數(shù)碼電子雷管不同延期時間爆破振動規(guī)律試驗研究

王建華 陳能革 謝亮波 儀海豹 李二寶

（1．安徽馬鋼礦業(yè)資源集團有限公司南山礦業(yè)有限公司；2．安徽馬鋼礦業(yè)資源集團有限公司；3．馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司）

隨著干擾降振理論逐漸發(fā)展，通過改變爆破工藝可以實現(xiàn)爆破振動波形的人為控制，使波峰及波谷疊加，達到降低爆破振動的目的。但是由于傳統(tǒng)的導(dǎo)爆管雷管的延期精度低、誤差大，難以精準控制微差時間，使干擾降振長期停留在理論階段。隨著電子雷管的出現(xiàn)，延期時間精度可以達到1 ms左右，且延期時間可以任意調(diào)整，實現(xiàn)分段起爆，使干擾降振成為可能。針對電子雷管干擾降振研究，許多學(xué)者已經(jīng)做了大量工作［1-4］。楊育等［5］借助ANSYS/LSDYNA程序?qū)Σ煌悠谄鸨瑫r間條件下臺階爆破產(chǎn)生的振動進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)淺孔臺階爆破中，爆破降振效果最佳的孔間延期時間為5 ms；在深孔臺階爆破中，爆破降振最佳的孔間延期時間為7～10 ms。楊年華等［6］監(jiān)測單孔爆破振動，在分析單孔爆破振動波特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)單孔爆破獲得峰值衰減、振動周期、傳播速度等參數(shù)，提出了應(yīng)用電子雷管精確設(shè)計起爆時差實現(xiàn)干擾降振，按單孔爆破振動波的半周期設(shè)計各藥包起爆時差，產(chǎn)生群孔爆破振動峰值小于單獨炮孔的爆破振動峰值。邱賢陽等［7］利用Matlab分析了不同微差間隔下2段疊加信號的時頻特征，分析了段數(shù)、相鄰振幅比和最大段藥量位置對短微差爆破疊加信號降振效果的影響，相同微差間隔下隨著段數(shù)的增加，疊加信號降能率逐漸增大，當(dāng)段數(shù)達到一定數(shù)量后增加分段數(shù)，微差爆破的降振效果并不明顯；微差爆破中相鄰振幅比越接近1，降振效果越明顯；最大段藥量靠后的疊加信號降能率大于其他順序。

然而，上述研究大多停留在理論階段，未見基于現(xiàn)場爆破試驗的分析研究。為此，本研究選取6種典型的炮孔延期方案，在試驗礦山開展電子雷管干擾降振試驗，對比爆區(qū)200 m范圍內(nèi)的爆破振動監(jiān)測情況，對露天礦山爆破工藝炮孔延期方案進行優(yōu)選。

1 精確延期干擾降振作用原理

在微差爆破中，利用爆破振動波相反相位振動的疊加來降低爆破振動的方法稱為微差干擾降振。藥包爆炸后，沖擊振動波以毫秒級的時間間隔從爆源處開始傳播，由于延期時間的存在，各振動波存在相位差，使不同段波形相互疊加，達到降低振動波幅值的目的，從而降低爆破振動強度。

理論上講，當(dāng)爆破延期時間為地震波的整數(shù)倍周期，即Δt=n T（n為整數(shù)，T為振動波的周期），則各延期藥包爆炸會引起振動效應(yīng)增強；當(dāng)爆破的延期時間為非整數(shù)倍周期，即n等于1/2、1/3、…中的某個值，會使得各部分藥包爆炸引起的振動效應(yīng)比齊發(fā)爆破要低；而當(dāng)延期時間大于3倍的地震波周期，即n＞3時，其實可以認為藥包為單個起爆，各個藥包爆炸引起的地震波是分開的，相互之間互不干擾，獨立作用。已有研究成果表明［8-12］，當(dāng)爆破的延遲時間為半周期，即Δt=T/2時，此時爆破的降振效果最佳，由于爆破振動波之間的相互干涉，得出疊加后振幅減小，但是疊加后振動時間比單個藥包爆破振動時間要大；當(dāng)延遲時間為3.5個周期，即Δt=3.5T時，各個爆破振動波的振幅不發(fā)生疊加，但振動時間會增大；而當(dāng)延遲時間為1個周期時，即Δt=T時，疊加后的振動效果最為不利，此時引起的爆破振動波的振幅顯著增大。采用數(shù)碼電子雷管控制高精度延期間隔，優(yōu)化確定最佳的微差時間以干擾降低爆破振動強度。

2 礦山概況及試驗方案

2.1 試驗礦山概況

試驗礦山生產(chǎn)規(guī)模為300萬t/a，年采剝總量為450萬m3。主要巖性為次火山巖閃長玢巖和花崗閃長斑巖，普氏硬度系數(shù)f=8～15。采用潛孔鉆機穿孔，鉆孔孔徑為200 mm；由于水孔較多，炮孔裝填?170 mm乳化炸藥，單孔裝藥量約為240 kg。

礦山為典型的近城區(qū)礦山，周邊環(huán)境復(fù)雜，對爆破作業(yè)要求較高。礦山采坑西北側(cè)300 m為高精度儀器生產(chǎn)廠區(qū)；周邊村莊環(huán)繞，其中西北側(cè)280 m、東北側(cè)580 m、南側(cè)340 m均為村民聚集區(qū)；另外，采坑西側(cè)1和1.5 km分別為高速公路收費站及高鐵線路。

2.2 試驗方案設(shè)置

為分析炮孔間延期時間對爆破振動的影響規(guī)律，結(jié)合露天礦山常用高精度導(dǎo)爆管雷管延期段別設(shè)置，選取8，16，24，32，48和72 ms共6種炮孔間延期方案，開展數(shù)碼電子雷管不同延期時間下的爆破試驗。試驗炮孔沿臺階坡頂線布置，單孔裝藥量約240 kg。現(xiàn)場作業(yè)流程見圖1。

共計開展4次單排孔現(xiàn)場試驗，穿鑿鉆孔24個，消耗數(shù)碼電子雷管48個，最大段裝藥量240 kg，乳化炸藥總消耗量5 340 kg，總爆破方量為10 950 m3。試驗方案匯總見表1。

2.3 爆破振動監(jiān)測方案

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根據(jù)《爆破安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定及試驗炮孔位置特點，在距離試驗炮孔200 m范圍內(nèi)由近至遠依次布置爆破振動監(jiān)測點［13-17］，對不同炮孔延期方案監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。

3 試驗結(jié)果及分析

提取爆破振動監(jiān)測儀器X、Y、Z方向上的振動速度及合速度數(shù)據(jù)，繪制爆破振動速度隨距離變化規(guī)律曲線（圖2）。

由圖2可知，隨著與爆源距離逐漸加大，各測點的X、Y、Z方向的質(zhì)點振動速度以及合速度皆表現(xiàn)為整體衰減趨勢，且測點與爆區(qū)的距離越小，振動速度衰減越顯著。相較于爆源遠區(qū)（80～200 m），爆源近區(qū)（80 m范圍內(nèi)）振動衰減更加顯著，隨著距離增大，振動速度降低幅度逐漸減小。

為進一步探究不同延期時間下爆破振動速度變化規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計知識，分別采用薩道夫斯基公式［18-20］及指數(shù)函數(shù)Y=y0+A×exp（R0×x）（Y為爆破振動速度，x為爆心距，y0及A為系數(shù)）進行回歸分析，得出爆破振動速度衰減規(guī)律，見表2、3。

基于薩道夫斯基公式及指數(shù)函數(shù)，分別繪制爆破振動速度隨微差時間和距離R的變化曲線，見圖3、圖4。

對比不同距離下爆破振動速度變化規(guī)律可知，隨著微差時間的增大，振動速度整體表現(xiàn)為先減小—后增大—再減小的波浪形變化規(guī)律。

注：Q表示最大段藥量，kg；R表示距離，m；V表示爆破振動合速度，cm/s。

注：Y表示振動速度，cm/s；x表示距離，m。

由圖3可知，距爆源40 m范圍內(nèi)，爆破振動速度最小的延期方案為24 ms，16 ms次之；距離爆源60 m范圍內(nèi)，爆破振動速度最小的延期方案為32 ms，72 ms次之。由圖4可知，距爆源40 m范圍內(nèi)，爆破振動速度最小的延期方案為16 ms，32 ms次之；距離爆源60 m范圍內(nèi)，爆破振動速度最小的延期方案為32 ms，72 ms次之；2種回歸分析方案在與爆源不同距離范圍時，爆破振動速度最大的延期方案皆為48 ms。

4 結(jié)論

（1）開展6種炮孔延期方案下的數(shù)碼電子雷管現(xiàn)場爆破試驗，結(jié)果表明，隨著與爆源距離逐漸加大，各測點的振動速度皆表現(xiàn)為整體衰減趨勢，且相較于爆源遠區(qū)（80～200 m），爆源近區(qū)（80 m范圍內(nèi)）振動速度衰減更加顯著，隨著距離增大，振動速度降低幅度逐漸減小。

（2）根據(jù)爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過回歸分析，分別得出不同延期方案下的爆破振動速度變化規(guī)律，進一步得出隨著微差時間的增大，振動速度整體表現(xiàn)為先減小—后增大—再減小的波浪形變化規(guī)律。

（3）根據(jù)薩道夫斯基回歸分析公式可知，距爆源40 m范圍內(nèi)，爆破振動速度最小的延期方案為24 ms，16 ms次之；距離爆源60 m范圍內(nèi)，爆破振動速度最小的延期方案為32 ms，72 ms次之；根據(jù)指數(shù)函數(shù)回歸分析公式可知，距爆源40 m范圍內(nèi)，爆破振動速度最小的延期方案為16 ms，32 ms次之；距離爆源60 m范圍內(nèi)，爆破振動速度最小的延期方案為32 ms，72 ms次之；2種回歸分析方案在與爆源不同距離范圍時，爆破振動速度最大的延期方案皆為48 ms。