关键词：露天矿山；爆破参数优化；效果预测模型

摘 要：本文聚焦新疆拜城县齐克勒克煤矿火区露天矿山爆破作业，针对其南、北高中部低、西高东低的槽状地形及非均质软硬岩层互层特性展开研究。通过分析特殊地形对爆炸应力波传播的影响，揭示不同岩性界面的能量分配规律；建立基于岩体质量分级的动态参数匹配原则，运用响应曲面法与遗传算法实现多目标约束下的参数组合寻优；开发离散元模拟、振动速度场预测及边坡稳定性评估模型，构建闭环精准定位系统保障施工精度。实践表明，改进型预裂爆破技术结合复合隔振屏障，有效降低边坡振动速度，提升高陡边坡作业安全性。研究成果为同类复杂地质条件下的露天矿山爆破提供技术范式。

新疆拜城县齐克勒克煤矿火区地处槽状地貌区，海拔落差达150米，边坡角跨度大，且存在砂岩与泥岩频繁互层的非均质岩体结构。该区域地震与强降雨频发，传统爆破工艺难以满足高陡边坡稳定性控制需求。现有研究表明，常规布孔方案易引发次生裂隙，单一预裂爆破无法有效阻隔剪切波传播。本研究立足工程实际，综合运用数值模拟、现场监测与智能算法，重点解决复杂地形下的爆炸能量调控、异质岩层破岩机理及边坡振动控制难题。通过建立动态参数匹配体系与多目标优化模型，探索适应特殊地质条件的爆破参数配置规律，旨在为高陡边坡露天矿山提供安全高效的爆破技术方案。

一、研究区地质环境特征及其对爆破作用的影响

1.特殊地形条件下的爆破传播规律

研究区域呈现南、北高中部低，西高东低的槽状地貌格局，这种独特的地势导致爆炸应力波在不同方向上的衰减速率存在差异。中央低谷地带形成的天然汇水通道虽仅季节性过流，但其下方潜藏的软弱夹层会改变冲击波的传播路径。当采用常规布孔方案时，东西向冲沟两侧岩体受拉压交替作用明显，容易产生次生裂隙。鉴于此，需引入地形修正系数对炮孔间距进行分区调节，使爆炸能量沿等高线呈梯级释放。

图1 特殊地形条件

2.非均质岩层组合下的破岩机理

现场揭露的煤系地层表现为砂岩与泥岩频繁互层，两类岩石的波阻抗差异达两倍以上。这种界面效应使得爆炸荷载作用下的能量分配极不平衡，硬质砂岩层吸收大部分动能却难以破碎，而软质泥岩则因过度粉碎消耗额外能量。为此，提出分层延迟起爆策略，利用不同岩性的声速差实现能量时序匹配。通过精确计算相邻排孔的延期时间，促使前一排爆破产生的新自由面引导后续爆炸能量定向作用。

3.高陡边坡稳定性控制的关键技术要点

作业面最大海拔落差达150米，边坡角普遍超过3^∘ ～40^∘ °范围，这对爆破振动控制提出极高要求。传统的预裂爆破工艺在此场景下暴露出局限性：单一预裂缝难以完全阻隔主爆区传来的剪切波，且缝宽不足易被爆生气浪二次破坏。改进方案采用双排预裂孔加缓冲垫层的立体防护结构，外层预裂孔超前主爆孔80毫秒起爆，内层加密孔形成连续阻隔屏障。实践表明，这种分级卸荷方式可使边坡质点振动速度降低至安全阈值以内。

二、爆破参数优化体系的建立

1.基于岩体质量分级的动态参数匹配原则

依据RMR分类系统建立五级岩体质量评价标准，对应设置不同的底盘抵抗线宽度和孔径比值。对于Ⅲ类以下破碎岩体，采取小孔径密布孔策略，配合空气间隔装药结构以缓解夹制作用；Ⅳ级以上较完整岩体则增大孔距并选用耦合装药提高延深效果。关键创新在于引入实时微震监测数据反馈机制，根据每次爆破后的裂隙发育程度动态调整下次循环的炸药单耗[1]。

2.多目标约束下的参数组合寻优算法

构建包含最小根底率、最低大块产出率和最高边坡保存率的综合评价函数，运用响应曲面法进行多因子试验设计。选取孔网参数、装药密度、起爆延时三个主要变量，通过拉丁方抽样生成初始实验方案。经有限元模拟筛选出帕累托最优解集后，采用遗传算法进一步优化权重系数，最终得到满足各项约束条件的全局最优参数组合。该方法突破了单一指标优化的局限，实现了经济性和安全性的平衡。

3.高精度定位系统的实施保障措施

考虑到山区卫星信号遮挡严重的问题，集成北斗差分定位与惯性导航的双重校正系统，确保炮孔开凿精度控制在 ±5 厘米范围内。开发专用钻孔轨迹规划软件，自动避开地质勘探查明的大型节理面。现场部署三维激光扫描仪实时校验孔位偏差，一旦发现超限立即启动应急预案调整周边孔网参数。这套闭环控制系统有效解决了复杂地形条件下的精准施工难题[2]。

三、爆破效果预测模型的开发与验证

1.基于离散元法的岩体破裂过程模拟

采用PFC3D颗粒流程序再现不同参数组合下的岩体破碎全过程。模型内置莫尔-库仑屈服准则和张拉剪复合破坏判据，能够真实反映节理发育程度对裂纹扩展路径的影响。通过对比模拟结果与实际爆堆图像，校准颗粒间粘结强度参数，使虚拟试验场具备复现真实工况的能力。

2.振动速度场的空间分布预测模型

建立考虑地形起伏影响的萨道夫斯基公式修正版，引入高程差作为附加衰减项。采集历史爆破事件的监测数据训练BP神经网络，输入变量包括总装药量、最小抵抗线、测点坐标等，输出为目标点的峰值质点速度。模型验证显示，预测误差控制在 ±15% 以内，满足工程精度要求。

3.边坡稳定性时效评估模块

运用FLAC3D建立考虑爆破累积损伤的边坡渐进失效模型。将每次爆破产生的塑性应变增量叠加到初始应力场，动态追踪潜在滑动面的演化过程。设置多个预警阈值，当某单元达到临界应变时触发分级警报。结合实际发生的小规模塌方事件反演模型参数，优化后的系统成功预测了三次重大险情，证明该模块具有可靠的超前预报能力。

结语

本研究形成的爆破参数优化体系与效果预测模型，成功破解了齐克勒克煤矿火区复杂地质条件下的工程难题。通过引入地形修正系数与分层延迟起爆策略，实现了爆炸能量的梯级释放与时序匹配；开发的离散元模拟平台与振动预测模型，显著提升了参数设计的科学性；双排预裂孔加缓冲垫层的防护结构，将边坡振动控制在安全阈值内。实践证明，该技术体系在保证爆破效率的同时，有效降低了边坡失稳风险。未来可进一步拓展至类似地质条件的露天矿山，通过完善微震监测反馈机制与智能算法迭代，推动矿山爆破技术向精细化、智能化方向发展。

参考文献

[1]王文恒，霍雨，薛开纪.爆破质量对露天矿山的开采影响及优化策略探讨[J].江西煤炭科技，2025，（02）：99-101.

[2]崔年生，楼晓明.露天矿山深孔台阶压渣爆破参数优化研究 [J]. 矿冶工程，2023，43（04）：44-47.