一、研究的背景与问题
铁矿石供应能力严重不足成为钢铁原料供应链“脆弱”的关键，其保障程度关系到国民经济稳定发展和国家安全。金属矿山正面临着“由上至下，由浅至深、由易至难”的关键转型期，在生态环境和生产成本双重压力下，安全、绿色、高效开采是必然选择。作为金属矿山采掘难以替代的重要手段，爆破还面临着关键科学与技术难题亟待研究解决：炸药爆炸做功与岩体破碎耗能的耦合作用机理尚不清楚；炸药能量释放与爆炸裂纹扩展的有效控制原理还有待进一步研究；其表现技术方面的问题主要有：爆破落矿块度大、贫化率高；爆破掘进效率低、成型差；爆破设计水平低、精准性差。
针对以上关键科学和技术难题，北京科技大学杨仁树教授团队依托国家和省部级科研项目的支持，并以鞍钢弓长岭井下矿为工程背景开展科研攻关。通过爆炸能量释放精密控制原理的研究，实现了理论创新和爆破技术的突破，建立了金属矿山安全高效爆破工艺技术体系，将研究成果服务于工程应用并逐步推广使用，取得了良好的社会和经济效益，为提升我国金属矿山铁矿石产能提供了保障，2021年该成果荣获冶金科技进步一等奖。
二、解决问题的思路或方案
针对存在的问题，开展了炸药爆炸能量释放有效控制以及能量高效利用机理研究，据此开发了“CLB”无底柱分段崩落爆破技术、准楔形复式高效掏槽爆破技术、聚能药包定向断裂控制爆破技术；研发了无底柱分段崩落法爆破智能设计系统、巷道掘进爆破智能设计系统。实现了地下矿山采矿工程的精细爆破。
图1 地下矿山采矿工程精细爆破技术研究思路
三、主要创新性成果
建立了爆破模型试验新系统，揭示了爆炸应力波和爆生气体的作 用机理、爆炸应力波与裂纹相互作用机理，为爆破技术开发提供了理论依据。提出了多临空面理论，在此基础上发明了“CLB”无底柱分段崩落爆破方法，显著提高爆破效果和放矿效率。针对巷道爆破效率低，发明了准楔形复式掏槽爆破方法以及聚能药包周边定向断裂控制方法，提高了巷道的掘进速度和爆破质量；研发了无底柱分段崩落法爆破智能设计系统和巷道掘进爆破智能设计系统，实现了地下矿山爆 破的精细化、智能设计。
主要创新性成果如下：
1、集成开发了研究岩石爆破机理新方法，揭示了炸药能量释放有效控制与高效利用机理，实现了对爆破机理研究由定性分析到定量研究的变革，为技术开发提供理论支撑；
2、提出了“切-松-爆”的“CLB”无底柱分段崩落爆破方法，解决了爆破大块率和贫化率高等技术难题；
3、开发了准楔形复式掏槽与周边定向断裂控制爆破技术，解决了巷道掘进效率低、成型质量差的难题，实现了优质高效安全施工。
4、研发了无底柱分段崩落与巷道掘进爆破智能设计系统，解决了爆破参数优化技术难题，实现了爆破方案设计的科学化和智能化。
四、应用情况与效果
“CLB”的无底柱分段崩落爆破思想：利用定向断裂技术对边孔先爆破，形成平整的滑落面；对中间部分炮孔采用松动爆破，增大自由面；剩余炮孔最后爆破，改善放矿效果。采用“CLB”技术，块度集中分布在100~600mm区间，矿石产量提高10%。
图2 “CLB”平面示意图；图3 “CLB”装药
发明的准楔形复式掏槽爆破新方法，第一阶段主掏槽孔先爆破，形成新的临空面；第二阶段辅助掏槽孔和中心孔后爆破，扩大临空面。同时建立了掏槽孔、辅助孔深度与超深系数之间的关系。炮孔利用率达97%以上。研究了聚能器约束下的爆炸能流释放效应，获得了爆炸冲击波与爆生气体优先沿释能槽方向传播。周边眼间距增加50%，超/欠挖控制在100mm以内，保障了周边成型质量。综合采用以上技术，炸药单耗降低6.1%，炮孔利用率提高13%。
图4 准楔形复式掏槽炮眼布置；图5 定向断裂爆破示意
提出了爆破参数混合智能方法，建立了爆破方案智能推理模型，实现了不同地质条件下精细爆破方案的科学决策，解决了地质信息智能识别与实时读取的技术难题，实现了金属矿山无底柱分段崩落法精细化爆破全过程动态智能设计。提出了基于数据挖掘融合人工智能爆破参数优化方法，建立了爆破方案智能设计与图形绘制一体化平台，实现了金属矿山巷道掘进爆破参数智能优化与爆破图表智能绘制。工作效率提高5倍以上。
图6 无底柱分段崩落法爆破智能设计系统
研发的“CLB”采矿技术、准楔形复式掏槽技术、周边定向断裂控制爆破技术，开发的巷道/无底柱爆破智能设计系统，首先在鞍钢集团弓长岭铁矿成功应用。研究成果正在鞍钢矿业集团眼前山铁矿以及海南矿业石禄铁矿推广应用。对突破资源与环境双重约束、保障重要金属资源安全高效开发具有重要意义。
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