3.1 工业炸药与起爆系统

露天与地下矿山爆破作业的核心，不是从产品目录中挑选“爆速最高”的炸药，而是确认产品、炮孔环境、地质条件和起爆系统彼此相容。同一种铵基产品在干燥完整岩体中可能长期稳定，进入积水孔、含活性硫化物岩层或高温老采空区后，风险边界会完全改变。

本节从产品化学体系出发，说明怎样阅读 SDS/TDS、怎样区分实验室感度试验与现场产品验收、怎样识别高温和反应性地质，并用 AEISG、Orica、Dyno Nobel、Enaex 等公开资料展示大型企业如何把产品能力转化成现场控制。产品名称只用于说明方法，不构成采购或使用建议；现场必须采用本国授权产品，并遵守供应商书面技术条件。

3.1.1 工业炸药物性

学习目标

• 从密度、爆速、抗水性及成本等维度比较 ANFO、HANFO、袋装乳化炸药与散装乳化炸药
• 根据孔内水情、岩石强度与台阶几何条件选择炸药类型
• 计算给定孔径与产品规格下的耦合系数与装药密度
• 识别反应性矿岩风险，并在装填铵基炸药前落实缓解措施

核心概念

从化学体系理解商用炸药

矿山工程师通常不需要设计炸药配方，但必须理解各组分在产品中的作用，因为水、温度、污染物和时间首先改变的是化学与物理状态，然后才表现为拒爆、低阶爆轰、NOx 黄烟或异常反应。

Orica 将工业级多孔硝酸铵称为 ANFO 和相关散装体系的核心氧化剂，并明确区分“硝酸铵原料”与“ANFO 成品炸药”。这一区分很重要：硝酸铵可能以氧化性危险品或爆破中间体受管制，经混配、敏化并达到授权条件后才成为相应类别的爆破炸药。Orica 硝酸铵与 ANFO 产品说明

SDS、TDS 与现场授权分别回答什么

以公开产品资料为例，Dyno Nobel 的 ANFO 技术说明明确写明其不用于存在反应性硫化物的地层，常规适用地温为 0–55°C；Orica 的 ANFO SDS 则把外观、相对密度、部分水溶性、冲击/静电敏感性和危险反应作为安全信息列出。两份文件用途不同，但共同说明：“ANFO 是相对不敏感的爆破剂”不等于它在水、热、污染或约束异常条件下仍然安全。Dyno Nobel ANFO TDS、Orica ANFO SDS

爆速、能量和密度应怎样读

• 标称爆速不是材料常数：药柱直径、约束、密度、温度、起爆强度和测试方法都会改变实测 VOD。
• 高爆速不等于总破岩效果一定更好：冲击能、气体能、能量释放速率、岩体结构和临空条件共同决定破碎与抛移。
• 重量能量与体积能量要分开：高密度产品每米炮孔装药量更大，即使单位质量能量接近，体积能量也可能显著提高。
• 计算值与实测值要分开：供应商常用热化学程序给出能量；不同计算代码、截止压力和参照 ANFO 密度会产生不同结果。
• 密度是关键 QC 指标：散装乳化的敏化过程、静压和等待时间可能造成密度变化，应在装药点按产品程序测量，而不是只引用出厂目标值。

参数与指标

公式

• 装药长度（完全耦合）：$L_{\mathrm{c}} = Q / (\rho \times \pi \times (d_{\mathrm{e}}/2)^{2})$ — Q 单位 kg，ρ 单位 g/cm³，d_e 单位 cm，L_c 单位 cm
• 耦合系数：$C_{\mathrm{r}} = d_{\mathrm{e}} / D$ — d_e 为炸药直径，D 为钻孔直径
• 单孔名义能量（近似）：$E = Q \times e$ — e 必须取自同一供应商、同一计算基准的 TDS；不同热化学程序的结果不可直接横向比较
• 单位炸药消耗量校核：$q = Q / (a \times b \times H)$ — a 孔距、b 排距、H 台阶高（m）

工具与标准

• 常用工具：Blast-Drafter 炸药产品库与装药设计；现场密度计/称重法 QC
• 相关依据：现行 GB 6722《爆破安全规程》；产品授权文件、SDS 与 TDS；AEISG 高温与反应性地质规范；UNECE《试验和标准手册》危险品分类方法

操作步骤

1. 勘察孔况：记录涌水（干/潮/流水）、温度及钻后孔径。
2. 岩性分级：依据 UCS 或现场可爆性指数（如 Kuz-Ram A 因子）确定目标 q 范围。
3. 选药：
   • 经测量确认的干孔、常温且非反应性地层 → 可将授权 ANFO 作为经济候选。
   • 湿孔、流水孔或长期睡眠 → 选择 TDS 明确覆盖该条件的乳化或重铵油产品。
   • 高温或反应性地层 → 暂停常规产品选择，进入专项测试和供应商书面批准流程。
4. 校核耦合：生产孔通常追求较充分耦合；轮廓孔采用不耦合装药。具体直径比由轮廓损伤目标、产品临界直径和试爆确定。
5. 反应性矿岩检查：依据地质模型和代表性取样进行实验室筛查；不能只凭硫化物肉眼观察、pH 或一次孔温判断。
6. 批次记录：乳化基质比例、ANFO 油含量、储存条件按 SDS 建档。
7. 现场 QC：抽样称重；散装药柱用密度计或体积/重量法确认。

炸药选型流程

炸药产品对比

知识延伸

能量传递与破碎机理：炸药在孔内爆轰时，冲击波与膨胀气体共同作用于岩体。完全耦合装药使能量高效传入围岩，适用于生产爆破；不耦合装药通过增大孔壁空隙，降低峰值压力、延长压力脉冲作用时间，有利于形成可控裂隙面而非过度粉碎。孔壁压力近似正比于 $\rho \times VOD^{2} \times C_{\mathrm{r}}^{2}$，故降低耦合系数或选用较低爆速产品，是轮廓控制的核心手段。

ANFO 与乳化体系选型逻辑：ANFO 成本低、需干孔，适合大规模软—中等硬度露天台阶；乳化体系抗水、密度高、爆速高，适合硬岩与湿孔。HANFO 在成本与性能间折中。散装 MMU 将混制前移至现场，消除运输与储存中的部分风险，但要求混装车队与规范化管理。选型应同时考虑：年炸药消耗量、孔径分布、水文地质、以及反应性矿岩可能性。

反应性矿岩：部分硫化物及其风化产物可与硝酸铵体系发生放热反应。危险程度由矿物组合、氧化状态、水、酸度、温度、接触面积和暴露时间共同决定，因此“含黄铁矿”不是充分判据，“暂时没有升温”也不是安全证明。详见 反应性矿岩引发矿山爆炸风险。

“炸药跌落法”到底测什么

中文资料常把不同试验都简称为“跌落试验”，实际至少包含三类不同问题：

BAM 落锤与摩擦、热稳定、间隙或其他试验应作为一组证据理解，不能用单个“落高”给炸药排出绝对安全顺序。联合国《试验和标准手册》第八修订版及 2025 年修正案给出了危险品分类框架；英国 HSE 也把 BAM Fallhammer、BAM friction、热稳定等列为爆炸品分类测试。此类试验应由有资质的实验室按标准实施，矿山不得自行仿制。UNECE《Manual of Tests and Criteria》Rev.8、英国 HSE 爆炸品测试项目

AEISG 反应性地质管理框架

AEISG《Elevated Temperature and Reactive Ground》Edition 5 把管理分为两个实验室步骤：

1. 反应性筛查：用具有代表性的地层样品判断其是否会与硝酸铵体系发生放热反应。
2. 产品选择试验：对已经确认反应性的样品，验证具体受抑制产品是否适用，并确定允许睡眠时间。

其等温试验在常温场地采用 55°C ± 2°C 的标准条件；若现场可能更热，则测试温度不能低于风险评估确定的最高装药温度。试验持续记录温度，并观察变色、气体释放等反应迹象。这个框架比“测一次 pH，正常就装药”严格得多。

一套可执行的现场体系应包括：

• 把含硫化物、风化带、老采空区和自燃区编入三维地质危险域；
• 按地质域制定取样计划，保留样品位置、深度、氧化程度和水分信息；
• 明确炮孔测温方法、仪器校准、测量深度、复测间隔和上升趋势判据；
• 为普通、受抑制和禁止装药状态建立清晰的孔级标识；
• 将炸药和起爆系统的温度等级、睡眠时间取两者中更严格者；
• 对睡眠时间延长、雷雨、停装、异常气味/烟雾、孔温升高和拒爆设置升级响应；
• 由矿山与炸药供应商共同批准产品，并在地质或配方变化后重新验证。

大型企业案例：安全边界由测试建立

Orica × Tata Steel West Bokaro（印度，2026）：老地下采空区煤层持续燃烧，使部分露天炮孔超过 55°C。Orica 对 13 个岩样开展反应性测试，部分样品在高于 55°C 时与硝酸盐体系发生反应。项目随后采用受抑制药卷、匹配的耐温起爆系统、两次孔温记录和专门 SOP；21 次高温区爆破使用约 7.8 t 产品，试验期最大孔温 79°C。这个案例的价值不是照搬其 80°C 现场限值，而是展示“地质采样—产品试验—孔级测温—系统相容—培训—现场试验”的批准链。Orica West Bokaro 案例

Orica × Resolution Copper 10 号竖井（美国）：在反应性测试尚未完成时，项目先按保守原则指定受抑制产品；后续试验证明地层不会与铵基炸药产生相应放热反应后，才允许转用非抑制散装乳化。随着井深增加，炮孔和涌水温度又成为新约束。案例说明“反应性”和“高温”是两个相关但不同的危险域，任何一个都可能控制产品选择。Resolution Copper 10 号竖井技术论文

Dyno Nobel ANFO 产品边界：其公开 TDS 直接将反应性硫化物条件排除在 ANFO 适用范围之外。这类“禁止使用”条款应作为设计输入，而不是等到现场异常后再讨论性能补偿。Dyno Nobel ANFO TDS

企业案例提供的是问题解决路径，不是跨矿山通用参数。产品名称、温度等级、起爆方式和睡眠时间必须以本地区现行 TDS、授权文件和矿山—供应商联合试验为准。

常见误区

• 向积水孔装 ANFO → 拒爆或低阶反应；必须抽水或换抗水产品。
• 混淆密度与耦合系数 → 高密度乳化装入 oversized 孔仍可能不耦合。
• 用统一“最小孔径”代替具体 TDS → 临界直径受产品、密度、约束和温度共同影响。
• 用钻屑（细粒、含水）作填塞 → 吹飞风险；应使用角状碎石。
• 忽视反应性矿岩 → 硫化物矿体与铵盐可发生放热反应。

关联章节

• 3.2.1 台阶爆破参数 — 单位炸药消耗量与装药长度计算
• 3.2.3 光面爆破与预裂 — 不耦合轮廓装药
• 3.3.2 地下长孔爆破 — 掘进工作面袋装乳化
• Blast-Drafter — 炸药产品库与装药设计

自测要点

1. 湿孔（D = 140 mm）石灰岩需 Q = 85 kg，比较乳化（ρ = 1.20）与 ANFO（ρ = 0.83）的装药长度，并判断应选何种产品。
2. 矿场由袋装乳化改为散装 MMU，年耗 400,000 kg、袋装单价 0.95 USD/kg、成本降 25%，求年节约额。
3. 轮廓孔 D = 76 mm、45 mm 乳化药卷，计算耦合系数并判断耦合/不耦合类型。

3.1.2 起爆系统

学习目标

• 区分导爆管（Nonel）、电子雷管与电雷管系统在延期精度与现场可靠性上的差异
• 设计孔内 + 地表双延期网路，实现逐孔或逐排起爆时序
• 计算地表延期组合，避免振动叠加窗口内的时序重叠
• 应用最小安全距离，并用现场振动模型校核

核心概念

参数与指标

公式

• 绝对起爆时刻：$T_{\mathrm{f}} = D_{in} + D_{surf} + T_{offset}$
• 等效同时药量（振动）：将 |T_f,i − T_f,j| < 叠加窗口 t_overlap 的孔合并为等效 Q，用于 Sadovsky 计算
• 单段最大药量（Sadovsky 反算）：$Q_{\mathrm{\max}} = R^{3} \times (V_{\mathrm{allow}} / K)^{3/\alpha }$ — 见 3.2.2
• Nonel 地表传爆时间：$T_{hook} = L_{tube} / 2000$ — L_tube 单位 m，相对 ms 级延期可忽略

工具与标准

• 常用工具：Blast-Drafter 延期设计与振动预测；地震仪实时监测
• 相关依据：现行 GB 6722；起爆系统授权与供应商手册；矿山爆破作业规程、雷电与杂散电流管理程序

操作步骤

1. 明确起爆目标：逐排（标准生产）、逐孔（严格控振）或逐段（高台阶）。
2. 选择系统：
   • 常规生产且固定段别能满足时序与振动目标 → 可比较非电系统。
   • 需要逐孔可追溯、自定义时序、网路诊断或精细控振 → 比较授权电子系统。
   • 存在雷电、杂散电流、射频或高压设施 → 按产品抗干扰等级、法规和供应商程序做专项评估，不能用“电子”或“非电”标签替代风险分析。
3. 分配孔内延期：同排内孔内延期相同、由地表区分排次；大排药量时错开孔内延期以打破叠加。
4. 分配地表延期：沿工作面起爆时刻单调递增；避免相差恰为一个 MS 间隔的组合（加强风险）。
5. 检查叠加：列出所有绝对起爆时刻；标记相差 < 8 ms 的孔对。
6. 校核单段药量：按唯一起爆时刻汇总药量；对照振动限值。
7. 三次爆破会议：装药检查 → 网路连接检查 → 最终清场与闭锁。
8. 爆后记录：拒爆、乱序证据（地震记录）、实测离散度。

起爆网路设计流程

起爆系统对比

知识延伸

延期精度与振动控制：Sadovsky 公式把最大段药量压缩成一个统计变量，实际受体处的波形叠加还受传播时间、主频和地层路径影响。电子雷管可减少起爆时刻不确定性，但“把每孔错开”并不自动保证 PPV 下降；某些间隔会使相邻孔波形同相叠加。设计应制作绝对起爆时刻表，并用实测波形或签名孔分析验证。

起爆网路可靠性：非电系统减少常规电能直接触发风险，但仍会受到雷电、冲击、火焰、管路切断和错误连接影响；电子系统提供雷管身份、线路测试和可编程时序，但必须按其专用设备、连接限值、EMC 和雷电程序工作。地表连接应防倒接、管线折损、接头埋压和未标记废孔。

安全距离的本质：警戒边界应覆盖人员可能受到飞石、冲击波、烟气或其他爆破影响的区域。弱填塞、超载孔、异常抵抗线、软弱夹层和不利地形都可能使历史固定半径失效，因此应依据孔级实测、历史飞石包络和最不利情景确定，而非把 300 m 当作国际统一值。

电子起爆系统案例与产品化思维

Enaex 公布的 DaveyTronic Swift 地下案例中，不同项目报告了进尺、超挖和循环时间改善；这类结果说明精确延期、网路诊断和标准模板可能改善执行一致性，但不能证明“换电子雷管必然提高进尺”。评价时应拆分四个因素：钻孔质量是否同步改善、掏槽设计是否改变、延期离散是否下降、现场连接和等待时间是否减少。Enaex DaveyTronic Swift 案例页

对任何起爆系统，工程师应建立“系统级”技术表，而不是只保存雷管延时范围：

• 授权 UN 编号、危险类别和适用司法辖区；
• 雷管、导线/导爆管、连接器、编程器、测试器和起爆器的版本相容性；
• 最大网路规模、支路与电阻/通信限制；
• 温度、静水压、睡眠时间、抗冲击与 EMC 条件；
• 雷电停工、测试错误、雷管身份冲突、断线和拒爆的处理程序；
• 软件日志、编程清单、实爆回读和原始振动波形的保存要求。

AEISG 推动联合国为电子雷管设置独立运输条目，正说明电子雷管不能长期沿用“电雷管”的名称和分类逻辑。运输分类、现场电气安全和起爆性能是三个相关但不同的问题。AEISG 关于电子雷管 UN 条目的说明

常见误区

• 延期叠加歧义：孔内 25 ms + 地表 25 ms 可能产生 50 ms 与 25 ms 的混淆 — 必须列表计算绝对时刻。
• 倒接地表线：末排接首排 → 整面齐爆。
• 导管折损：用钳子压接 Nonel 导致传爆失败；须用专用夹具。
• 杂散电流：电雷管在雷雨或高压线附近灾难性；多数矿区已禁用。
• 过度依赖固定安全半径：弱填塞、异常抵抗线或超载孔可突破历史飞石包络。

关联章节

• 3.2.2 爆破振动控制 — Sadovsky 公式与 Q_max 推导
• 3.2.5 爆破设计软件流程 — Blast-Drafter 延期设计
• 3.3.3 爆破警戒与振动监测 — 现场监测与报告
• 博文：为何为地下采矿工程师开发爆破设计软件

自测要点

1. 一排 5 孔各 180 kg，K = 100、α = 1.8、R = 400 m、V_allow = 8 mm/s — 整排同时起爆是否合规？计算允许 Q_max。
2. Nonel 方案孔内延期 25、50、75、100 ms，排间地表 25 ms — 列出第一排 4 孔绝对起爆时刻，并找出 8 ms 内的重叠对。
3. 比较 10 排 × 8 孔在（a）排间 25 ms Nonel 与（b）逐孔 17 ms 电子起爆下的总爆破时间窗。