爆破，即利用炸药等爆炸物在短时间内迅速释放巨大能量的过程，是地下岩体开挖中不可或缺的重要手段。这一技术长期且广泛地应用于立井开凿、巷道掘进、隧道施工以及矿场开采等地下工程领域。钱学森先生曾指出爆炸的优势在于其巨大的能量释放和极高的功率，并形象地描述了爆炸的威力：爆炸的好处是威力大而尤以功率极大为其特点。一个直径为1米的TNT炸药圆球，爆炸所释放的能量是3.52×10^9焦耳，功率是4.72×10^10千瓦。这种“毕其功于一役”的特性，可以做很多一般难以做到的事。
21世纪以来，随着浅部资源的枯竭与深地空间的持续开发，地下工程中传统的爆破技术面临着越来越多的挑战，已经无法满足国家高质量发展对地下工程爆破安全、高效、精准的需求，需要爆破技术的不断创新，推动生产力从传统的规模化发展向更高层次、更高质量的方向转型。鉴于炸药爆炸过程的瞬态性和岩体的非均质各向异性，地下工程岩体爆破亟须深入研究3个关键科学问题与技术难题：一是炸药能量释放与爆炸裂纹扩展的精准控制原理还不清晰；二是高效利用爆破正能量破碎岩体和治理灾害的方法不够先进；三是有效控制爆破对围岩损伤破坏负作用的技术尚不成熟。攻克上述三个关键科学与技术难题，不仅是对安全、高效、精准的地下工程爆破技术的迫切需求，更是推动生产力实现质变飞跃、加速国家地下工程建设能力全面提升的重要基石。
在科技部重点研发计划“深井高效破岩与洗井排渣关键技术”和多项国家自然科学基金等国家级课题的资助下，我国科研团队持续三十余年开展了地下工程安全精准爆破理论与技术研究。通过构建爆破能量“精准控制”新理论，创新性地提出“以爆抑灾”新方法，开发“减振降损”新技术，实现了控制爆炸能量“要听话”（指哪儿打哪儿）、“多干活”（高效利用爆炸能量）和 “少惹祸”（削减爆破负作用）的目标。
“要听话”：岩石爆破“精准控制”新理论
“加强基础研究，是实现高水平科技自立自强的迫切要求，是建设世界科技强国的必由之路。”在这样的理念指导下，我们在地下工程安全精准爆破方面不断进行基础理论探索。首次阐释了爆炸能量释放与爆生裂纹扩展的作用原理，原创了岩石爆破“精准控制”新理论。针对炸药能量释放与爆炸裂纹扩展原理尚不清晰的问题，发明了动光弹性与数字图像相关的综合实验方法。该方法揭示了爆炸过程中应力波与爆生气体如何先后叠加作用于岩石破裂，以及P波（纵波）和S波（横波）与爆炸裂纹之间的相互作用机理。在此基础上，推导出了爆炸主应力场的量化表达式。据此，创建了爆炸能量以最快速度沿最小阻力路径释放的岩石爆破最小作用量理论。针对爆炸能量释放的瞬态性，精准调控爆炸能流传播方向难的问题，发明了“紧箍咒”型双聚能结构，阐明了爆炸应力波与双聚能器的相互作用规律，得到了应力波透反射作用下压力计算公式，实现从源头上精准控制爆炸能量释放和裂纹扩展，裂纹长度较普通爆破提高3倍以上，裂纹定向精度控制在2°以内。这些理论创新成果，不仅为实现控制爆炸能量 “要听话”的目标提供了有力支持，还指导了利用爆破手段更有效地抑制灾害并削减爆破产生的振动与损伤。
“多干活”：地下矿山“以爆抑灾”新方法
科技创新是预防和化解重大安全风险的战略性手段，坚持从源头上防范化解重大安全风险，真正把问题解决在萌芽之时、成灾之前。在地下矿山的安全建设方面，我们创造性地提出了“以爆抑灾”新方法，从源头上消除矿山灾害隐患。针对巨厚坚硬顶板易诱发动力灾害、强采动易导致巷道大变形灾变等问题，发明了轴向聚能爆破切块式弱化坚硬顶板方法、采动巷道精准爆破卸压的应力调控技术。使得微震能量峰值降低2个数量级，多个年产百万吨工作面由不可采变为可采；采动巷道由“米级” 大变形控制到“厘米级”小变形，规避了灾变失稳风险。针对金属矿山深孔落矿易导致大面积悬顶的问题，发明了环向聚能爆破方法，揭示了面射流产生机制，配合采用“切—松—爆”控制爆破技术，消除了悬顶隐患，保障了人机安全；矿石产量提高15%，大块率降低35%。上述成果实现了控制爆破能量“多干活”，提高能量利用效率的目标，开创了地下矿山灾害防治新模式。
“少惹祸”：复杂井隧“减振降损”新技术
“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。只有把关键核心技术掌握在自己手中，才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。”必须加快突破关键核心技术，努力实现关键核心技术自主可控，把创新主动权、发展主动权牢牢掌握在自己手中。在地下矿山复杂井隧建设方面，我们因地制宜地研发了一系列复杂井隧爆破“减振降损”新技术，最大限度削减爆破能量负作用。针对深孔爆破效率低、围岩损伤严重等问题，发明了孔内多点起爆和周边“深+浅”孔组合的6米深孔大循环低扰动爆破方法；研发了冻结立井聚能与延时相结合的爆破技术，均化了爆炸应力场，使得立井单循环进尺提高50%，围岩损伤降低33%，振速降低40%，建成亚洲最深纱岭金矿主井和穿过世界最厚冲积层的万福煤矿主井。针对国内外尚无200平方米以上大断面隧道开挖技术规范，超小净距隧道中夹岩柱保护难度大等问题，发明了超大断面五阶段九部开挖方法和超小净距隧道微损伤爆破控制技术，使得爆破振动速度降低60%以上，实现了北京八达岭隧道及地下长城站和深圳莲塘隧道安全高效施工。上述成果助力实现控制爆破能量“少惹祸”的目标，突破了“超深炮孔、超近间距、超大断面”井隧安全高效施工禁区。
该技术的突破和成功离不开产教融合促成的企业工程应用与高校成果研发的背靠背模式，不仅获得了十余项省部级科技奖励与百余项论文发表，还成功应用于国内外多个重大工程项目，如鞍钢集团、山能集团、中铁五局等开发的国内百余项工程，以及塞尔维亚等“一带一路”沿线国家矿业工程，实现了零伤亡、零事故。近三年内已实现约69亿元的经济效益，同时社会和生态环境效益十分显著。
实践证明，该技术所取得的成果是“新质生产力”理念在地下工程爆破领域的生动体现，充分彰显了科技创新在推动生产力跃升中的关键作用。通过揭示炸药能量释放与爆炸裂纹扩展精准控制的“新理论”，提出高效利用爆破正能量破碎岩体和治理灾害的“新方法”，并研发了有效控制爆破对围岩损伤破坏负作用的“新技术”。这些创新使得爆破技术从任性的“坏小子”转变为听话的“建设者”，推动了生产力从传统的规模化发展向更高层次、更高质量的方向转型。未来，随着爆破技术的持续创新与发展，必将引领地下工程领域迈向新高度，催生一系列革命性的技术突破，为我国实现高水平科技自立自强作出新的更大的贡献。
（作者系北京科技大学校长、教授）
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文章刊载于《学习时报》2024年12月11日第6版
本期编辑：王 雪
