爆破岩石的多个岩层或主平巷的方法.pdf

在爆破场(16)中爆破多个物质层(38，40，42，44)的方法，该方法可减少暴露下面的物质层所需的机械挖掘量。所述方法包括利用通过所有层的几排等间距的爆破孔(18，20，22，24)，以及另外仅向下通过顶层(40)的中间几排爆破孔(26，28)。每个爆破孔用炮泥材料盖住，还包含一个或多个炸药层(46)和起爆器(48)，空气层或惰性炮泥(45)将相邻的炸药层(46)隔开。首先引爆层(40)中的起爆器，引爆顺序为从排(18)向后，将显著量的爆破物从层(40)向自由面(12)向前抛到场地(34)。在同一爆破循环作业中，在抛掷爆破的几秒钟内，引爆在层(42，44)中的炸药，使之发生直立爆破，层(38，42，44)中的物质破碎，但尽可能少地发生位移或向前抛掷。层(38，44)可以是煤层，它们为中间岩层(42)所分隔，并为覆盖岩层(40)所覆盖。

1.  一种在爆破场爆破多层物质的方法，所述爆破场包括包含至少第一物质层的第一物质体和位于该第一物质体之上且包含至少第二物质层的第二物质体，该爆破场在第二物质体层面上至少有一个自由面；所述方法包括：在对至少第一和第二物质体进行打孔、装药和爆破的单循环过程中，在爆破场打爆破孔穿过第二物质体，且至少部分爆破孔至少深入第一物质体，在爆破孔中装填炸药，然后点燃爆破孔中的炸药，其中，所述第一物质体在所述单循环作业中进行直立爆炸，所述第二物质体在所述单循环作业中进行抛掷爆炸，使至少大部分第二物质体被完全抛掷到爆破场中所述至少一个自由面之外的地方。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述爆破是多个物质岩层爆破，所述物质岩层包括包含至少一个第一物质岩层的第一物质体和位于该第一物质体上且包含至少一个覆盖岩层的第二物质体。

3.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，至少15％的第二物质体在所述单循环作业中被完全抛到爆破场外面。

4.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，至少20％的第二物质体在所述单循环作业中被完全抛到爆破场外面。

5.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，至少25％的第二物质体在所述单循环作业中被完全抛到爆破场外面。

6.  如权利要求2所述的爆破方法，其特征在于，所述第二物质体基本上由覆盖岩层组成。

7.  如权利要求6所述的爆破方法，其特征在于，所述第二物质体中的炸药与第二物质体底部隔开。

8.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，在所述第二物质体的至少一些爆破孔中，每个爆破孔里的炸药形成一个主炸药柱，并在该主炸药柱下面与之隔开形成较小的炸药层。

9.  如权利要求8所述的爆破方法，其特征在于，所述较小的炸药层以不同于主炸药柱的延迟时间点火。

10.  如权利要求2所述的爆破方法，其特征在于，所述第一物质体包含至少两个可回收的矿层和位于它们之间的至少一个中间岩层。

11.  如权利要求10所述的爆破方法，其特征在于，所述第一物质体中的炸药只设置在所述至少一个中间岩层里。

12.  如权利要求11所述的爆破方法，其特征在于，所述中间岩层里的炸药与可回收的矿层隔开。

13.  如权利要求12所述的爆破方法，其特征在于，所述爆破孔没有钻到第一物质体中的最下面的可回收的矿层中。

14.  如权利要求11所述的爆破方法，其特征在于，在中间岩层的至少一些爆破孔中，每个爆破孔里的炸药形成一个主炸药柱，并在该主炸药柱下面与之隔开形成较小的炸药层。

15.  如权利要求14所述的爆破方法，其特征在于，所述较小的炸药层以不同于主炸药柱的延迟时间点火。

16.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，所述第二物质体中的炸药孔并非全部延伸到第一物质体。

17.  如权利要求16所述的爆破方法，其特征在于，所述第二物质体中至少有一些爆破孔没有延伸到第二物质体的底部。

18.  如权利要求2所述的爆破方法，其特征在于，第三物质体位于所述第一和第二物质体之间，该第三物质体包含至少一个覆盖岩层和/或可回收的天然矿层，并且，在所述单循环作业中对第三物质体实施抛掷爆破，其爆破设计方案不同于第二物质体在所述单循环作业中进行的抛掷爆破。

19.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，所述第一物质体在由第二物质体的抛掷爆破确定的抛掷方向得到缓冲。

20.  如权利要求19所述的爆破方法，其特征在于，所述缓冲至少部分是由在所述单循环作业的所述抛掷爆破中从第二物质体抛掷出来的物质提供的。

21.  如权利要求20所述的爆破方法，其特征在于，用来为第一物质体提供缓冲材料的一部分第二物质体靠近所述至少一个自由面，并被第二物质体的所述部分中爆破孔里的各炸药层分成几层，并且所述部分的任一层中的所有炸药层先于所述部分在所述层下面的一层中的任何炸药层进行点火。

22.  如权利要求20所述的爆破方法，其特征在于，所述第一物质体中爆破孔里的炸药从远离自由面位置的爆破背面向着靠近自由面位置的爆破正面引爆。

23.  如权利要求22所述的爆破方法，其特征在于，引爆第一物质体中靠近爆破背面的爆破孔中的炸药，同时在所述单循环作业中被抛掷爆破所抛出的第二物质体中的物质还在空中。

24.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，所述第一物质体中爆破孔里的炸药从远离自由面位置的爆破背面向着靠近自由面位置的爆破正面引爆。

25.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，第一和第二物质体中的一个或两个物质体的爆破孔中，炸药的引爆点远离爆破场边缘。

26.  如权利要求25所述的爆破方法，其特征在于，对于所述第一和第二物质体中的一个或两个，爆破可自所述引爆点沿多个方向进行。

27.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，所述第二物质体中靠近远离自由面位置的爆破背面的爆破孔中的炸药先于第二物质体中靠近自由面位置的靠前爆破孔中的炸药被引爆。

28.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，在所述单循环作业中，引爆第二物质体中的抛掷爆破后，引爆第一物质体中的直立爆破。

29.  如权利要求28所述的爆破方法，其特征在于，引发第二物质体中的抛掷爆破与引发第一物质体中的直立爆破之间的延迟时间约为40秒或更短。

30.  如权利要求29所述的爆破方法，其特征在于，所述延迟时间约为500-25000毫秒。

31.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，在所述单循环作业中，第一物质体中的直立爆破先于第二物质体中的抛掷爆破被引发。

32.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，爆破场中的炸药通过电子起爆延迟系统引发。

33.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，在所述单循环作业中，在所述装填炸药和爆破之前要进行爆破孔的勘测，以确定每个爆破孔中任何可回收的矿层的位置。

34.  如权利要求33所述的爆破方法，其特征在于，所述爆破孔的勘测包括γ射线勘测。

35.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，为实现第二物质体中的抛掷爆破与第一物质体中的直立爆破，级差爆破特征选自下面的一个或多个：爆破孔布局、炸药类型、炸药密度、爆破孔装填构形、炸药量、炸药比、炮泥、缓冲物和炸药引发定时。

36.  如权利要求1所述的爆破方法，其特征在于，爆破场中的爆破孔排成几排，它们基本上平行于至少一个自由面，且第一物质体中的爆破所具有的任何一排内的孔间延迟和/或排间延迟不同于第二物质体中的爆破。

37.  一种对爆破场中多个物质层实施爆破的方法，所述爆破场包括包含至少第一物质层的第一物质体和位于第一物质体之上且包含至少第二物质层的第二物质体；所述方法包括：在对至少第一和第二物质体进行打孔、装药和爆破的单循环过程中，钻几排爆破孔穿过第二物质体，且至少一些爆破孔至少深入第一物质体；在爆破孔中装填炸药，然后点燃爆破孔中的炸药；其中，第二物质体的爆破方案不同于第一物质体，包括至少排间爆破孔的延迟时间不同和/或任何一排中的孔间爆破延迟时间不同，使第二物质体中的爆破结果不同于第一物质体。

38.  如权利要求37所述的方法，其特征在于，爆破是多物质层的爆破，所述物质层包括包含至少一个第一物质层的第一物质体和位于第一物质体之上且包含至少一个覆盖岩层的第二物质体。

39.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，所述第一和第二物质体中的不同爆破方案在两个物质体之间产生级差破碎。

40.  如权利要求38所述的爆破方法，其特征在于，所述第二物质体基本上由覆盖岩层组成。

41.  如权利要求40所述的爆破方法，其特征在于，所述第二物质体中的炸药与第二物质体的底部隔开。

42.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，在第二物质体的至少一些爆破孔中，每个爆破孔中的炸药形成一个主炸药柱，并在该主炸药柱下面与之隔开形成较小的炸药层。

43.  如权利要求42所述的爆破方法，其特征在于，所述较小的炸药层以不同于主炸药柱的延迟时间点火。

44.  如权利要求38所述的爆破方法，其特征在于，所述第一物质体包含至少两个可回收的矿层和位于它们之间的至少一个中间岩层。

45.  如权利要求44所述的爆破方法，其特征在于，所述第一物质体中的炸药仅设置在所述至少一个中间岩层中。

46.  如权利要求45所述的爆破方法，其特征在于，所述中间岩层里的炸药与可回收的矿层隔开。

47.  如权利要求46所述的爆破方法，其特征在于，所述爆破孔没有钻入第一物质体中最下面的可回收的矿层中。

48.  如权利要求45所述的爆破方法，其特征在于，在中间岩层的至少一些爆破孔中，每个爆破孔里的炸药形成一个主炸药柱，并在该主炸药柱下面与之隔开形成较小的炸药层。

49.  如权利要求48所述的爆破方法，其特征在于，所述较小的炸药层以不同于主炸药柱的延迟时间点火。

50.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，所述第二物质体中的炸药孔并非全部延伸到第一物质体中。

51.  如权利要求50所述的爆破方法，其特征在于，所述第二物质体中至少一些爆破孔没有延伸到第二物质体的底部。

52.  如权利要求38所述的爆破方法，其特征在于，第三物质体位于所述第一和第二物质体之间，该第三物质体包含至少一个覆盖层和/或可回收的矿层，并且，在所述单循环作业中对第三物质体实施爆破，其爆破方案不同于在所述单循环作业中对第一和/或第二物质体实施的爆破。

53.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，所述第一物质体在由第二物质体的抛掷爆破确定的抛掷方向得到缓冲。

54.  如权利要求53所述的爆破方法，其特征在于，所述缓冲是至少部分由第二物质体在所述单循环作业的所述抛掷爆破中被抛掷出来的物质提供的。

55.  如权利要求54所述的爆破方法，其特征在于，用来为第一物质体提供缓冲材料的一部分第二物质体靠近至少一个自由面，并被第二物质体的所述部分中的爆破孔里的各炸药层分成几层，并且所述部分中任何一层的所有炸药层先于所述部分在所述层下面的一层中的任何炸药层进行点火。

56.  如权利要求54所述的爆破方法，其特征在于，所述第一物质体中爆破孔里的炸药从远离自由面位置的爆破背面向着靠近自由面位置的爆破正面引爆。

57.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，第一物质体中爆破孔里的炸药从远离自由面位置的爆破背面向着靠近自由面位置的爆破正面引爆。

58.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，所述第一和第二物质体中的一个或两个物质体的爆破孔中，炸药的引爆点远离爆破场边缘。

59.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，对于所述第一和第二物质体中的一个或两个物质体，爆破可自所述引爆点沿多个方向进行。

60.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，所述爆破场在第二物质体的平巷上有一个自由面，且第二物质体中靠近远离自由面位置的爆破背面的爆破孔中的炸药先于第二物质体中靠近自由面位置的靠前爆破孔中的炸药进行引爆。

61.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，在所述单循环作业中，引爆第二物质体中的炸药后，引爆第一物质体中的炸药。

62.  如权利要求61所述的爆破方法，其特征在于，引发第二物质体中的抛掷爆破与引发第一物质体中的直立爆破之间的延迟时间约为40秒或更短。

63.  如权利要求62所述的爆破方法，其特征在于，所述延迟时间约为500-25000毫秒。

64.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，在所述单循环作业中，第一物质体中的爆破先于第二物质体中的爆破被引发。

65.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，爆破场中的炸药通过电子起爆延迟系统引发。

66.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，在所述单循环作业中，在所述装填炸药和爆破之前要进行爆破孔的勘测，以确定每个爆破孔中任何可回收的矿层的位置。

67.  如权利要求66所述的爆破方法，其特征在于，爆破孔的勘测包括γ射线勘测。

68.  如权利要求37所述的爆破方法，其特征在于，所述第二物质体与第一物质体的爆破之间的不同爆破特征选自下面的一个或多个：爆破孔布局、炸药类型、炸药密度、爆破孔装填构形、炸药量、炸药比、炮泥和缓冲物。

爆破岩石的多个岩层或主平巷的方法
发明领域
本发明涉及一种爆破方法，具体涉及在采矿作业中炸开多层或多级岩石的方法，所述层包括这样的层，该层含有风化物和/或可回收矿物，如煤层。
发明背景
在露天采矿作业中，目前的做法通常涉及分几轮打眼和爆破，炸开各层物质，如风化物或“上部岩层”(覆盖岩层和中间岩层)和煤。类似的做法有时也适用于开采金属矿石。在合适的情况下，本发明在叙述中将采用术语“可回收矿物”，包括煤、金属矿石和其他有价值的可回收物质。对于金属矿石，实施爆破的层的厚度常常取决于设备要求，而不是取决于矿物的形成。不过，这里所描述的爆破多个岩层的原理同样适用于该情况。
一般地，覆盖岩层与下面的可回收矿物层和/或紧随其后的中间岩层和可回收矿物层是分开打眼和爆破。特别是在采煤作业中，覆盖岩层的爆破可以采用抛掷爆破(也称作投掷或运动爆破)，直接将部分覆盖岩层转移到最终的废石存放地，从而提高生产效率。完全挖出剩余的覆盖岩层后，下面的可回收矿物层另行打眼和实施爆破，所设计的爆破参数一般与前面大为不同，更适合于可回收矿物。特别地，为这些层设计的爆破方案要尽可能减少可回收矿物不必要的破碎、损坏和移位。类似地，位于上层可回收矿物下面的中间岩层以及接下来的可回收矿物层也通常分开打眼和爆破。
少量作业采用所谓的“贯层”爆破，对覆盖岩层和下面的中间岩层实施一次性打眼和爆破，由此炸开所有中间岩层或可回收矿物层。这种爆破方式是专门设计用来最大程度减少所有物质的侧向运动，以免一个或多个可回收矿物层被破坏，除非有可能在垂直方向上破坏，但总的目标是最大程度减少风化物引起的稀释。因此，在贯层爆破中，炸药一般比较低，而且不采用像抛掷爆破中那样的定时引爆，因为定时引爆会促进物质的前向运动和侧向运动。在常规贯层爆破中，相邻孔的爆炸延迟时间对每个爆炸层都设计得一样。一般在可回收矿物层较薄的情况下采用贯层爆破，以便接下来对这些层进行采矿时不需要在爆炸场地的矿层主平巷(level)内装填炸药。
仅就举例而言，常规贯层爆破或多层爆破见述于以下论文：
Burrell M.J.，1990.“Innovative Blasting Practice at Sands Hill CoalCompany”，Proceedings of the 16^th Annual Conference on Explosives and BlastingTechnique，Orlando，Florida，USA，International Society of Explosives Engineers；
Chung S.H.and Jorgenson G.K.，1985.“Computer Design and FieldApplication of Sub-seam and Multi-seam Blasts in Steeply Dipping Coal Seams”，Proceedings of the 11^th Conference on Explosives and Blasting Technique，SanDiego，California，USA，International Society of Explosives Engineers；
Orica Explosives，1998.Safe and Efficient Blasting in Surface Coal Mines，Chapter 10，pp156-159。
通常，采用贯层爆破的矿山存在急剧倾斜或波动的煤层。这种情况不适合常规的采用抛掷爆破方法炸开覆盖岩层的露天采矿，因为覆盖岩层和煤不是出现在规则的层中，无法用常规爆破设计方案分开爆破。贯层爆破的核心是穿过各覆盖岩层和煤层钻出长长的爆破孔。在这种方法中，检定爆破孔中煤层的位置至关重要。接下来，根据煤层位置在爆破孔中装填炸药。在爆破孔与煤层交叉的地方减少炸药装填量或不装炸药，以减少对煤层的损坏或中断煤层。
另一篇论文介绍了贯层爆破的非常规形式，它是Laybourne R.A.等的“TheUnique Combination of Drilling and Blasting Problems Faced by New VaalColliery，RSA”，95^th Annual General Meeting，Petroleum Society of CIM，1993，No.93，CIM Montreal。根据这篇论文，在煤矿深层区域引入多层爆破，以确保噪音和震动水平符合设计要求，并将总爆破比(overall blast ratio)降低到最小。该论文还介绍了煤矿特定区域的贯层爆破，这些区域事先已经通过地下采煤方式挖掉了部分煤，在挖空的地方留下了一根根煤柱。该论文指出，如果炸掉这些煤柱，预计煤污染会成为一个问题，但在实践当中没有发现严重的问题，该技术经证明十分成功。该论文还注意到，根据理论，在煤柱和中间岩层之间引入爆炸延迟时间会改进结果，减少煤污染，但研究该理论的实验工作没有证实有任何实质性改进。
韩国专利申请2003009743介绍了爆破多层岩石的方法，其目的是提供一种更有效的方法，用以爆破独立的岩体，同时控制震动和爆破对环境的其他影响，如噪音和飞石，该方法中的引爆方向由必须最大程度减少噪音的方向来控制。为此，岩体爆破分多步进行，第一步的爆破孔长度选择为适合最小覆盖层的长度，第二步的爆破孔长度两倍于第一步，第三步的爆破孔长度三倍于第一步。根据一个非常详细的公式，各层的爆破孔等间距排布，指定的引爆顺序如下：首先是前排上部，接着依次是前排下部，第二排上部，第二排下部，依次类推。每步的炸药用量可以变化，只要所有的爆破孔达到相同的爆炸效果。
如果能够提供一种爆破方法，它能让若干物质层在一次打眼、装药和爆炸周期中实施爆破，生产效率比当前包括贯层爆破在内的常规爆破方法高，那将是非常有利的。这正是本发明的目标。
发明内容
本发明第一方面提供了在爆破场爆破多层物质地方法。所述爆破场包括含有至少第一物质层的第一物质体和位于第一物质体之上且含有至少第二物质层的第二物质体，该爆破场在第二物质体层面上至少有一个自由面。所述方法包括：在爆破场钻爆破孔，穿过第二物质体，且至少部分爆破孔至少深入第一物质体；在对至少第一和第二物质体进行单循环打孔、装药和爆破的过程中，在爆破孔中装填炸药，然后点燃爆破孔中的炸药，其中第一物质体在所述单循环作业中发生直立爆炸(stand-up blast)，所述第二物质体在所述单循环作业中发生抛掷爆炸，结果至少大部分第二物质体被完全抛掷到爆破场中所述至少一个自由面之外的地方。
在本文中，除非另有说明或显而易见，术语“层”(以及层的其他变体)意为爆破场中的预定区域。如果爆破场在地质上基本由相同物质构成，则层对应于该物质内的预定区域，该区域边界由该物质的预想爆炸结果确定。举例来说，在石场爆破中，可能希望对物质上层区域实施抛掷爆破，而对(下面的)另一个区域实施直立爆破。在此情况下，各层是根据预想爆炸结果人为构想出来的，而不是基于待爆破物质的物理分层。
如果爆破场包含多个具有不同特点的物质分层，那么各层通常对应于这样的岩层，因为本发明的爆破结果一般对应于该岩层。举例来说，爆破场可包含延伸到覆盖岩层下面的煤层(岩层)。在这个简单的例子中，各层分别对应于煤层和覆盖岩层。本发明的第一个方面将结合物质岩层予以详细介绍，但不限于此。
在本第一方面的一个实施方式中，所述方法涉及爆破多个物质岩层，所述物质岩层包括包含至少第一物质岩层的第一物质体，以及位于第一物质体之上且包含至少一个覆盖岩层的第二物质体。因此，本发明提供了爆破多个物质层的方法，所述物质岩层包括包含至少第一物质岩层的第一物质体，以及位于第一物质体之上且含有至少一个覆盖岩层的第二物质体，这些物质体所在的爆破场在第二物质体的层面上具有至少一个自由面；所述方法包括：在对至少第一和第二物质体进行钻孔、装药和爆破的单循环过程中，在爆破场中钻爆破孔，爆破孔穿过第二物质体，且至少部分爆破孔至少深入第一物质体；在爆破孔中装填炸药，然后点燃爆破孔中的炸药，其中第一物质体在所述单循环作业中进行直立爆炸，所述第二物质体在所述单循环作业中进行抛掷爆炸，结果至少大部分第二物质体被完全抛掷到爆破场中所述至少一个自由面之外的地方。
因此，不同物质层要达到级差爆破(differential blast)结果，特别是根据本发明第一方面，要达到不同的物质向前运动。在一种实施方式中，本发明第一方面涉及在单循环钻孔、装药和爆破作业(下面有时称作“单循环作业”)中组合了抛掷爆破和一种或多种直立爆破的爆破方案，前者用于上面的覆盖岩层，后者用于中间岩层和/或可回收矿物层。因此，选定要爆破的全部物质体，例如包括覆盖岩层、中间岩层和可回收矿物，基本上可以一次性进行钻孔、装药、装引信和点火。
为获得合适的抛掷效果，第二物质体包含一个自由面，物质可从此自由面抛出。在本发明的这一方面，自由面至少在第二物质体的深度方向部分延伸，宜显著延伸，即超过第二物质体深度的50％。在某些情况下，自由面不宜延伸到第一物质体当中，因为这有助于保护第一物质体，防止受抛掷爆炸的第二物质体影响。在此情况下，沿着与抛掷爆破相关的预想抛掷方向，部分第二物质体覆盖在第一物质体上面。第二物质体的这个部分可用于缓冲第一物质体，由此保护第一物质体免受抛掷爆破引起的任何不利影响，如剥落。提供这种缓冲保护的其他可能方式以后介绍。
对覆盖岩层实施抛掷爆破可显著提高生产效率，而当前在传统的贯层爆破中，覆盖岩层以直立模式爆破。用本发明方法将覆盖岩层抛掷到最终的废料场地都直接提高了生产率。就本发明目的而言，“至少显著部分的第二物质体”指至少10％的第二物质体。在保守的抛掷爆破设计方案中，优选的最小抛掷量宜至少为15％，更宜至少为20％，抛掷爆破的抛掷量一般能达到25％或更多。相反，对于直立爆破部分，被抛掷出爆破场的第一物质体即使有的话，也极少。
本发明的第一个方面减少了打孔、装药和爆破的次数，这也提高了生产率。在采矿工序中，这减少了逐次清扫爆破现场、勘探打孔位置、建立钻孔平台、装填炸药和点火爆炸的步骤。特别是不需要在正常情况下对矿层逐次进行钻孔、装药和爆破时专门用到的钻孔平台和挖掘设备。此外，原来可能需要独立爆破的中间可回收矿层现在可能根本无需爆破，它已经被下面的直立爆破部分充分震碎了。
另外，本发明第一方面有利于控制工作面，因为在单独爆破可回收矿物之前不需要建立高边坡。由于专门针对可回收矿物的爆破通常发生在这种高边坡脚下，它们可能破坏高边坡，使工作面倒在可回收矿物上。此外，由于不需要另行钻孔、装药和爆破周期，本发明第一方面所达到的能快速接触可回收矿物的效果，有利于降低工作面在可回收矿物被清除之前倒在矿物上的可能性。
上面的第二物质体可基本上由覆盖岩层的岩层组成，即基本上只有覆盖岩层，而第一物质体宜包含在一个或多个岩层的可回收矿层，以及在两个或多个可回收矿物岩层时的中间岩层。但是，这点并不重要，因为本发明的第一个方面适用于物质层的其他组合形式。这些情况可包括几个覆盖层和几个可回收矿物的散布层。在这种多层情况下的级差爆破方案和结果可包含这里所描述的通常情况下两层的各种组合和顺序。在一种可能的情况下，第三物质体可位于第一和第二物质体之间，它可包含一种或多种覆盖层和/或可回收矿层。举例来说，这种第三物质体可在所述单循环作业中实施抛掷爆破，其方案和/或结果不同于第二物质体。例如，在所述单循环作业中，第三物质体可被抛掷到比第二物质体更远或更近的地方。也可想到，第二物质体上面也可存在另一物质体，它可包含覆盖岩层或可回收矿层，并可对它实施直立爆破，而对第二物质体实施抛掷爆破。
在单循环作业中，各物质体的爆破方案的差异由岩石性质上的差异决定，例如硬度、质量，或者是否为可回收矿物，还取决于是否需要在至少第一物质体中提供直立爆破，在至少第二物质体中提供抛掷爆破。爆破方案的特点可随各物质体变化，这些特点包括爆破孔布局、炸药类型、密度、装填构形、质量、炸药比、炮泥、对第一物质体的缓冲以及引爆时间。
爆破场中的爆破孔通常排成几排，基本上平行于至少一个自由面。在爆破场的不同物质体中获得不同结果的一个基本参数是，不同物质体中的孔间和/或排间爆破延迟时间不同。根据本发明第一个方面提供的一种方法，不同的结果源自抛掷爆破与直立爆破，但其他不同结果也可能是有利的。所述其他不同结果包括物质的破碎。例如，常常要求覆盖岩层物质的细破碎，以提高挖掘产率。相反，对于可回收矿物，特别是煤或铁矿石，常常要求碎片较粗，带有更多的“团块”物。对于其他矿物，这些要求可能要反过来，例如在金属矿或金矿开采中，可能希望矿层的碎片比风化层的碎片更细。这将提高矿石在下游粉碎过程中的产率。
因此，本发明在第二个方面提供了对爆破场中多个物质层实施爆破的方法。所述爆破场包括包含至少第一物质层的第一物质体和位于第一物质体之上且包含至少第二物质层的第二物质体；所述方法包括：在对至少第一和第二物质体进行钻孔、装药和爆破的单循环过程中，钻成排的爆破孔，穿过第二物质体，且至少部分爆破孔至少深入第一物质体；在爆破孔中装填炸药，然后点燃爆破孔中的炸药；其中，第二物质体的爆破方案不同于第一物质体，该爆破方案包括至少排间爆破孔的延迟时间和/或任何一排中的孔间爆破延迟时间不同于第一物质体，使第二物质体中的爆破结果不同于第一物质体。
在本发明的第二个方面，术语“层”(及其各种变体)的含义与上面描述本发明第一个方面时的含义相同。
这里所用“孔间”是指任何一排爆破孔当中的各个爆破孔。任何一排当中爆破孔之间的距离称作间距。各排爆破孔之间的距离称作排距(burden)，排距一般小于间距。一般地，当爆破场具有自由面时，各排爆破孔基本上平行地延伸到自由面。任何一排当中的爆破孔不必精确对齐，可彼此有些偏移，或者同一排中相邻孔有些偏移。
在本发明第二个方面的一种实施方式中，所述方法涉及爆破多个物质岩层，所述物质岩层包括包含至少第一物质层的第一物质体，以及位于第一物质体之上且包含至少一个覆盖岩层的第二物质体。因此，本发明提供了爆破多个物质岩层的方法，所述物质岩层包括包含至少第一物质岩层的第一物质体，以及位于第一物质体之上且包含至少一个覆盖岩层的第二物质体。所述方法包括：在对至少第一和第二物质体进行打孔、装药和爆破的单循环过程中，在爆破场中钻出成排的爆破孔，爆破孔穿过第二物质体，且至少部分爆破孔至少深入第一物质体；在爆破孔中装填炸药，然后点燃爆破孔中的炸药，其中第二物质体的爆破方案不同于第一物质体，包括排间爆破孔的延迟时间和/或任何一排中的孔间爆破延迟时间不同第一物质体，使第二物质体的爆破结果不同于第一物质体。第二物质体基本上由覆盖岩层组成。在此情况下，第二物质体中的炸药通常与第二物质体的底部隔开。第三物质体可位于第一和第二物质体之间，它包含至少一个覆盖层和/或可回收矿层。在所述单循环作业中，对第三物质体实施爆破的方案不同于对第一和/或第二物质体实施的爆破方案。
在此实施方式中，第一物质体可包含至少两个可回收矿物岩层和至少一个位于它们之间的中间岩层。在此情况下，第一物质体中的炸药通常仅放置在所述至少一个中间岩层中。另外，中间岩层中的炸药通常与可回收矿物岩层隔开。在此实施方式中，爆破孔通常不钻到第一物质体中最下面的可回收矿层。在中间岩层的至少部分爆破孔中，每个孔里的炸药可形成一个主炸药柱，并在主柱下面隔开一段距离形成较小的炸药层。在此情况下，较小的炸药层的点火延迟时间不同于主柱。
在本发明的第二个方面，根据不同物质体之间所需的级差爆破结果，爆破场可以没有自由面，也可以有一个局部自由面。
在本发明的第一或第二个方面，没有延伸到第一物质体的任何爆破孔可以，但非必须延伸到第二物质体的底部，术语“穿过第二物质体”也应作相应理解。
如上所述，本发明第二方面的不同结果可包括第二物质体中的抛掷爆破和第一物质体中的直立爆破。为方便起见，在下面介绍本发明的第二个方面时，将默认这些不同结果。在这种情况下，为抛掷第二物质体，第二物质体在预想的抛掷方向有一个相应的自由面。前面介绍的本发明第一个方面的其他各种特点也分别独立适用于或组合适用于本发明的第二个方面，反之亦然。
在本发明第二个方面的另一种实施方式中，在第二物质体的至少部分爆破孔中的每个爆破孔里的炸药可形成一个主炸药柱，并在主柱下面隔开一段距离形成较小的炸药层。在此情况下，较小的炸药层的点火延迟时间不同于主炸药柱。
通常，在本发明的第二个方面，第二物质体中并非所有的爆破孔都延伸到第一物质体。在此情况下，第二物质体中通常有至少部分爆破孔没有延伸到第二物质体底部。
在本发明的第二个方面，第一物质体可在抛掷方向受到缓冲，抛掷方向由第二物质体的抛掷爆破确定，如本文所述。缓冲作用可至少部分地由在所述单循环作业的抛掷爆破中抛掷出来的第二物质体所提供。这里，用来为第一物质体提供缓冲材料的部分第二物质体通常靠近至少一个自由面，并被所述部分第二物质体中爆破孔里的炸药层分割成几层，并且所述部分任何一层中的所有炸药层先于在所述层下面的所述部分的层中的任何炸药层点火。
第一物质体中爆破孔里的炸药可从爆破背面(远离自由面位置)向着爆破正面(靠近自由面位置)引爆。
作为本发明第二方面的另一种可能方式，第一物质体中爆破孔里的炸药可从爆破背面(远离自由面位置)向着爆破正面(靠近自由面位置)引爆。
另一种可能是，第一和第二物质体当中的一个或两个的爆破孔中，炸药的引爆点可远离爆破场边缘。还有一种可能是，对于所述第一和第二物质体中的一个或两个，爆破可自所述引爆点沿多个方向进行。
在第二方面的一种实施方式中，爆破场在第二物质体的主平巷上有一个自由面，第二物质体中靠近爆破背面(远离自由面位置)的爆破孔中的炸药先于第二物质体中靠前(靠近自由面位置)的爆破孔中的炸药引爆。
在第二方面的另一种实施方式中，在所述单循环作业中，引爆第二物质体中的炸药后，引爆第一物质体中的炸药。引发第二物质体中的抛掷爆破与引发第一物质体中的直立爆破之间的延迟时间通常约为40秒或更短，宜在约500-25000毫秒之间。在第二方面的另一种实施方式中，在所述单循环作业中，第一物质体中的爆破先于第二物质体引发。
在本发明第二方面的一个变化形式中，在所述单循环作业中，在所述装填炸药和爆破之前要进行爆破孔的勘测，以确定每个爆破孔中任何可回收矿层的位置。爆破孔的勘测可包括γ射线勘测。
另根据本发明的第二方面，第二物质体爆破与第一物质体爆破之间的级差爆破方案的特征可另外选自下面的一个或多个：爆破孔布局、炸药类型、炸药密度、爆破孔装填构形、炸药量、炸药比、炮泥和缓冲物。
举例来说，当爆破的目的是回收煤并且第二物质体是覆盖岩层时，可采用以下爆破参数：
“抛掷爆破”方案可以是但不限于：炸药比为0.1-1.5kg/m³(炸药质量/单位体积岩石—通常为0.4-1.5kg/m³)，爆破孔间距和排距为2m-20m(通常为5m-15m)，爆破孔深2m-70m，炸药类型、密度或装填构形为正常爆破作业中所用的炸药类型、密度和装填构形，如ANFO混合物，密度为0.1-1.5g/cm³，可以是散装泵送(bulk pumped)、augured、包装或桶装的炸药。孔间延迟时间可以是0-40000毫秒，宜为0-100毫秒，更宜为0-45毫秒，通常为1-30毫秒。排间延迟时间可以是0-40000毫秒，宜为0-2000毫秒，通常为30-500毫秒。爆破孔的“抛掷爆破”部分通常在爆破孔的“直立爆破”部分之前点火，二者之间间隔0-40000毫秒，宜为0-30000毫秒，更宜为100-25000毫秒，通常为500-5000毫秒。“抛掷爆破”方案宜具有完整自由面或部分自由面，而且前面基本上是敞开空间，以便将物质抛掷到该空地。
“直立爆破”方案可以是但不限于：炸药比为0.02-1.5kg/m³(炸药质量/单位体积岩石—但通常在0.05-0.8kg/m³范围，有时限于0.05-0.4kg/m³)，爆破孔的间距和排距为2m-20m(通常为3-15m)，爆破孔深为2m-70m，炸药类型、密度或装填构形为正常爆破作业中所用的炸药类型、密度和装填构形，如上面介绍抛掷爆破所叙述的那样。孔间延迟时间可以是0-40000毫秒，宜为0-1000毫秒，更宜为0-200毫秒，通常为10-100毫秒。排间延迟时间可以是0-40000毫秒，宜为0-2000毫秒，更宜为10-400毫秒，通常为20-200毫秒。
根据本发明，虽然在单循环作业中，第一和第二物质体的爆破之间的最大爆破延迟时间确定为40秒，但它通常仅受限于可采用的引爆技术，甚至可以比40秒更长，实际上不受限制。例如，延迟时间可以为若干分钟、小时或天。
在一种实施方式中，要实施抛掷爆破的第二物质体的炸药比和炸药装填量高于要实施直立爆破的第一物质体，前者为0.3-1kg炸药/m³岩石，宜为0.4-1kg炸药/m³岩石，后者为0.01-0.8kg炸药/m³岩石，宜为0.01-0.5kg炸药/m³岩石。至于爆破场中的爆破孔布局，第二物质体可比第一物质体具有更多的爆破孔。因此，第二物质体中的某些爆破孔可以不延伸到第一物质体，甚至没有延伸到第二物质体的底部。第一物质体与第二物质体相比，含有更多的惰性层(无论是炮泥层还是空气层)和/或更低能量/密度的炸药。第二物质体中的孔间爆破延迟时间(通常为0-3毫秒/米间隔)短于第一物质体中(通常大于3毫秒/米间隔)，而第二物质体中的排间延迟时间(例如，大于5毫秒/米排距，通常大于10毫秒/米)大于第一物质体中(通常小于10毫秒/米的排距)。第二物质体中的抛掷爆破与第一物质体中的直立爆破之间的延迟时间如上面所讨论的。在另一种定时形式中，每种物质体中炸药柱的引爆可以存在差异，即通过在两种物质体的炸药柱中采用多根雷管，每个物质体中雷管间的延迟时间不同；或者只在其中一个物质体的炸药柱中采用多根雷管，该物质体中的炸药在每个炸药柱中只有一根雷管。雷管也可位于炸药柱的不同位点，即靠近炸药柱的顶部、中心或底部，由此获得不同的结果，如膨胀和破碎。
因此，在本发明第一方面的一个优选实施方式中，以及根据本发明的第二个方面，第一物质体可采用不同于第二物质体的孔间和排间爆破孔定时方案。在这种孔间和排间爆破孔定时方案不同的情况下，第一物质体的点火时间也可以显著晚于第二物质体，例如相差几百毫秒，甚至超过10秒，从而使第二物质体在第一物质体点火之前做侧向运动。然而，在某些情况下，也可能需要在在点火第二物质体之前给第一物质体点火，当希望用第二物质体缓冲至少部分爆破的第一物质体的垂直运动时尤其如此。
在某些情况下，按相反的方向点火也可能比较合适，即从后往前(自由面端)给某些岩层点火，而按相反的方向给另一些岩层点火。例如，在第一物质体中，可以通过这样点火来改进对该物质体的缓冲，如下面所讨论的。
在一种实施方式中，先引爆第二物质体中靠近爆破背面(远离自由面位置)的爆破孔里的炸药，然后引爆第二物质体中更靠前(更靠近自由面位置)的爆破孔里的炸药。这样做可以增加爆破背面废料堆的高度，因而这部分第二物质体没有被明显抛掷。这可使挖掘和/或铲掘作业效率更高，并通过降低索斗铲垫的生产要求而提高生产效率。
或者，在第一和/或第二物质体的爆破孔中的炸药可具有一个远离爆破场边缘的引爆点。在这种安排下，所述第一和/或第二物质体的爆破可从所述引爆点向多个方向进行。
比较有利的是在第一物质体的层面上以及在它上面提供一些缓冲材料，特别是根据本发明第一方面对第一物质体实施直立爆破时。该缓冲材料通常安置在靠近第二物质体的自由面的地方。在这种安排下，第一物质体在抛掷方向受到缓冲，所述抛掷方向由第二物质体的抛掷爆破确定。这里的意图是通过缓冲材料保护第一物质体，使之免受第二物质体的抛掷爆破的影响。这样，可用缓冲材料最大程度减少或防止第一物质体上的物质因第二物质体的抛掷爆破而发生剥离。
在此实施方式中，缓冲材料可包含原来爆破的材料，或者按照本发明在爆破前放置的外加材料。在此情况下，可用卡车将缓冲材料运到爆破位置，并用任何合适的(运土)设备定位。在另一种实施方式中，缓冲材料至少部分包含在所述单循环作业的抛掷爆破中从第二物质体抛掷出来的材料。在此实施方式中，作为单循环作业的一部分，本发明的方法可包括最初爆破第二物质体靠近自由面的前部，这样落在第一物质体前面和上面的物质提供了缓冲作用。对此第二物质体前部的爆破方案(例如炸药比、装药参数和/或定时参数)可使爆破的材料抛掷不远，仅让它从自由面下落，掉在第一物质体前面和上面的合适位置。第二物质体的主抛掷爆破可接在最初爆破之后，过一定的延迟时间后进行。例如，该延迟时间可以长至1秒，或者超过1秒。
当用第二物质体前部提供缓冲材料时，该前部钻的孔深度不到第二物质体的全部深度。或者，在第二物质体的所述部分，可通过爆破孔中的各炸药层将所述前部分成几层，先点火所述部分的任何一层中的所有炸药层，然后将所述一层下面的所述部分的层中任何炸药层点火。
如上所述，当用第二物质体为第一物质体提供缓冲时，从爆破背面(远离自由面位置)向着爆破正面(靠近自由面)引爆第一物质体的爆破孔中的炸药比较有利。在一种实施方式中，第二物质体的抛掷爆破可用常规方法点火，第一物质体的中间岩层在抛掷爆破的最后一孔爆炸后立即点火，从爆破背面向前面引爆。选择第一物质体中间岩层的引爆时间，使第一排点火时上面的抛掷材料还在空中，在来自抛掷爆破的缓冲材料已经汇集在爆破前面之后，将爆破正面的各排爆破孔点火。这使得第一物质体的中间岩层爆破垂直释放，改善了中间岩层的可挖掘性，同时维持直立爆破的受控水平运动。来自第二物质体的物质的受控运动和位移，使得爆破经济矿物的同时，其运动受到严格控制，结果损失低，稀释少。
当要求最大程度减少可回收矿层的运动或破裂，且该矿层靠近一个或多个需要通过爆破来基本破除或移走的其它岩层(如风化物质)时，装填在可回收矿层当中、上面和或下面的炸药应当显著减少或全部避免，方法是采用惰性炮泥材料或空气层。因此，可在特定主平巷上的一些爆破孔中装填炸药，而在其他主平巷上装少量炸药或完全不装炸药。在不同主平巷上钻出不同布局的爆破孔也是合适的，通过在特定主平巷上打更多的孔，可以在这些主平巷上获得更高的炸药比，反之亦然，如上所述。在存在两个或多个可回收矿层的情况下，所有或部分爆破孔可以不钻到最下面的可回收矿层。减少矿层损坏的其他技术也适用于本发明，它们包括在矿层当中或附近采用低密度炸药和/或低能量产物。也可采用其他技术，如“小型隔层(baby decking)”，在第二物质层的至少某些爆破孔中，将每个孔里的炸药形成一个主炸药柱，并在主炸药柱下面隔开一定距离形成相对较小的炸药层。小炸药层宜位于矿物上面，并以不同于覆盖层中主炸药柱的延迟时间点火。
在以上段文字描述的方式实践本发明方法的特定实施方式中，可提供以下特征中的任何一个或多个：
-第二物质体中的炸药与第二物质体底部隔开；
-当第一物质体包含两个可回收矿层和至少一个中间岩层时，第一物质体中的炸药仅位于至少一个中间岩层中；
-中间岩层中的炸药与可回收矿层隔开；
-爆破孔不钻到第一物质体的最下面的可回收矿层中；
-在中间岩层的至少某些爆破孔中，将每个孔里的炸药形成一个主炸药柱，并在该主炸药柱下面隔开一定距离形成相对较小的炸药层；
-小炸药层可以不同于主柱的延迟时间点火。
根据本发明的任何一个方面，在单循环作业中的装药和爆破步骤之前可进行爆破孔的勘测，以确定每个爆破孔中任何可回收矿层的位置。矿层以及合适的炸药和/或惰性层柱的精确位置可利用爆破孔测井技术获得，包括γ射线测井这样的技术。宜从勘测结果建立岩石和矿层的三维地质模型，而且可以与计算机爆破模型联合使用，以优化炸药的装填构形。
在本发明的方法中较好采用电子延迟起爆系统，该系统具有较好的总燃烧前缘(burning front)、延迟精度和适应性等特征。具有精确程控延迟功能的电子起爆器将极大地方便本发明第二方面所需的排间和/或孔间的爆破孔延迟时间的获得。适用于本发明的电子起爆器包括I-kon^TM(Orica)。电子起爆器可以是有线的，也可以是无线的。采用无线起爆器可极大地延伸第一和第二物质体爆破之间和/或上述物质体内各层之间的各次爆破的延迟时间，但这些爆破总是在钻孔、装药和爆破的单循环作业中完成的。
然而，本发明方法可用烟火(pyrotechnic)延迟起爆器实施，或者是非电引发的震动管式烟火延迟起爆器，或者是电子引发的烟火延迟起爆器。两种烟火起爆器模式组合起来，如下面结合实例所述，可用于实现本发明的第一个方面或第二个方面。
第一种非电子起爆模式包括在第一物质体中采用烟火向下打眼延迟，该延迟时间比第二物质体中所用延迟时间长，同时像常规实践中那样采用单组表面引发器。这将使两个物质体中的爆破时间分开，但每个物质体中的每次爆破都有标称上相同的孔间和排间延迟。第二物质体中的抛掷爆破可通过合适的设计参数实现，包括炸药比，以及采用基本上自由的面，使相当部分的爆破产物抛掷到爆破场前面的空地上。反过来，第一物质体中的直立爆破可通过合适的设计参数实现，包括炸药比和缓冲的存在，例如借助上层材料的缓冲。
第二种非电子起爆模式包括在第一物质体中采用烟火向下打眼延迟，该延迟时间比第二物质体中所用延迟时间长，此外采用多组表面引发器，每组表面引发器与相应爆破层中的向下打眼延迟相关联。这将使各物质体中各次爆破的时间分开，并在每个爆破层中提供不同的孔间和排间延迟，从而实现本发明的第二个方面。对于第一种模式，抛掷爆破将由自由面实施，而直立爆破可由缓冲材料实施，例如来自第二物质体的材料。
本申请人在2002年7月25日公开的国际专利申请WO 02/057707(以及相应的美国国家阶段申请10/469093)介绍了用电子起爆器实施抛掷爆破的优选标准，其全部内容参考结合于此。该专利申请描述了适合抛掷爆破以及需要限制待装岩石堆向前运动的爆破的设计参数。该专利申请介绍的方法适用于本发明第一方面中的抛掷爆破和/或直立爆破设计方案，以及本发明第二方面中所需要的各爆破层。
下面参照附图，仅以举例方式介绍本发明爆破方法的各种实施方式，其中：
图1所示为本发明方法的总体构想；
图2所示为本发明方法的第一个特定实施方式；
图3所示为本发明方法的第二个特定实施方式；
图4所示为本发明方法的第三个特定实施方式；
图5所示为本发明方法的第四个特定实施方式；
图6a和6b所示分别为按照图5所示实施方式的实施例中所述爆破的平面图和截面图；
图7所示为本发明的一种爆破方法，它获得了差式破碎结果；
图8是类似于图6a的平面图，但属于本发明的另一种爆破方法。
图1所示为根据本发明第一方面爆破两个或多个物质层的总体构想。如图所示，第一物质体10延伸到第二物质体14的自由面12。不过，如图2-4所示的实施方式，自由面12可延伸到第一物质体10的底部。
在图示的实施方式中，第一和第二物质体(10，14)可以是相同的物质，也可以是不同的物质。因此，第二物质体可包含覆盖岩层或可回收矿物(例如煤、矿石)，第一物质体可包含覆盖岩石层或可回收矿物(例如煤、矿石)。类似地，第一和第二物质体可包含具有相同或不同特性的物质。例如，第一和第二物质体可在预定区域包含相同的地质构造，也可包含地质构造特性不同的区域，例如硬度不同。总体而言，第二物质体14可包含一个或多个覆盖岩层，而第一物质体10可具有紧跟在第二物质体14下面的可回收矿层(例如煤)，如图4所示。但未必所有情况都如此。不过，至少有一个第二可回收物质层可以作为第一物质体10的最底层，可回收矿层之间，或者每两个可回收矿层之间是中间岩层，如图2和3所示。
回过来看图1，图中爆破场16有6排爆破孔，但可以提供任何数目和排布的爆破孔，目的是得到所需的差示爆破结果，在此情况下为第二物质体14的抛掷爆破和第一物质体10的直立爆破。图中所示爆破孔为竖直的，但任何一排爆破孔都可以是倾斜的，例如倾斜约30°甚至40°。
如此实施例所示，只有几排爆破孔18、20、22和24沿着爆破场16向下延伸穿过物质体10和14。这几排爆破孔18、20、22和24大约等间距相隔，前排18最靠近自由面12。几排爆破孔18、20、22和24之间，在这里为排18、20和22、24之间，还分别有一排爆破孔26和28，它们只向下延伸，穿过第二物质体14。这种设计允许在一个物质体中打更多的爆破孔，在这里为第二物质体14。借助这种方式，在这些层中可以有差别地得到更高的炸药比，例如用来增加第二物质体14向前的位移。
图中显示每个爆破孔18、22和24中有两层炸药46，第一和第二物质体10和14中各一层。不过，在此总体情况中，图示爆破孔20只在第一物质体10中有一层炸药。每个浅一些的爆破孔26和28也含有炸药46，而钻孔18、22和24中的两层炸药之间有炮泥材料或空气层45，所有爆破孔中，炮泥材料均位于炸药上面。在两个物质体中，爆破孔布局、炸药类型、密度和装填量、炸药比以及引发定时可各不相同，以使第二物质体14发生抛掷爆破而第一物质体10发生直立爆破。此外，在设计第一物质体10中的直立爆破时，应当考虑第一物质体10向着自由面12的连续性所提供的缓冲作用。
经过设计，抛掷爆破应当能够将至少10％来自第二物质体14的物质向前抛到自由面12前面有空间32的场地30上。抛掷爆破更宜将至少15-30％或更多的第二物质体14向前抛到场地30上。向前抛到场地30上的物质越多，特别是抛到最后的待装岩石堆放地，则为暴露第一物质体10而需要通过机械手段挖掘和清除的第二物质体14就越少。
在第一物质体10中设计的直立爆破是用来破碎第一物质体的，通常在第二物质体发生抛掷爆破后数秒内进行，但不会向前抛掷第一物质体。因此，第一物质体中的任何可回收矿层将被破碎，但基本上不会发生位移。因此，一旦从爆破场清除了爆破后的第二物质体，即可在同一采矿循环的作业中挖掘露出来的第一物质体10。
图2所示为图1所示总体构想的一个具体实施方式，各排爆破孔的安排相同。只为方便起见，只要合适，将采用与图1相同的标记数字。这里有四层物质：底层是煤层44，采用直立爆破方案爆破；中间岩层42也采用(不同的)直立爆破方案爆破；上面是较薄的煤层38，它足够薄，不需要实施任何爆破；以及最上面的覆盖岩层40，用抛掷爆破方案爆破。图2中的另一个主要区别在于，所有物质层位于自由面12前面的物质均事先予以爆破和挖掘，使自由面前方有空间32的场地34处于第一物质体10的底面上。事先爆破的一些材料在场地34上已经堆成一堆36，它背靠自由面12，高度与上煤层38齐平，作为煤层38、44和中间岩层42的缓冲物，加强这些层中的直立爆破。同样有可能让堆36的顶部高度达到煤层38的顶部高度。
在各层40、42和44中提供炸药层46，但在薄煤层38中不提供。这些炸药层通常包含不同的炸药量，还可能属于不同的炸药类型，用以在每个层中提供不同的炸药比。在每个炸药层46中提供电子延迟起爆器48，图中仅简单示意，在每个爆破孔的炸药层之间和上面提供空气层或惰性炮泥(45)。
在此实施例中，首先引爆第二物质体14的覆盖岩层40中炸药层46的引爆器48，引爆顺序是从前排爆破孔18向后进行。对覆盖岩层40中的爆破孔布局、炸药类型、密度和/或装药量、炸药比和/或引发定时进行设计，目的是在这种情况下将岩层40中尽可能多的爆破产物向着自由面12朝前抛到空地34上，特别是抛到该场地上最终待装岩石堆的位置，这样就不需要用机械手段挖掘抛出来的物质。
在同一轮爆破作业中，抛掷爆破覆盖岩层之后几秒之内，引爆层42和44中的炸药。对爆破孔布局、炸药类型、密度和/或装药量、炸药比和/或引发定时进行设计，以发生直立爆破，破碎三个层38、42和44的物质，但这些物质尽可能少地发生位移或向前抛掷。层42中的直立爆破可在层44中的直立爆破发生之前、之后或同时发生，这些层中的引爆顺序可以从前排爆破孔18向后进行，也可反过来，可同时引爆，也可分开引爆。
一旦第一和第二层10和14完成爆破，可挖掉第二物质体14中的残余覆盖岩层，接着是层38中的煤，接着是中间覆盖层42，最后是层44中的煤，这些均发生在同一采煤循环作业中。
现在看图3，其安排非常类似于图2。同样，仅为方便起见，将采用相同的标记数字，在下面图4中也一样。同样，多层爆破由一个覆盖岩层40、两个煤层38和44以及一个中间岩层42组成。事先爆破的材料形成的缓冲物36堆起来，与自由面12相对，其高度约达到上煤层38的顶部高度。
在这个例子中，只有四排贯穿的爆破孔18、20、22和24，它们最底部向着场地34倾斜，没有深入到煤层44。因此，在层38和44中没有提供炸药。除此之外，炸药层46和电子延迟起爆器(未示出)的安排类似于图2。
同样，对两个覆盖层中的炸药类型、密度和/或装药量、炸药比和/或引发定时进行设计，以便在下面的中间岩层发生直立爆破，使煤层尽可能少地发生位移或侧向运动，同时在这种情况下使尽可能多的覆盖层40发生抛掷爆破。这种设计方案也要使煤层44通过在中间岩层42中爆破孔底部的爆破作用下发生破碎，但不能发生显著位移。
在图4中，在覆盖岩层40下面只有一个煤层38。在此情况下，炸药层46设置在层38中的几排爆破孔18、20、22和24中，通过直立爆破方法破碎煤，但不能使煤发生位移或被覆盖岩层物质的稀释。同样，覆盖岩层40中的炸药层46爆炸方案，要尽可能将覆盖层物质抛到废料堆36上，对第一物质体起缓冲作用。
图5所示为图2所示爆破方法的一个变化形式。为方便起见，在合适的地方采用与图2相同的标记数字。在图5所示情况下，先引爆覆盖岩层前排爆破孔，比后面在剩余覆盖岩层物质40中的抛掷爆破早相当长的时间(达到几秒的数量级)。此延迟作用和整个爆破的引发定时同样由电子起爆系统提供。前排爆破孔无需钻到覆盖岩层40的整个深度，而只需钻到此深度的一部分。或者，尽管图5显示此前排爆破孔向下延伸到下面的层42，但并非必须如此。这种孔可局限在覆盖岩层40中，并且无需延伸到其整个深度。在这部分爆破的方案中，炸药比较低，延迟定时适当，以确保破碎的物质直接落在至少部分下层第一物质体42前面，对所述第一物质体要实施直立爆破。这样，该物质自动形成缓冲材料36，在对所有爆破孔进行打孔、装药和爆破的单循环作业之前，无需用机械手段将这种材料堆在爆破区前。接下来的抛掷爆破和后面的直立爆破如前文所述实施。此技术也可应用于爆破孔没有延伸到最底层的爆破情况(如常规抛掷爆破那样，下面的煤层不在同一爆破循环作业中实施爆破，但仍需在煤前面提供缓冲物，以限制煤在覆盖岩层物质发生抛掷爆破的过程中产生任何位移)。
这里给出了图5所示一般多层爆破的一个典型实例，如图6a和6b所示。为方便起见，在合适的地方采用与图2相同的标记数字。图6a显示了一系列独立的爆破孔(a，b，c，d，e，f)，排列为第A-F排。不是所有的爆破孔都做了标记，但应当理解，同一排中的全部爆破孔都可以用图中的同一个字母标记。因此，A排包含6个标记为a的爆破孔。在图6a中，每个爆破孔附近的数字代表爆破孔中起爆器的数目和起爆器延迟时间(单位为毫秒)，从顶部往底部读数。例如，A排中每个爆破孔a有3个起爆器，而B排中每个爆破孔b只有1个起爆器(在图6b中可以看得更清楚)。图6a和6b所示爆破方案都在钻孔、装药和爆破的同一循环作业中完成，该爆破方案包含一个初始小规模缓冲爆破(在A排)，随后是上覆盖岩层40中的抛掷爆破，下面的煤层没有专门爆破，下面的中间岩层42用直立爆破方法爆破，接下来的煤层随后在同一循环作业中通过另一种直立爆破方法爆破(在排B-F中)。此外，该单循环作业包括后排主爆破孔后面的一排常规“预裂”或“中裂”爆破孔(图5未示出)。该预裂排G装填很少的炸药，采用极短的孔间和层间延迟，甚至为0延迟，以便在孔间形成裂缝网络，该网络形成后续爆破的新的高边坡。可以定在多级爆破的抛掷爆破之前或之中定时点火。前述各层中的全部爆破在几秒钟的总时间内完成。尽管此实施例显示了在单循环爆破作业中的所有爆破类型，但它只是起说明作用的实例，其中任何一个或某些爆破是任选的(例如，缓冲爆破或预裂步骤可以略去，并根据本实施例各爆破部分采用的原理对爆破孔引发时间作出相应调整)。
在此实施例中，各层深度如下：
层1(上覆盖岩层)：20m
层2(下煤层)：4m
层3(下中间岩层)：15m
层4(下煤层)：10m
在此实施例中，与多级爆破中的下(直立爆破)层相比，最上面的(抛掷爆破)层中有另外两排爆破孔，即B排和E排。这为此层提供了更高的总体炸药比和分布更广的炸药，促进了此层爆破时的向前运动。
这里采用的爆破布局是，标称排距(各排之间以及前排与自由面之间)为7m，标称孔距(平行于自由面的各排中的孔与孔之间)为9m。爆破孔(a-g)的标称直径为270mm。从爆破场前面往后面，排距和孔距可以变化。在此实施例中，C和D排之间的排距不同，为8m。爆破孔后排F与预裂排之间在钻孔口位置的“疏离”或分隔距离是3m。在此实施例中，G排中的预裂孔稍有倾斜，而其他爆破孔都是竖直的。爆破孔的角度可根据需要在整个爆破布局中变化。预裂排(G排)中的孔距是4m。虽然每个炸药层46中都有电子起爆器48，但在预裂排中不必如此，这时可以10个孔为一组，通过起爆在各组内的起爆索引发炸药层，而每组用电子起爆器引发。
在此实施例中，对每排的孔数没有规定，它取决于一次采掘作业中要爆破的整个爆破场的大小。要引爆的第一个孔在图中显示为A排的第一个孔，但沿着爆破场的引爆方向可根据场地条件选择，尤其是要使引爆方向远离任何最需关注震动和/或空中爆炸的区域。或者，也可根据这里介绍的设计原则，自中心位置向两个方向引发爆破。
在此实施例中，各层和各排的装药情况如下：
层1：A排：ANFO炸药250kg(炸药比＝0.2kg/m³)
层1：B排和C排：重型ANFO炸药950kg(炸药比＝0.75kg/m³)
层1：D排：重型ANFO炸药900kg(炸药比＝0.62kg/m³)
层1：E排和F排：重型ANFO炸药700kg(炸药比＝0.55kg/m³)
层1：G排(预裂排)：底层60kg防水乳液炸药，中层和上层50kg ANFO炸药，炸药层之间是空气层(预裂排炸药比＝0.8kg/m²高边坡面积(highwall area))
层1中的炸药位于高出上煤层38顶部3m的地方，装在惰性炮泥材料上，从而在煤层和底部炸药层之间提供一段惰性“疏离”距离，最大程度减小煤层因上面的抛掷爆炸而发生运动。
层2：各排：不装炸药，在孔中填入惰性炮泥材料，穿过煤层2。此惰性材料层从煤层向上、向下延伸3m，排1中在层1下面有更大的惰性材料层。
层3：A排：重型ANFO炸药280kg(炸药比＝0.30kg/m³)
层3：C排：重型ANFO炸药620kg(炸药比＝0.33kg/m³)
层3：D排：重型ANFO炸药350kg(炸药比＝0.33kg/m³)
层3：F排：重型ANFO炸药570kg(炸药比＝0.30kg/m³)
层3：G排(预裂排)：同前所述装药。
层3中的炸药位于高出底煤层44顶部3m的地方，装在惰性炮泥材料上，从而在煤层和底部炸药层之间提供一段惰性“疏离”距离。
层4：A排：防水乳液炸药160kg(炸药比＝0.25kg/m³)
层4：C排：防水乳液炸药320kg(炸药比＝0.25kg/m³)
层4：D排：防水乳液炸药180kg(炸药比＝0.25kg/m³)
层4：F排：防水乳液炸药250kg(炸药比＝0.20kg/m³)
层4：G排(预裂排)：同前所述装药。
在此实施例中，各层和各排炸药的引发情况如下：
层1：A排：5孔一组，组内的孔间间隔0毫秒，组间间隔25毫秒。
层1：B排和C排：B排比A排晚1500毫秒引发，C排比B排晚300毫秒引发。B排和C排的孔间延迟时间采用10毫秒。
层1：D排：D排比C排晚300毫秒引发。孔间延迟时间采用10毫秒。
层1：E排和F排：E排比D排晚300毫秒引发，F排比E排晚350毫秒引发。5排孔间延迟时间采用15毫秒，F排的孔间延迟时间采用25毫秒。
层1-4：G排(预裂排)：预裂排各孔中的炸药层均以相同的延迟时间进行点火。引发预裂排中的爆破孔时，10孔为一组，组内各孔延迟时间均相同，组间延迟时间为25毫秒。第一组孔比B排第一孔晚150毫秒引发。
层3：C排：比层1中F排第一段炸药晚500毫秒引发。在此层C排中，孔间延迟时间采用50毫秒。此排是该层中点火的第一排，目的是初步破碎中央区域，确保直立爆破部分向自由面的移动最小。
层3：D排：比层3中C排第一段炸药晚100毫秒引发。在此层D排中，孔间延迟时间采用50毫秒。
层3：A排：比层3中C排第一段炸药晚150毫秒引发。在此层A排中，孔间延迟时间采用50毫秒。
层3：F排：比层3中D排第一段炸药晚150毫秒引发。在此层F排中，孔间延迟时间采用50毫秒。
层3：G排(预裂排)：已经同前所述引发。
层4：C排：比层3中F排第一段炸药晚200毫秒引发。在此层C排中，孔间延迟时间采用50毫秒。
层4：D排：比层4中C排第一段炸药晚100毫秒引发。在此层D排中，孔间延迟时间采用50毫秒。
层4：A排：比层4中D排第一段炸药晚50毫秒引发。在此层A排中，孔间延迟时间采用50毫秒。
层4：F排：比层4中D排第一段炸药晚150毫秒引发。在此层F排中，孔间延迟时间采用50毫秒。
层4：G排(预裂排)：已经同前所述引发。
此多级爆破将产生如下结果：
1.由层1中A排产生的一层缓冲材料位于主(底)煤层前面。
2.层1中B、C、D、E排的相当一部分物质被抛到最终的废石场地，这缘自高炸药比、短孔间延迟和长排间延迟，与从自由面向后面的爆破区域逐步引发的综合作用。
3.预裂在整个爆破区域背面形成一个清洁的高边坡。
4.与层1不同，层3和4发生直立爆破，该爆破方案的炸药比低，从中央引发，孔间延迟长而排间延迟短，从而使层2、3、4中的物质充分破碎，使得挖掘爆破产物和回收煤时，基本上不会中断或破碎煤层，中间岩层或覆盖岩层物质也不会稀释煤层。
图7所示为多级爆破的一个实施例，专门为在各个不同的层中产生级差破碎结果而设计。为方便起见，在合适的地方采用与图2相同的标记数字。用图6a和6b中相同的方法标记各排爆破孔和每排当中的单个爆破孔。图7显示覆盖层50位于可回收矿层52上部。虽然此实施例仅显示两层，但可以包含若干层，每层可设计类似的级差方案，以产生级差破碎结果。
经过设计，覆盖层50爆破后产生细破碎，可以提高挖掘效率。相反，可回收矿层52按设计方案爆破后达到较粗的破碎，产生更多的“团块”物质，这对于一些矿物如煤和铁矿石具有较高价值。利用不同的孔间和排间定时，以及多级孔内引发，并使覆盖岩层50中的炸药比高于矿层52，结果能够获得级差破碎结果。
在图7中，有6排A-F的爆破孔a-f。在此实施例中，只有4排，即A、C、D、F排延伸到矿层52中。爆破孔的标称直径为270mm，各排之间的标称排距和各孔之间的标称孔距分别为7m和9m。覆盖岩层深度为40m，矿层深度为10m。
在此实施例中，对每排孔数没有规定，它是一次采掘作业中要爆破的整个爆破场的大小的变量。要引爆的第一个孔在图中显示为A排的第一个孔，但沿着爆破场的引爆方向可根据场地条件选择，尤其是要使引爆方向远离任何最需关注震动和/或空中爆炸的区域。或者，也可根据这里介绍的设计原则，自中心位置向两个方向引发爆破。
在此实施例中，各层和各排的装药情况如下：
层1：A排：重型ANFO炸药2000kg(炸药比＝0.79kg/m³)
层1：B排、C排、D排和E排：重型ANFO炸药1800kg(炸药比＝0.71kg/m³)
层1：F排：ANFO炸药1400kg(炸药比＝0.56kg/m³)
层1中的炸药柱位于高出上煤层52顶部3m的地方，装在惰性炮泥材料45上，从而在煤层和底部炸药层之间提供一段惰性“疏离”距离。
层2：A排：重型ANFO炸药200kg(炸药比＝0.32kg/m³)
层2：C排：重型ANFO炸药400kg(炸药比＝0.32kg/m³)
层2：D排：ANFO炸药150kg(炸药比＝0.24kg/m³)
层2：F排：重型ANFO炸药400kg(炸药比＝0.32kg/m³)
在此实施例中，各层和各排炸药的引发情况如下：
在层1的所有爆破孔中，采用双孔内引发。在此实施例中，“引发器”包含位于合适的雷管中的电子起爆器。在层1中，每个孔中底部引发器首先点火，顶部引发器比底部引发器延迟2毫秒点火。这使得层1内每个柱炸药可向上和向下起爆。
层1：A排：孔间延迟12毫秒。
层1：B排、C排、D排和E排：B排比A排晚100毫秒引发，C排、D排和E排分别比前一排晚150毫秒引发。B排、C排、D排和E排孔间延迟时间采用12毫秒。
层1：F排：F排比E排晚150毫秒引发。F排孔间延迟时间采用26毫秒。
层2：C排：比层1中F排最后一段炸药晚1500毫秒引发。在此层C排中，孔间延迟时间采用60毫秒。
层2：D排：比层2中C排第一段炸药晚150毫秒引发。在此层D排中，孔间延迟时间采用60毫秒。
层2：A排：比层2中D排第一段炸药晚150毫秒引发。在此层A排中，孔间延迟时间采用60毫秒。
层2：F排：比层2中D排第一段炸药晚200毫秒引发。在此层F排中，孔间延迟时间采用70毫秒。
此多级爆破将在层1所在覆盖岩层中产生更细的破碎，而在层2所在矿层中产生更粗的破碎，含有“团块”材料。
在另一个实施例中，本发明可以下述方式在大型露天煤矿实施。一个矿体包含第一物质体和第二物质体，其中第一物质体深18m，包含一个深2.8m的底煤层，上面覆盖一个深12m的中间岩层，再上面覆盖一个深3.2m的上煤层；第二物质体包含深38m的覆盖岩层。在一个循环作业中对该矿体进行打孔，装填炸药和引发器，然后爆破。
对第一物质体实施直立爆破，它在第二物质体完成抛掷爆破约7秒钟后引发。在第一物质体和第二物质体中采用不同的孔间和排间延迟定时。爆破孔的直径为270mm，排距为6-7.5m，孔距为9m。炸药和惰性层的精确定位通过对爆破孔进行“γ射线勘测”完成，还精确定位煤层的位置。这些结果可以用爆破设计软件包绘成三维模型。然后，可利用复杂的预测性爆破模型优化各层中炸药的能量分布。
在此实施例中，将炸药装填在第一物质体中的底煤层和该煤层之上的中间岩层里，以及第二物质体中位于上煤层之上的最上面的覆盖岩层里。第一物质体中的上煤层里没有装填炸药。因此，三个独立层(其中两个位于第一物质层)装有炸药和引发器。全部三个爆破层均用电子起爆器来引发爆破。爆破引发定时设计示于图8，图8采用与图6a相同的方法标记各排爆破孔以及每排中的单个爆破孔。电子起爆器的点火时间显示在每个孔的旁边。从上往下读，点火时间是针对覆盖岩层抛掷爆破中最上层的炸药层，中间岩层直立爆破中的炸药层，以及底煤层直立爆破中的炸药层。虽然图8显示了引发布局，但它仅示出了整个爆破场中前面的少数孔。整个爆破场的“多级爆破”持续的总时间为11180毫秒。爆破成功点火，并得到以下结果：
1.抛出爆破场的物质所占百分比较高，与常规的25％相比，达到45.5％；
2.抛掷爆破产生的物质能用索斗铲有效挖掘，表明破碎和膨胀情况合适；
3.煤的挖掘损失和损坏最少，煤的回收率高于常规方法；
4.钻孔、装药和爆破的循环次数由4次减少到1次，表明煤矿的生产效率显著提高；
5.爆破次数从4次缩减到1次，还意味着减少了噪音、震动和粉尘对环境的影响。
本领域的技术人员不难理解，这里介绍的本发明可在具体叙述的情况之外进行各种变化和改进。应当理解，本发明包含所有这些变化和改进形式，只要它们符合本发明的精神和范围。本发明还包含本说明书中引用或指明的所有步骤、特征、组成和化合物，不管是单独还是整体引用或指明；并包含任何两个或多个所述步骤或特征的任何及所有组合。
在整篇说明书以及下面的权利要求书中，除非文中另有要求，对“包含”及其各种变体应理解为，它们指包括所陈述的数字或步骤，或者所陈述的一组数字或步骤，但不排除任何其他数字或步骤，或者一组数字或步骤。
本说明书中对任何原有技术的参考，不能也不应理解为承认，或以任何形式表明该原有技术构成澳大利亚的通用知识的一部分。