臺階爆破逐孔起爆網路的設計與應用?

李 峰

中鐵十二局集團第二工程有限公司(山西太原，030024)

引言

逐孔起爆技術廣泛地應用于土石方爆破、露天煤礦爆破等臺階爆破中。 在延期爆破中，可通過合理使用雷管段別，進而控制炮孔的延期時間，達到逐孔起爆的效果。 于江浩等[1]以神華北電勝利露天礦為研究對象進行分析，得出逐孔起爆可以創造更多的自由面、縮短最小抵抗線、減弱巖石的夾制作用，可有效改善露天礦臺階爆破的破碎效果，提高露天礦開采的生產效益；王生楠[2]通過爆破機理分析，得出逐孔起爆可以有效改善爆破效果，達到對爆破塊度、爆破振動、爆破飛石等爆破危害進行有效控制的目的。 在逐孔起爆中，爆破效果直接受延期時間的影響。 最佳延期時間是起爆網路設計中的關鍵參數。 周文海等[3]利用 LS-DYNA 建立了 0、17、25、42 ms 4 種不同延期下的臺階爆破模型，通過數值模擬和現場測振試驗，得到最佳降振微差時間為42 ms；長沙礦冶研究院通過爆破理論研究，得出后爆藥包利用先爆藥包產生的爆轟氣體及應力場作用達到二次破碎效果，給出最佳延期時間為25 ～50 ms[4]；韓亮等[5]以疊加波形的振速幅值為標準進行分析，得到不同距離測點處的最優微差時間。 由此可見，選擇合理的延期時間，既能夠減振、降振，降低爆破危害，又可以充分利用爆破產生的能量，節約成本，提高效益。

在現代化爆破中，數碼電子雷管具有延時精度高、段別設置不受限制的優點，可實現逐孔起爆；但由于其造價高昂，多用于城市隧道爆破中[6]。 而礦山開挖、土石方爆破多采用傳統導爆管雷管。 傳統導爆管雷管段別固定，延期時間誤差大，爆破過程中可能出現多孔齊發、后排先爆等現象。 在探索使用導爆管雷管實現逐孔起爆方面，許紅濤等[7]研究發現，導爆管雷管通常存在延期誤差，不能準確按設計的延期時間起爆，導致各分段爆破產生的振動可能發生疊加，引起質點振速超標。

計算機編程語言的引入已成為一種行業趨勢，通常涉及起爆網路設計、爆破振動預測、爆破效果評價等多方面，達到智能爆破的目的。 施建俊等[8]基于Matlab 和Visual Basic (VB)編程語言，開發了爆破振動預測系統，在實際工程中預測精度高，人機交互界面良好；張小軍等[9]利用VB 編程語言，開發了立井爆破軟件設計系統，達到爆破參數設計、炮孔設計智能化的目的。

本文中，綜合前人的研究成果，創造性地將導爆管雷管用于逐孔起爆中，并結合雷管的段別設置和延期誤差，合理選擇炮孔的最佳延期時間。 引入正態分布概率模型，定量分析，得到該延期時間能提高地震波干擾降振的概率。 利用VB 編程語言[10]和計算機輔助設計(CAD)強大的繪圖功能，開發了臺階爆破逐孔起爆網路設計系統，經實踐檢驗，利用該系統進行爆破設計能降低爆破危害，提高經濟效益。

1 設計原理

在逐孔起爆網路設計中，欲達到節約成本、連線網路簡單的目的，雷管使用的段別種類越少越好。設計過程中最少采用3種段別的雷管，涉及到孔間延期t1、排間延期t2、孔內延期t3，除此之外，還有炮孔排數n1、每排孔數n2、最佳延期時間t，共6 個變量。

1.1 確定最佳延期時間

在眾多爆破教材中，逐孔起爆網路多采用圖1所示的設計。 雷管采用毫秒延期導爆管雷管，孔間微差為MS3(t1＝50 ms)、排間微差為 MS5(t2＝110 ms)、孔內微差為 MS9(t3＝310 ms)。 圖 1 中，無任何兩炮孔起爆時間重疊，為嚴格意義上的逐孔起爆。但其孔間延期時間為10 ms。 在TB10313—2019《鐵路工程爆破振動安全技術規范》中規定，爆破振動安全核算時，宜將延期時間小于15 ms 的起爆藥包按同段累加計算單段爆炸藥量。 除此之外，由于導爆管雷管本身所存在的誤差(如表1 所示)，MS9 雷管延期時間為(310 ±30)ms，誤差可達60 ms(遠大于10 ms)，炮孔起爆后地震波干擾降振概率大大減少，很容易造雙孔起爆或者多孔起爆。

長沙礦冶研究院通過對大冶鐵礦進行逐孔起爆試驗研究，得出孔間延期時間的經驗公式[4]：

式中：t為孔間延期時間，ms；Q為炮孔的平均裝藥量，140 ～ 480 kg；γe為炸藥的密度，0.95 ～ 1.28 g/cm3；γr為巖石的密度，2.9 g/cm3；D為炸藥爆速，3 600 ～3 800 m/s；Cr為巖石縱波波速，5 000 m/s；S為巖石移動距離，10 mm；v為巖塊平均移動速度，2～5 mm/ms。

通過式(1)可以計算得到：采用乳化炸藥時，最佳延期時間為17 ～65 ms；采用銨油炸藥時，最佳延期時間為 15 ～47 ms。

圖1 爆破教材常用的起爆網路Fig.1 Blasting network diagram commonly used in blasting textbook

表1 導爆管雷管段別延期表Tab.1 Segment and delay time of nonel detonator

在露天煤礦臺階爆破過程中，最小抵抗線初步設計為6 ～10 m時，不同種類巖石要選擇的最佳延期時間為：花崗巖、橄欖石、輝長石、閃長巖、石英巖等較堅硬巖石的延期時間為15 ～30 ms；蛇紋巖、堅硬石灰巖、玢巖、砂巖等中性巖石最佳延期時間為20 ～46 ms；菱鎂礦、石膏、泥灰巖等較軟巖石的延期時間為 50 ～70 ms[4]。

綜合前人研究成果，最佳延期時間為：若抵抗線較大、巖石硬度較小、地質構造突出、結構面破碎，則確定50 ms(MS3)為炮孔最佳延期時間；相反，若抵抗線較小、巖石硬度較大、地質構造不顯著、結構面比較完整，則確定為25 ms(MS2)。

1.2 建立數學模型

鑒于上述設計，在考慮雷管延期誤差的基礎上，引入正態分布概率模型，定量分析最佳延期時間的不同對逐孔起爆地震波干擾降振的影響。

導爆管雷管段別延期誤差可看成隨機變量，當某段雷管同一批次數量足夠大時，可假設雷管段別和延期符合正態分布N(μ，σ2)，μ為延期均值，σ為樣本標準差。 采用文獻[5]中的同一批次抽樣實測MS1 ～MS15 雷管延期時間，數據如表2 所示。

由于雷管段別與樣本標準差大致呈正相關，可建立線性回歸方程計算MS16、MS17 的標準差，通過Origin 軟件進行線性擬合，擬合后的趨勢線如圖2所示，擬合后的回歸方程為

式中：σ為標準差，N為雷管段別。 擬合后，R2＝0.919 41，擬合程度較高。

通過式(2)計算，得到MS16 和MS17 標準差分別為17.71、18.84；延期誤差均值采用MS1 ～MS15延期誤差絕對值的平均值，計算結果如表2 所示。

1.3 分析結果

以MS13段雷管為例，建立正態分布數學模型，如圖3 所示。

表2 MS1～MS17 雷管延期時間及誤差Tab.2 Delay time and error of MS1-MS17 detonator

圖2 MS1 ～MS15 雷管段別與樣本標準差擬合曲線Fig.2 Fitting curves of MS1-MS15 detonator segment and sample standard deviation

設母體服從X ～N(μ，σ2)的正態分布，來自X的子樣為X1，X2，…，Xn，用子樣平均值來估計μ，故服從正態分布

因此，有U服從標準正態分布

圖3 MS13 雷管的正態分布模型Fig.3 Normal distribution model of MS13 detonator

給定置信概率為 1 -α(0 ＜α ＜1)，MS13 雷管子樣1 -α的概率全部屬于區間[610，690]，則有

故μ的置信區間為

式中：為在α/2 概率處的分應點，可以通過標準正態分布函數表直接讀取出來。

設MS13 雷管樣本總數n ＝100，樣本平均值＝652.4 ms，標準差σ ＝18.75，置信概率1 -α，有

通過式(7)計算，得到α ＝0.000 000 01，有99.999 999%置信概率，認為 MS13 雷管在[610，690]區間內起爆。

若雷管最佳延期時間t ＝25 ms，那么置信區間為[625，675]，則有

將、σ、n代入式(8)，計算得到，置信概率為92.8%，即最佳延期時間取25 ms，各炮孔地震波干擾降振概率為92.8%。 若雷管最佳延期時間t ＝10 ms，置信區間為[630，650]，通過分析得到置信概率為47.78%，即最佳延期時間取10 ms，該概率僅為47.78%。

按照本文中所提出的最佳延期時間進行起爆網路的設計，并將其與傳統設計進行對比，得到臺階爆破各炮孔干擾降振的概率明顯提高，對比分析如圖4 所示。

圖4 起爆網路改進前、后炮孔干擾降振概率對比Fig.4 Comparison of the probability of vibration reduction by interference of blast hole before and after the improvement of the blasting network

由正態分布概率模型分析得到的對比(圖4)可知，隨著段別的增加，改進前臺階爆破炮孔干擾降振的概率逐漸降低，MS17概率僅為22.82%；起爆網路改進后，除了MS17 概率為84.72%，其余概率都保持在92.80%以上。 這說明選擇25 ms(MS2)、50 ms(MS3)作為炮孔的最佳延期時間，能有效地避免多孔起爆、后排先爆現象的發生。

1.4 其他延期時間的關系

為保證起爆網路的設計符合實際情況，排間延期t2必須大于孔間延期t1，即t2＞t1＝t；為確保炮孔起爆時不會對后續網路產生影響，孔內延期需使用大延期雷管，4 種延期時間滿足t3＞t2＞t1＝t。

2 基于VB 的起爆網路系統開發

2.1 VB 簡介

VB 源自 Basic 編程語言，擁有圖形用戶界面(GUI)和快速應用程序開發(RAD)系統，可以輕易地使用DAO、RDO、ADO 連接數據庫，并輕松地創建ActiveX 控件，該控件是遵循ActiveX 規范的可執行代碼，可作為開發和運行的部分代碼，建立新的應用程序。

2.2 起爆網路系統的開發

2.2.1 可視化界面設計

1)系統登錄界面。 系統登錄界面作為該系統的第二個界面，通過計時控件與初始界面鏈接。 該界面設計包括2 個命令按鈕控件、2 個文本框控件、3 個標簽控件。 由標題、說明、用戶名、密碼以及登錄與退出按鈕組成。 如圖5 所示。

2)毫秒延期導爆管雷管起爆網路設計輸入界面。該模塊界面設計由3 個標簽控件、2 個文本框控件和3 個命令按鈕控件祖成。 文本框控件中輸入臺階炮孔排數、每排炮孔數等參數值。 見圖6。

2.2.2 關鍵技術實現

圖5 系統登陸界面Fig.5 Login interface of the system

圖6 起爆網路設計輸入界面Fig.6 Input interface of the designed initiation network

1)起爆網路方案的設計。該模塊是整個系統設計的關鍵環節。 在設計之前，將排數、每排孔數、孔間微差、孔內微差、排間微差、最佳延期時間六者之間的關系以集合的方式形成Access 數據庫，通過ADO 控件連接數據源。 ADO 控件是通過Microsoft ActiveX 數據對象(ADO)來快速建立數據源連接的數據綁定控件。 之后，用戶輸入臺階炮孔排數、每排炮孔數等設計值后，系統會根據輸入的參數，自行設計、搜索、計算，生成符合要求的起爆網路設計組合，如圖7 所示。

2)起爆網路示意圖的自動生成。 系統在設計中，調用AutoCAD 程序，采用VB 中的ActiveX Automation 控件實現兩個軟件的連接，合理使用Shape控件和Line 控件形成示意圖模板，將變量(排數、每排孔數、孔間微差、孔內微差、排間微差)以代碼的形式輸入，最終形成完整的參數式起爆網路示意圖。

3 工程應用

在渝涪二線 1 標ZDK19 +800 ～ ZDK24 +008段緊鄰既有線擴塹開挖工程中，爆破區域緊鄰工區油庫儲存罐(爆破距離15 m左右)，大部分擴塹開挖邊線距離既有線中心不超過10 m，爆破環境復雜且施工難度巨大。 鑒于飛石、滾石、爆破振動等眾多安全影響因素，采用逐孔起爆技術成為必然選擇。

圖8為施工現場臺階爆破的炮孔布置圖，共布置3 排，每排12 個炮孔。

圖7 起爆網路設計組合界面Fig.7 Combination interface of initiation network design

圖8 施工現場起爆網路的炮孔布置Fig.8 Blasthole layout of initiation network at the site

臺階爆破逐孔起爆網路設計系統中，輸入n1＝3、n2＝12 后，選取其中 1 種連線方式，孔間延期t1＝25 ms(MS2)、排間延期t2＝310 ms(MS9)、孔內延期t3＝460 ms(MS11)，如圖 9 所示。

將該起爆網路用到現場施工中，圖10 是使用該爆破網路與之前V 型起爆網路的爆后效果對比圖。

由圖10 對比可以看出，使用新型起爆網路后，爆后巖石塊度均勻，爆堆良好，爆破過程中無飛石、滾石侵限，無多孔齊發、后排先爆現象，爆破效果良好。 在土石方清運過程中，對大塊(最大邊長大于2.5 m 的巖石)進行測量和統計，用米尺及參照物丁字架進行測量。 其中，丁字架大小為1.0 m ×1.0 m。 通過統計分析發現，使用V 型起爆網路，大塊率為0.41%；使用新型起爆網路后，大塊率為0.19%：大塊率明顯降低。 使用TC-4850 測振儀對重要設施進行振動監測發現，爆破振動嚴格控制在振速安全允許值之內，且降振率在26%以上，大部分集中在40% ～60%之間。 具體監測結果如表3 所示。

圖9 通過軟件設計起爆網路Fig.9 Initiation network designed by software

圖10 起爆網路改進前、后爆破效果對比Fig.10 Comparison of blasting outcome before and after the improvement of the initiation network

表3 起爆網路改進前、后爆破振動現場監測數據對比Tab.3 Comparison of field monitoring data of blasting vibration before and after the improvement of the initiation network

4 結論

1)確定25 ms(MS2)、50 ms(MS3)作為炮孔的最佳延期時間，若抵抗線較大、巖石硬度較小、地質構造突出、結構面破碎，最佳延期時間確定為50 ms(MS3)；相反，則是25 ms(MS2)。 由正態分布概率模型分析可知，該延期時間可使炮孔間地震波干擾降振概率保持在較高水平。

2)基于VB 編程語言，開發了臺階爆破逐孔起爆網路設計系統。 該系統結合VB 的友好界面和計算機輔助設計(CAD)強大繪圖功能，實現了起爆網路設計的可視化和智能化。

3)將該系統應用于渝涪二線1 標工程中的臺階爆破起爆網路設計中。 經實踐檢驗，爆后大塊率明顯降低，爆破降振率大幅提高，無飛石、滾石侵限，無多孔齊發、后排先爆現象發生，爆破效果良好。