延時時間對巖石爆破效果影響的探討

郭 侃，雷 戰，艾 欣，李洪偉，吳立輝，王 蕾，聶華君

(1.安徽銅陵海螺水泥有限公司，安徽 銅陵 244000；2.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001；3.齊魯理工學院計算科學與信息工程學院，濟南 250200)

深孔爆破技術是現代爆破常用的技術手段，尤其是礦山深孔爆破根據工程要求目前發展了毫秒延時爆破、預裂爆破、光面爆破、擠壓爆破等多種爆破技術，而這些爆破技術的應用均涉及到延時時間的選擇問題[1]。延時爆破相對于傳統爆破技術在提高巖石破碎率、降低爆破振動、降低炸藥單耗、提高爆破效果和炸藥能量利用率等方面具有無可比擬的優勢，廣泛應用在現代工程爆破(露天爆破、井巷掘進爆破、拆除爆破等)領域[2-3]。

對于延時爆破理論，國內外學者對此進行了許多研究，但至今沒有統一的定論，目前可認為主要存在以下方面的觀點：①新自由面增多；②應力波疊加；③輔助破碎作用；④地震波的干擾[4]。國內外學者在此基礎上展開了對延時爆破延時時間及爆破效果的研究。樓曉明等[5-6]通過理論分析計算對哈努卡耶夫提出的延時控制半經驗公式進行了修正，提出了新的延時爆破延時時間選取的理論模型并加以驗證，結果表明理論模型與實驗結果較為吻合。凌同華等[7]基于小波變換的時-能分布的方法有效地確定了爆破中所用雷管的實際延時時間，對綜合研究爆破機理和降低爆破地震波有重要指導意義。付天光等[8]詳細論述了逐孔起爆延時爆破技術的基本原理和特點并結合礦山爆破工程實踐數據驗證了這一技術的優勢。張奇等[9]利用分形理論研究了巖石爆破的破碎時間選擇問題，并提出了一種巖石爆破破碎時間的計算方法和延時起爆延時優化的一種途徑。

上述研究在巖石延時爆破理論分析和工程應用方面提供了重要參考價值，但目前對于巖石延時爆破合理間隔時間的理論研究尚不充分，巖石爆破延時時間的理論研究滯后于工程實踐的矛盾突出，因此延時爆破技術有待遇于一步深入研究。筆者通過制作混凝土砂漿材料延時爆破實驗模型，對不同延時時間間隔下巖石爆破裂紋擴展進行了研究，并利用超動態應變儀對不同測點的應變大小進行了測量分析，對工程實踐具有一定的理論指導意義。

1 實驗方案

1.1 模型的建立

實驗設計模型尺寸大小為：長700 mm、寬700 mm、高300 mm。本實驗共布置4個炮孔(見圖1)，其中炮孔1距離兩側自由邊界20 cm，炮孔1和炮孔3為同排炮孔，炮孔2和炮孔4為同排炮孔，炮孔孔間距25 cm，排間距20 cm。實驗選用DDNP(二硝基重氮酚C6H2(NO2)2ON2)炸藥，裝藥直徑均為6 mm，裝藥高度10 cm，填塞材料采用自制炮泥，填塞長度5 cm。

圖1 實驗模型

1.2 實驗材料參數

1)混凝土試樣參數。通過單炮孔混凝土爆破實驗，研究不同起爆方式對巖石柱狀裝藥爆破效果的影響，實驗所制混凝土試樣參數[10]如表1所示。

表1 混凝土試樣參數

1.3 巖石延時爆破實驗

本實驗通過觀察不同延時時間起爆下巖石爆破裂紋擴展過程，分析研究得到其在不同延時時間下巖石裂紋擴展特性及爆破效果，合理選擇延時時間，并用來指導工程實踐，為此我們制定了以下延時爆破方案：

①水泥砂漿試件炮孔同時起爆(延時0 s)；

②水泥砂漿試件炮孔逐排起爆，延時分別為100、300、500μs。

為達到微秒級延時時間，研制了一種多通道高精度延時起爆器，該設備主要包括電源、輸出電壓通道、電壓顯示屏、觸發開關、觸屏顯示器、高壓電容陣列版等裝置，該延時起爆器共8個通道，一次可同時對8個炮孔進行同時或延時起爆，量程為0～64 ms，使用環境0～60 ℃，最高起爆電壓2 200 V，該設備通過計算機語言編制控制系統，理論精度為1 μs，具體如圖2所示。

1.4 試件應變測試

由于水泥砂漿試件爆破采用的藥包較長，為了盡可能采集到更多數據和保證一定的精確度，超動態應變儀[11-13]選用的采樣率為10 000 kHz，采樣長度為160 K，橋壓大小設置為4 V，增益設置為100。具體應變測量點的位置分布如圖3所示。

圖3 應變測量點分布

2 結果與討論

2.1 不同延時時間起爆下巖石裂紋擴展特性分析

由水泥砂漿試件同時起爆效果(見圖4)可以看出，試件起爆后共形成14條較明顯的裂紋，相鄰炮孔之間均相互貫通形成貫通裂紋(見圖4c裂紋1、2、3、4)，此處裂紋分析可知主要由炸藥爆炸應力波拉伸斷裂產生；每個炮孔均和自由面形成斷裂裂紋(見圖4c裂紋5、7、8、10、11、12、14)，驗證了自由面對巖石爆破裂紋擴展方向和爆破破碎效果具有顯著影響；其余裂紋6、9、13主要由爆炸應力波在自由面反射后的應力波疊加產生[14-16]。通過圖4b可以看出，沿著最小抵抗線方向，破碎巖石在爆生氣體作用下被推動拋擲一段距離，這與工程爆破實際情形相符合，但在同時起爆條件下水泥砂漿試件爆破破碎形成的塊度較大。

圖3 同時起爆試件爆破效果

由水泥砂漿試件在100 μs延時起爆效果(見圖5)可知，試件起爆后共形成13條較明顯的裂紋，與同時起爆相似，相鄰炮孔之間均相互貫通形成貫通裂紋(見圖5c裂紋1、2、3、4)；每個炮孔均和自由面形成斷裂裂紋(見圖5c裂紋5、7、8、10、11、13)；其余裂紋6、9、12主要由爆炸應力波在自由面反射后的應力波疊加產生。從爆破破碎效果可知，在100 μs延時起爆時水泥砂漿試件起爆效果略差于同時起爆，但在延時起爆條件下，在炮孔1、3先起爆，炮孔2、4后起爆在垂直自由面方向的上的裂紋擴展更加明顯。

圖5 間隔100μs試件爆破效果

由水泥砂漿試件在300 μs延時起爆效果(見圖6)可知，試件起爆后共形成13條較明顯的裂紋，相鄰炮孔之間均相互貫通形成貫通裂紋(見圖6c裂紋1、2、3、4)；每個炮孔均和自由面形成斷裂裂紋(見圖6c裂紋5、7、10、11、13)；其余裂紋6、8、9、12主要由爆炸應力波在自由面反射后的應力波疊加產生。從爆破破碎效果可知，在300 μs延時起爆時水泥砂漿試件爆生裂紋擴展規律和100 μs延時起爆時類似，產生的主裂紋數相同，但在300 μs延時起爆條件下，水泥砂漿試件爆生裂紋10、11、12不明顯且未擴展到達自由面，因此產生的大塊較大，爆破效果較差。

圖6 間隔300μs試件爆破效果

由水泥砂漿試件在500 μs延時起爆效果(見圖7)可知，試件起爆后共形成13條較明顯的裂紋，與圖5、圖6相似，相鄰炮孔之間均相互貫通形成貫通裂紋(見圖7c裂紋1、2、3、4)；每個炮孔均和自由面形成垂直裂紋(見圖7c裂紋6、7、9、11、13)；其余裂紋5、8、10、12主要由爆炸應力波在自由面反射后的應力波疊加產生。從爆破破碎效果可知，在500 μs延時起爆時水泥砂漿試件爆生裂紋擴展規律和100、300 μs延時起爆時類似，產生的主裂紋數相同，但在500 μs延時起爆條件下，水泥砂漿試件爆生裂紋均能擴展到達自由面，爆破充分，且爆破產生的小塊較多，爆破效果優于100、300 μs延時起爆時的情形。

圖6 間隔500 μs試件爆破效果

2.2 應變測試結果與分析

由水泥砂漿試件應變測試數據(見表2)可知，水泥砂漿試件各測點應變電壓值在12.796～13.441 V之間，總體來說，通道2和通道4、通道1和通道3、通道5和通道6、通道7和通道8所測數據基本一致，這是由于他們分別和最近炮孔的距離相同，試件各測點峰值應變值在0.064～0.067之間，從總體上來講，各通道應變值大小排序基本符合規律：通道2、4>通道1、3>通道5、6>通道7、8，測點5、6距離炮孔3和1的大小均為10 cm，其平均峰值應力分別對應為183.04、181.59 MPa，測點7、8距離炮孔1和2的大小均為12.5 cm，其平均峰值應力分別對應為181.02、180.19 MPa，而炸藥爆炸在炮孔壁上產生的壓力為4 GPa，通過式(1)計算可知，在測點5、6應力波的衰減系數均為0.88，在測點7、8應力波的衰減系數均為0.83，由此說明，隨著距離的增大，應力波峰值在衰減的同時，應力波衰減系數也在逐漸減小，即應力波衰減速度隨距離的增大呈逐漸降低的趨勢。

表2 水泥砂漿試件應變測試數據

3 結論

1)通過分析可知：4種情形下試件爆破產生的主裂紋總數目在13～14條之間，單炮孔產生的主裂紋數目在3～4條之間，且裂紋均能由炮孔擴展至自由面，與同時起爆相比，逐排延時起爆后排炮孔(炮孔2、4)在垂直自由面方向裂紋擴展的更加充分。

2)實驗對比發現，炮孔沿著最小抵抗線方向，微秒延時(100、300、500 μs)相對于同時起爆拋擲距離較短，表明微秒延時起爆時爆生氣體的推動作用效果較弱，但在延時時間為500 μs起爆時試件破碎充分，爆破產生的小塊較多，爆破效果最優。

3)應變測量結果表明：試件各測點峰值應變值在0.064～0.067之間，且隨著距離的增大，應力波衰減速度隨距離的增大呈逐漸降低的趨勢。