下的拒爆概率偏高[40-42];在拆除爆破領域大規模使用時操作復雜、流程繁瑣[43-44]，這些都嚴重影響了爆破安全和數碼電子雷管的推廣應用。因此，為有效落實工業和信息化部提出的“盡早實現電子雷管全面使用”的要求，早日實現“雙碳”背景下“綠色、安全、智能、高效”的工程爆破愿景，數碼電子雷管產品尚需提高雷管的抗沖擊振動性能、網路的防水性能、大規模使用時的可靠性與操作便捷性，并進一步降低生產成本。

2.3 現場混裝炸藥

現場混裝炸藥是集原料運輸、炸藥混制、現場裝填于一體的高科技產品，具有安全性好、計量誤差小、裝藥效率高、生產成本低等優點[7，45]，可更好地適應大規模露天深孔臺階爆破施工需求?，F場混裝炸藥早期主要在南芬鐵礦、平朔煤礦、哈爾烏素煤礦等國內大型露天礦山推廣應用，現已逐漸向公路、鐵路、機場建設和小型采石場轉移，并取得了良好的經濟效益和社會效益?，F場混裝炸藥(乳化炸藥、銨油炸藥、粒狀銨油炸藥)是我國“十四五”時期產品結構調整的主要方向。根據相關數據統計[46]，截至2021年末，我國現場混裝炸藥生產許可能力達252萬t，占總炸藥產能的41.6%(圖10)?，F有混裝車690輛，所屬生產集團48家。2021年現場混裝炸藥總產量為136萬t，產能利用率達54%。由于各地區礦產類型和開采方式不同，現場混裝炸藥發展水平不均衡，主要集中在我國北方煤炭大省(圖11)。

圖10 2017—2021年現場混裝炸藥年產量變化Fig.10 Annual output variation of on-site mixed explosive from 2017 to 2021

圖11 2021年現場混裝炸藥地區產量結構Fig.11 Regional production structure of on-site mixed explosive in 2021

現場混裝作業技術安全可靠，可從本質上消除成品炸藥儲存、運輸和裝藥作業中發生遺失的安全隱患。通過混裝車自身的定位系統和炸藥流量計量系統，可實現爆破區域內炮孔定位、定量裝藥現場混裝作業?，F場混裝裝藥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十倍[47]。此外，采用現場混裝炸藥自動監測系統，可針對不同性質的巖石動態調整炸藥組分，不僅提高了裝藥密度，而且在同一炮孔內可裝填不同密度、不同種類的炸藥，使炸藥能量得以充分發揮，降低大塊率，克服根底，改善爆破效果。趙明生等[48]通過理論計算分析混裝乳化炸藥配方中不同組分含量對炸藥的爆熱、爆速、爆容的影響，結合現場試驗分析了巖石爆破破碎塊度，發現通過調整炸藥組分中硝酸銨含量可改變炸藥阻抗及爆轟參數，使得炸藥性能可根據不同巖石性質進行調整，實現炸藥匹配的多樣化。

現階段，混裝乳化炸藥技術的研發與推廣效果仍不理想。需要主管部門不斷完善相關政策制度，進一步打破混裝炸藥的發展壁壘:①完善現場混裝炸藥車的生產、購買、銷售審批制度;②明確硝酸銨溶液、乳膠基質的采購和運輸審批流程;③加強現場混裝炸藥車的流動服務過程和炸藥產品的流向監管。盡管目前國內工業炸藥市場仍以包裝型炸藥為主，但是工業炸藥現場制備、現場裝填和爆破施工“一體化”技術已成為當今工業炸藥生產技術的發展趨勢。同時，民爆產品銷售方式和途徑也在發生變化，近些年由生產企業直供給用戶的民爆產品銷售量(直供量)占總銷售量的比例逐年增加。未來，現場混裝炸藥技術的發展潛力巨大，應用前景非常廣闊。

3 爆破施工技術

3.1 裝藥結構

裝藥結構是影響爆破效果和爆破有害效應的重要因素之一，通過選用合理的裝藥結構方式和裝藥參數，改變藥卷周圍不同性質的傳爆介質，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、降低爆破成本。裝藥結構的形式多種多樣[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系可以分為耦合和不耦合裝藥，按藥卷與炮孔的軸向關系可以分為連續和間隔裝藥;通過調整藥包形狀，還可以設計聚能裝藥結構。

近年來，圍繞露天深孔臺階裝藥結構的研究，顧文彬等[51]從阻抗匹配角度對不同裝藥結構能量傳遞進行了理論分析，結合不同裝藥結構對爆破效果影響及遠區振動效應試驗，得出了不同裝藥結構對爆破遠區振動能量的影響規律。李桐等[52]理論分析了爆炸作用下巖體變形及破壞特征，得到不同耦合介質爆破時理論爆炸能量的傳遞效率，并結合數值模擬研究了巖體性質、炸藥類別及不耦合裝藥系數對不同耦合介質爆破時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，并開展了耦合裝藥、軸向不耦合裝藥對比試驗，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，表明空氣不耦合裝藥爆破振動速度—時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動規律，并提出了炮孔堵塞長度的優化原則。

總體而言，影響露天深孔臺階爆破效果的因素很多，相關理論研究尚不完善，通過調整裝藥結構改善爆破效果是一種有效的技術途徑。根據不同的爆破目的，爆破作業應注重炸藥性能與巖石性質相互匹配，深入研究耦合介質、間隔位置、耦合系數等關鍵技術參數，設計科學的裝藥結構，不斷改善爆破效果、降低生產成本、提升施工效率。

3.2 起爆網路

現階段，露天深孔臺階爆破常用的起爆網路[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、對角線順序起爆、徑向順序起爆和組合式順序起爆。隨著數碼電子雷管不斷普及，炮孔起爆延時控制精度更高，逐孔起爆技術得到了廣泛應用，不僅有效控制了爆破有害效應，而且顯著提升了爆破效果。李峰[56]將導爆管雷管應用于逐孔起爆網路設計中，結合雷管段別設置和延期誤差確定出炮孔的最佳延期時間;結合Visual Basic編程語言和計算機輔助設計(CAD)技術，開發了臺階爆破逐孔起爆網路設計系統，實現了延時爆破網路設計的可視化和智能化。于江浩等[57]以神華北電勝利露天礦為研究對象，采用理論分析、ANSYS數值模擬等技術方法，分析了逐孔起爆技術的作用機理，并結合工程實際設計了合理的堵塞長度和起爆網路。王生楠[58]闡述了逐孔起爆爆破的機理、特點，并結合公路爆破工程設計了逐孔起爆網路，改善了爆破塊度并有效控制了有害效應。蘭小平[59]探討了數碼電子雷管逐孔起爆網路的最優延期時間，通過5次爆破試驗調整優化了孔間、排間的延期時間，改善了爆破效果并提高了挖裝效率和采場平整度。張萬忠[60]在新疆某大型露天礦山應用逐孔起爆技術，減少了網路連接時間，提高了生產效率，將爆破對周邊的影響降到了最低。張光權等[61]設計了導爆管雷管逐孔起爆網路，提出了孔內雷管起爆時間的計算公式，并通過計算機編程設計快捷方便地計算出了在既定延時導爆管雷管組合下各孔的起爆時間，清晰地顯示出點燃陣面。

逐孔起爆網路不僅可以創造更多的動態自由面，增強爆炸應力波的反射，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、優化石料塊度，而且可以實現爆破振動、飛石等有害效應的精細控制。隨著高精度導爆管雷管和數碼電子雷管的廣泛應用，逐孔起爆網路將逐步取代傳統的非電導爆管排間微差爆破網路。

4 展 望

近年來，隨著大型鑿巖設備和爆破器材發展進步，以及眾多科研工作者和工程技術人員共同努力，露天深孔臺階爆破技術取得了較大突破，露天臺階爆破逐漸踏上了規模大型化、設計智能化、施工精細化的高質量發展之路，下一階段還應聚焦爆破工程全生命周期，開展智能化設計、精細化施工、精準化管控研究。

(1)在智能爆破設計方面，相關的智能爆破設計系統種類較多，可解決一般爆破工程項目中的爆破方案與爆破參數的優選問題，但目前軟件產品研發深度與工程應用范圍還較為局限。下一步需整合高校、科研機構及爆破作業單位等各方資源，面向工程爆破行業研發一套集爆破方案選擇、爆破參數設計、起爆網路優化、爆破過程模擬、爆破效果預測和有害效應評估等功能于一體的智能化爆破設計平臺。

(2)引進、吸收并發展先進的工程爆破施工裝備技術，提高爆破作業的機械化、自動化和智能化水平。施工設備的性能、規格、特征應能夠適應復雜多變的施工環境，符合人體工程學設計并能提供優良的操作環境。我國露天鑿巖設備研發、制造起步較晚，仍需繼續借鑒國外優秀廠商的先進技術，不斷提升鑿巖設備的性能以及自動化、智能化水平。

(3)推廣應用數碼電子雷管和現場混裝炸藥，不斷提高爆破工程的安全性，加強爆破器材的本質安全，提升爆破工程的社會效益。數碼電子雷管作為國家“十四五”時期重點推廣應用的爆破器材，相比導爆管雷管具有延時精度高、延期時間可調、方便安全管控等優點，在降低爆破振動、改善爆破效果方面具有明顯優勢;但價格偏高，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品的推廣。此外，數碼電子雷管在拆除爆破領域大規模使用時起爆的可靠性和適應性尚待進一步工程驗證。由于數碼電子雷管的推廣應用，大規模逐孔起爆網路是未來發展的主流方向，圍繞爆破振動效應控制和巖石破碎效果優化等需求，相關技術需進一步深入研究。

(4)探索裝藥結構、起爆網路等方面的新技術，加強化學、材料、力學等多學科理論的交叉融合，實現炸藥爆炸能量釋放過程的精細控制，提高炸藥能量利用率，降低爆破有害效應。

(5)開展工程爆破與云計算、物聯網、大數據、高速移動互聯網等現代信息化技術的融合發展，研發智慧監管平臺，實現爆破器材生產、銷售、運輸、使用等全壽命周期的實時監管。