爆炸技术在复杂地质条件下矿山开采的精准爆破参数优化

一、引言

矿山开采作为资源开发的重要方式，在国民经济发展中占据关键地位。然而，随着浅部资源的逐渐枯竭，矿山开采不断向深部延伸，面临的地质条件愈发复杂，如断层破碎带、岩性多变、高地应力、地下水丰富等 。在复杂地质条件下进行爆破作业，传统的爆破参数设计方法难以满足工程需求，容易出现爆破效果不佳、矿石贫化率高、安全事故频发等问题。精准优化爆破参数，成为提高复杂地质条件下矿山开采效率、保障作业安全、降低开采成本的核心问题。因此，深入研究爆炸技术在复杂地质条件下矿山开采的精准爆破参数优化具有重要的现实意义和工程价值。

二、复杂地质条件对矿山爆破的影响

（一）地质构造的影响

断层破碎带：断层破碎带区域岩石破碎、结构松散，爆破时爆炸应力波在破碎带中传播会发生散射、衰减，导致爆破能量难以有效传递，影响爆破范围和破碎效果。同时，破碎带容易引发爆破震动的放大效应，增加对周边岩体和建筑物的破坏风险 。

褶皱构造：褶皱构造改变了岩石的原始产状和应力分布，使得爆破时岩石的破碎方向和抛掷方向难以预测。在褶皱核部和翼部，岩石受力状态不同，爆破参数若不进行针对性调整，可能出现局部过度破碎或破碎不充分的情况，影响矿石的开采质量和效率。

（二）岩性变化的影响

不同岩性的岩石具有不同的物理力学性质，如硬度、密度、弹性模量等。在岩性多变的矿山，若采用统一的爆破参数，对于硬度较高的岩石，可能无法达到理想的破碎效果；而对于硬度较低的岩石，则可能造成过度破碎，增加矿石贫化率和开采成本 。此外，岩性变化还会影响爆炸应力波的传播速度和衰减规律，进一步影响爆破效果。

（三）地下水与高地应力的影响

地下水：地下水的存在会降低岩石的强度和稳定性，使岩石的抗爆性能发生变化。同时，地下水会稀释炸药能量，影响炸药的爆炸性能，导致爆破威力下降。在有水环境下进行爆破作业，还需要考虑防水措施，增加了爆破作业的复杂性和难度 。

高地应力：深部矿山往往存在高地应力，应力集中区域的岩石处于高储能状态。爆破时，高地应力会与爆炸应力波相互作用，改变岩石的破碎模式和抛掷方向。此外，高地应力还可能引发岩爆等地质灾害，对爆破作业安全构成严重威胁。

三、精准爆破参数优化方法

（一）理论分析与经验公式计算

基于爆炸力学、岩石力学等理论，结合矿山的地质条件和工程经验，建立爆破参数计算模型。例如，根据岩石的坚固性系数，利用经验公式计算炮孔直径、炮孔间距、排距、装药量等参数 。这种方法具有计算简便、快速的优点，但由于经验公式的局限性，其计算结果往往需要结合实际情况进行修正，适用于初步的爆破参数设计。

（二）数值模拟方法

利用数值模拟软件，如 ANSYS、LS - DYNA 等，建立复杂地质条件下的矿山爆破模型。通过输入岩石力学参数、炸药性能参数和地质构造信息，模拟炸药爆炸后应力波的传播、岩石的破碎过程以及爆破震动等效应 。数值模拟可以直观地展示爆破过程中岩石的动态响应，帮助工程师分析不同爆破参数对爆破效果的影响，从而优化爆破方案。例如，通过改变炮孔间距、装药量等参数，对比模拟结果，选择最佳的爆破参数组合。

（三）现场试验与监测

在矿山现场进行爆破试验，设置不同的爆破参数组合，观察爆破效果，收集相关数据，如岩石破碎块度分布、爆破震动强度、飞石距离等 。同时，利用先进的监测技术，如振动监测仪、高速摄像机等，对爆破过程进行实

时监测。通过对试验数据和监测数据的分析，总结爆破参数与爆破效果之间的关系，不断调整和优化爆破参数。现场试验与监测能够真实反映复杂地质条件下的爆破情况，是精准爆破参数优化的重要手段。

（四）智能优化算法

近年来，智能优化算法在爆破参数优化中得到了广泛应用。如遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等，这些算法通过模拟自然进化或群体智能行为，在复杂的参数空间中搜索最优解 。将智能优化算法与数值模拟或现场试验相结合，能够更高效地找到最佳爆破参数组合。例如，利用遗传算法对数值模拟中的爆破参数进行优化，以岩石破碎效果和爆破有害效应为目标函数，通过不断迭代计算，得到最优的爆破参数。

四、应用案例分析

（一）案例背景

某金属矿山开采区域存在大量断层破碎带和岩性变化带，同时地下水位较高，爆破作业面临诸多困难。传统爆破方式导致矿石大块率高，二次破碎成本增加，爆破震动对周边巷道和设备造成严重影响，开采效率低下。

（二）爆破参数优化过程

理论分析与初步设计：根据矿山地质勘查资料，利用经验公式初步确定炮孔直径为 90mm ，炮孔间距 1.2m ，排距 1.0m ，单孔装药量 1.5kg 。

数值模拟优化：运用 LS - DYNA 软件建立爆破模型，模拟不同爆破参数下的岩石破碎和震动情况。通过多次模拟计算，发现减小炮孔间距至1.0m ，增加单孔装药量至 1.8kg ，能够提高岩石破碎效果，同时控制爆破震动在安全范围内 。

现场试验验证：按照数值模拟优化后的参数进行现场爆破试验，并对爆破效果进行监测。试验结果显示，矿石大块率从原来的 25% 降低至12% ，爆破震动峰值速度下降了 30% ，达到了预期效果 。

参数调整与确定：根据现场试验数据，对爆破参数进行微调，最终确定炮孔直径 90mm ，炮孔间距 1.0m ，排距 0.9m ，单孔装药量 1.7kg 为最优爆破参数组合。

（三）优化效果

采用优化后的爆破参数进行开采作业后，矿山的开采效率提高了20% ，二次破碎成本降低了 35% ，爆破震动对周边环境的影响显著减小，保障了矿山的安全生产，取得了良好的经济效益和社会效益。

五、结论

在复杂地质条件下进行矿山开采，精准优化爆破参数是提高开采效率、保障作业安全、降低成本的关键。通过深入分析复杂地质条件对爆破的影响，基于爆炸应力波理论、岩石破碎理论和能量匹配原理，采用理论分析、数值模拟、现场试验和智能优化算法等多种方法，可以实现爆破参数的精准优化。实际工程案例表明，优化后的爆破参数能够显著改善爆破效果，提高矿山的经济效益和社会效益。尽管目前爆破参数优化面临诸多挑战，但随着多学科交叉融合、智能化技术的发展以及对绿色爆破技术的追求，未来在复杂地质条件下矿山开采的精准爆破参数优化领域将取得更大的突破，为矿山工程的可持续发展提供有力的技术支撑。

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