金堆城南露天數(shù)碼雷管減震爆破試驗(yàn)研究

葉海旺,王 亮,張迎吉,趙昌鑫,艾曉宗,王永康

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 華縣 714102)

金堆城礦山在發(fā)展的過(guò)程中，南露天邊幫不斷的向外延生，使得露天爆破生產(chǎn)區(qū)域與東川河隧洞的相對(duì)位置越來(lái)越近，最終將由現(xiàn)在的129m到達(dá)約36m。很多研究人員通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和小波分析等證明了微差爆破的減震效果，但是目前也并沒(méi)有能夠廣泛應(yīng)用的理論公式，因此確定合理的微差時(shí)間成為微差爆破的難點(diǎn)。葉海旺等[1]通過(guò)小波分析方法對(duì)不同微差時(shí)間爆破的頻帶能量分布規(guī)律進(jìn)行研究得出合理的孔間微差為42ms，排間微差100ms。史秀志、陳壽如[2]認(rèn)為當(dāng)微差時(shí)間較小時(shí)主頻率與單段情況比較變化不大，但持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)；微差時(shí)間過(guò)大，則類似于獨(dú)立的爆破振動(dòng)信號(hào)。段海峰、侯運(yùn)炳[3]提出推墻假說(shuō)與回彈假說(shuō)，認(rèn)為合理的微差時(shí)間應(yīng)該是一個(gè)時(shí)間段，而不是某一時(shí)刻。電雷管和導(dǎo)爆管雷管都有一定的精度誤差，高精度的澳瑞凱非電雷管低段位到高段位的誤差也有4～10ms[4]。數(shù)碼雷管的延期范圍可在1～15000ms范圍內(nèi)任意設(shè)定，最小延期設(shè)定間隔為1ms，使得微差爆破更加的精細(xì)化。在金堆城南露天結(jié)合生產(chǎn)爆破25ms/65ms的微差時(shí)間，依靠數(shù)碼雷管微差時(shí)間的可調(diào)性能，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)逼近趨優(yōu)的方法，以期確定適合南露天邊幫的最佳微差時(shí)間。

1 微差爆破減震作用機(jī)理

微差爆破干擾減震[5]是利用微差爆破技術(shù)將藥包以毫秒級(jí)的時(shí)間間隔嚴(yán)格按一定順序先后進(jìn)行起爆。它將齊發(fā)爆破產(chǎn)生的爆破震動(dòng)波分解為多個(gè)強(qiáng)度相對(duì)減弱了的分段爆破震動(dòng)波。爆破波的主震在傳播過(guò)程中，由于微差時(shí)間的存在，使得各震動(dòng)波存在相位差，這些減弱了的分段震動(dòng)波在合適的時(shí)間差時(shí)可以實(shí)現(xiàn)震動(dòng)波的干擾和疊加，使干擾后的震波震動(dòng)幅值減小，震動(dòng)效應(yīng)減弱，從而達(dá)到干擾降震的目的。Langforse等研究[6]表明通過(guò)確定合理的微差時(shí)間，使得不同爆破震動(dòng)波相干衰減。通過(guò)對(duì)于不同延遲時(shí)間的震波進(jìn)行疊加模擬得到，當(dāng)延遲時(shí)間△t=nT(n為整數(shù),T為震波的周期),此時(shí)各部分藥包爆炸的震動(dòng)波會(huì)疊加，震動(dòng)效應(yīng)增大，對(duì)爆破安全不利；若n為1/2、3/2、5/2、…中的某個(gè)值,則各部分藥包爆炸的震動(dòng)波會(huì)相互干擾，使得震動(dòng)效應(yīng)降低；若n>3,各次爆炸的震波是分開(kāi)的,互不干擾。震波相干相減如圖1所示。

圖1 震波相干相減示意圖

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)條件

南露天礦區(qū)以石英巖及板巖層為主，深部以安山玢巖為主，且節(jié)理裂隙較為發(fā)育?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要在南露天1224平盤、1236平盤進(jìn)行。金堆城露天礦的臺(tái)階高度為12m，炮孔超深1.5m，孔距9m，排距7m，堵塞長(zhǎng)度為6m，每孔裝藥量為430kg。爆破生產(chǎn)采用奧瑞卡導(dǎo)爆管起爆，連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)?？组g微差25ms，排間微差時(shí)間為65/100ms。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用陜西慶華民爆的數(shù)碼雷管，延期時(shí)間為1～1000ms，延期精度為1ms。試驗(yàn)采用中科測(cè)控TC-4850爆破測(cè)震儀對(duì)爆破震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置在爆破臺(tái)階同一水平，并延直線布置，保證各測(cè)點(diǎn)地質(zhì)條件相同。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要分為2個(gè)部分：①在微差時(shí)間和孔網(wǎng)參數(shù)相同的條件下，將數(shù)碼雷管起爆與生產(chǎn)爆破中的導(dǎo)爆管起爆對(duì)比，研究數(shù)碼雷管的減震效果；②調(diào)整孔間微差和排間微差時(shí)間來(lái)探索在金堆城礦山地質(zhì)條件下最優(yōu)的微差時(shí)間。

保持孔網(wǎng)參數(shù)不變的條件，試驗(yàn)分為3步進(jìn)行：①不改變排間微差的條件下，增大和減小孔間微差時(shí)間，通過(guò)減震效果確定最優(yōu)的孔間微差時(shí)間；②采用上一步試驗(yàn)的最優(yōu)的孔間微差時(shí)間，增大和減小排間微差時(shí)間，通過(guò)減震效果確定最優(yōu)的排間微差時(shí)間；③采用最優(yōu)的微差時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，與常規(guī)生產(chǎn)爆破比較巖石破碎效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 常規(guī)爆破試驗(yàn)

在南露天進(jìn)行了大量的常規(guī)試驗(yàn)，孔深為13.5m，孔距9m，排距7m，堵塞長(zhǎng)度為6m，每孔裝藥量為430kg。部分震動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 常規(guī)爆破震動(dòng)數(shù)據(jù)表

從表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出，現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)符合爆破震動(dòng)的傳播衰減規(guī)律，有部分點(diǎn)位由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)區(qū)域點(diǎn)的變化引起震動(dòng)幅值的波動(dòng)。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)中對(duì)水工隧洞允許的爆破震動(dòng)的規(guī)定，爆破振動(dòng)頻率f≤10Hz時(shí)，允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為7～8cm/s；頻率為10Hz≤f≤50Hz時(shí)，允許振速為8～10cm/s；當(dāng)f>50 Hz時(shí)，允許振速為10～15cm/s。以水工隧道的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，震速為7cm/s、8cm/s、10cm/s、15cm/s所對(duì)應(yīng)的爆破安全臨界距離分別為108m、93m、70m、65m。

3.2 數(shù)碼雷管孔間微差試驗(yàn)

數(shù)碼雷管試驗(yàn)在生產(chǎn)爆破微差時(shí)間25ms/65ms的基礎(chǔ)上，先保持排間微差65ms不變，進(jìn)行孔間微差時(shí)間調(diào)整。分別進(jìn)行孔間微差為10ms、25ms、30ms、42ms的四次試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)爆心距-震動(dòng)速度曲線如圖2所示。

圖2 改變孔間微差時(shí)間減震效果圖

由圖2可知，以7cm/s的震動(dòng)速度為基準(zhǔn)時(shí)，當(dāng)增大孔間微差為42ms時(shí)，其爆破安全臨界距離為88m，減小孔間微差時(shí)間到10ms時(shí)，其爆破安全臨界距離為85m?？组g微差25ms時(shí)，相應(yīng)距離為80m，而孔間微差30ms時(shí)，對(duì)應(yīng)的臨界距離小于62m。由此可以得出：孔間微差取30ms時(shí)，爆破的減震效果最優(yōu)。

3.3 數(shù)碼雷管排間微差實(shí)驗(yàn)

通過(guò)孔間微差實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)孔間微差時(shí)間為30ms。在此基礎(chǔ)上，分別調(diào)整排間微差時(shí)間為60ms、65ms、75ms、80ms進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)爆心距-震動(dòng)速度曲線圖如圖3所示。

將以上實(shí)驗(yàn)得震動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中的規(guī)定，確定不同排間微差的震動(dòng)安全臨界距離如表2所示。

表2 排間微差調(diào)整震動(dòng)安全臨界距離

通過(guò)以上試驗(yàn)可以得出，當(dāng)在65ms基礎(chǔ)上減少排間微差時(shí)，震動(dòng)速度明顯增大，疊加現(xiàn)象明顯。當(dāng)增大微差時(shí)間到75ms時(shí)，對(duì)比65ms震動(dòng)速度有明顯降低，當(dāng)再增大到80ms時(shí)，增幅再次增大。此時(shí)的安全距離最小，為38～47m。

為了比較不同的微差時(shí)間對(duì)爆破地震波的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度的影響，可以用不同微差時(shí)間的降震率δ來(lái)表征。以爆心距離60m時(shí)來(lái)考察，高精度導(dǎo)爆管與數(shù)碼雷管均為25ms/65ms時(shí)，得數(shù)碼雷管減震率15.8%。當(dāng)調(diào)整微差時(shí)間為30ms/75ms時(shí)，數(shù)碼雷管爆破減震率為38.4%。30ms/75ms微差時(shí)間與25ms/65ms微差時(shí)間對(duì)比，30ms/75ms微差爆破減震率為26.8%。因此在孔間微差為30ms、排間微差為75ms時(shí)具有明顯的減震優(yōu)勢(shì)。

4 不同微差時(shí)間數(shù)值模擬分析

4.1 模型的建立

依據(jù)金堆城南露天邊坡的工況條件，用ANSYS[7]建立臺(tái)階爆破的有限元模型。數(shù)值模擬工況也現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件一致。運(yùn)用顯式動(dòng)力分析程序LS-DYNA進(jìn)行模擬計(jì)算，其中巖體采用RHT模型，堵塞段用mat_soil_concrete材料模型進(jìn)行模擬。模型及測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。

4.2 模擬數(shù)據(jù)與分析

模型通過(guò)LS-DYNA運(yùn)算后，節(jié)點(diǎn)震動(dòng)速度如表3所示。將模擬數(shù)據(jù)繪制成震動(dòng)速度-爆心距曲線，如圖5所示。

通過(guò)模擬以上四種工況，當(dāng)孔間和排間微差為10ms/60ms時(shí)，爆破震動(dòng)速度最大。在增大孔間和排間微差的過(guò)程中，爆破震動(dòng)有下降的趨勢(shì)。比較25ms/65ms和35ms/75ms兩種微差時(shí)間時(shí)，從圖6中可以看出，在50m的范圍內(nèi)25ms/65ms的震速稍大，在50m以外，震動(dòng)速度基本相同?？梢缘贸龊侠淼目组g微差時(shí)間應(yīng)該在25～35ms之間，排間微差在65～75ms之間，這與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相符。

圖3 改變排間微差時(shí)間減震效果圖

圖4 測(cè)點(diǎn)位置圖

圖5 模擬震動(dòng)速度-爆心距曲線圖

5 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論。

1)在金堆城南露天在孔間和排間微差時(shí)間相同的條件下，電子雷管與導(dǎo)爆管雷管相比，具有減震的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中電子雷管的減震率為15.8%。

表3 不同微差時(shí)間模擬震動(dòng)速度表

2)運(yùn)用電子雷管調(diào)節(jié)微差時(shí)間(孔間微差10～42ms；排間微差60～80ms)，發(fā)現(xiàn)爆破震動(dòng)與微差時(shí)間呈現(xiàn)倒拋物線趨勢(shì)。當(dāng)在最優(yōu)的微差時(shí)間時(shí)，減震效果最好，增大和減小微差時(shí)間都對(duì)使得震動(dòng)速度的增大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和模擬研究發(fā)現(xiàn)，爆破合理的微差時(shí)間應(yīng)該是一個(gè)小于5ms的微差范圍。考慮減震效果時(shí)，最優(yōu)的微差時(shí)間為30ms/75ms。

3)通過(guò)塊度分析，10ms/60ms的微差爆破條件下的平均塊度和最大塊度均最下，破碎效果最好。30ms/75ms的微差條件與之相比，平均塊度接近，最大塊度僅大11cm，破碎效果次優(yōu)。

綜合以上試驗(yàn)分析，適合于金堆城南露天的最優(yōu)的微差時(shí)間為孔間30ms，排間75ms。其相對(duì)于高精度導(dǎo)爆管微差爆破的減震率為38.4%。

[1] 葉海旺,石文杰,王二猛，等.金堆城露天礦生產(chǎn)爆破合理微差時(shí)間的探討[J].爆破,2010(1):96-98.

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