基于爆破振動對孔間微差時間的確定

相志斌，楊仕教，蒲成志，朱忠華，鄭建禮

(1.南華大學資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001；2.廣東錫源爆破科技股份有限公司，廣東 惠州 516000)

隨著電子雷管技術不斷發(fā)展與完善，數(shù)碼電子雷管的推廣和普及成為必然趨勢。數(shù)碼電子雷管的優(yōu)點在于起爆網(wǎng)絡的安全控制和微差時間的精確控制。但工程上“微差時間”主要依據(jù)操作人員經(jīng)驗或經(jīng)驗公式確定，很難發(fā)揮數(shù)字式雷管的優(yōu)點來改善爆破效果，反而增加了起爆器材成本。數(shù)碼電子雷管的推廣使用首先需要在理論上提供精確的“微差時間”，探索爆破效果最優(yōu)化的“微差時間”確定方法是發(fā)揮數(shù)字式雷管優(yōu)點的基礎。鄭俊杰等[1]認為合理的微差時間能夠改善爆破效果，降低成本；李洪濤等[2]通過研究等效峰值能量對建筑物爆破振動影響，指出峰值速度可作為最佳延期時間判斷指標；段海峰等[3]根據(jù)平拋模型對微差時間的計算以最小補償空間為基本原則，認為巖石移動初速度的大小決定了微差時間的大小；鐘冬望等[4]認為合理微差延期時間往往不是某一具體值，而是一個或多個時間區(qū)間，不同爆芯距處合理微差延期時間值不同；LU等[5]通過研究爆破過程中振動波引起巖體質(zhì)點模型結(jié)構(gòu)響應規(guī)律，確定最佳延期時間;吳賢振等[6]得到了爆炸過程中采空區(qū)頂板觀測點的振動速度-時間曲線及振速峰值，認為微差間隔時間為28 ms，即7 ms/m時干涉減振效果最優(yōu)。

本文在確定一個微差時間范圍后，研究不同爆破方案微差時間在1 ms時間差范圍內(nèi)對爆破振動的影響，最后從微差時間段選出一個最優(yōu)微差時間作為小徑灣現(xiàn)場爆破試驗的微差時間。

1 孔間微差時間的確定

目前確定孔間微差時間主要有經(jīng)驗理論模型和半經(jīng)驗半理論模型。經(jīng)驗理論模型主要包括底盤抵抗線法、蘭格福斯法;半經(jīng)驗半理論模型包括根據(jù)自由面形成原理、哈努卡耶夫計算方法、應力波干涉假說、地震效應假說。

然而在大爆區(qū)中采用微差起爆技術時，如果能保證先爆孔為后爆孔創(chuàng)造良好的自由面條件，可大大改善爆破效果。先爆的炮孔形成爆破漏斗，與圍巖已明顯脫離的瞬間再起爆后組炮孔，后組藥包的爆炸是在前一組藥包所爆破的巖體已部分破壞，但在巖體中引起的應力還未消失的瞬間發(fā)生的。后組藥包是在巖體已松動的條件下起爆的，此時被爆巖體產(chǎn)生了新的自由面，利用前組爆破所產(chǎn)生的剩余應力進行補充破碎，以提高爆破效率。形成新自由面所需時間為開始移動時間，加上爆區(qū)巖石脫離巖體的時間，以此作為合理微差間隔時間。

根據(jù)自由面形成原理建立的延遲時間，計算方法見式(1)。

Δt=t1+t2+t3=

(1)

式中：t1為爆破后初始應力場從炮孔發(fā)展到自由面的時間，ms；t2為從開始產(chǎn)生裂縫到漏斗邊緣裂隙擴展至自由面的時間，ms；t3為從巖塊開始移動到形成一定寬度裂隙的時間，ms；w為抵抗線，m；db為炮孔直徑，m；u為漏斗角，(°)；ρ為巖石密度，kg/m3；Vp為巖石縱波波速，m/s；Zc為巖石裂隙系數(shù)，Zc<1.0；Vc為巖石中爆生裂隙的平均擴展速度，m/s；kt為試驗時間常數(shù)。

上述計算微差間隔時間的方法適用于完整巖體的參數(shù)，而且炸藥單耗通過爆破漏斗試驗確定，只有在相對完整的巖體內(nèi)，爆破漏斗與炸藥單耗才有一定的規(guī)律性，因此將其用于完整巖體中微差爆破時微差時間的計算。結(jié)合小徑灣現(xiàn)場實際，所得數(shù)據(jù)見表1。

應用理論公式推導，得到所需微差時間為9～15 ms。

表1 計算參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬實驗方案設計

由于本次模擬最終是服務于小徑灣現(xiàn)場爆破工程，所以數(shù)值模擬試驗方案也參照現(xiàn)場實際尺寸，本次模擬主要為了得到位于炮孔西北角12 m處的爆破振動速度變化表。本次模擬試驗方案共有7種，主要變量是孔間微差時間，其他的參數(shù)不變。按照孔間微差時間的不同，7種試驗方案按照微差時間為9 ms、10 ms、11 ms、12 ms、13 ms、14 ms、15 ms進行數(shù)值模擬。

2.2 材料參數(shù)

通過勘察報告得知，小徑灣巖石為花崗巖，花崗巖體為各向異性、非連續(xù)、非均質(zhì)的介質(zhì)，采用彈塑性材料模型[7-8]，建模中需要用到巖石力學參數(shù)來描述模型中材料的性質(zhì)，按照實際需要對花崗巖的物理力學參數(shù)進行試驗測定及計算。采用LS-DYNA中的爆轟模擬功能產(chǎn)生爆破地震波。爆炸對圍巖產(chǎn)生的壓力作用采用爆轟過程的JWL狀態(tài)方程來模擬，炸藥的主要材料參數(shù)見表2。巖石采用各向同性的隨動硬化塑性材料。這種材料非常有效，且適合實體單元。巖石材料參數(shù)見表3。空氣材料參數(shù)見表4。

炸藥與空氣采用ALE算法，巖石采用Lagranges算法，要進行流固耦合分析，需要把巖石與空氣和炸藥進行分離，再把空氣和炸藥共節(jié)點處理。

2.3 計算模型

模型尺寸為16.4 m×10.4 m×12 m，炮孔孔深12 m，裝藥7.5 m，填塞4.5 m，采用連續(xù)裝藥，起爆點設置在距離炮孔底部0.64 m處，排間為42 ms，孔距設置為2.6 m，排距2.2 m。為了節(jié)約計算時間，巖石網(wǎng)格劃分尺寸為0.16 m×0.16 m，炸藥網(wǎng)格尺寸為0.06 m×0.06 m，三維實體模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

表2 炸藥材料參數(shù)

表3 巖石材料參數(shù)

表4 空氣材料參數(shù)

圖1 三維實體網(wǎng)格Fig.1 3D solid grid

2.4 模擬分析

數(shù)值模擬區(qū)域距離爆破區(qū)域西北方向12 m處的振動速度，孔間微差時間模擬9 ms的振動速度見圖2，孔間微差時間模擬15 ms的振動速度見圖3，其余各個微差時間的最大振動速度見表5。

圖2 9 ms振動速度表Fig.2 9 ms vibration speed meter

圖3 15 ms振動速度表Fig.3 15 ms vibration speed meter

表5 各個孔間微差時間的最大振動速度表

Table 5 Table of the maximum vibration speed for the millisecond time between each hole

孔間微差時間/ms91011121314151617最大振動速度/(m/s)5.35.25.05.135.14.74.54.85.0

對比7個不同孔間微差時間的最大振動速度，應用Origin軟件做出各微差時間的最大速度與微差時間關系圖(圖4)。如圖4所示,可以得出1 ms的時間差帶來的振動速度變化在0.9%～8.1%之間，2 ms的時間差帶來的振動速度變化在2%～13%之間，可得出1 ms的時間差對爆破振動速度的影響還是很大的。數(shù)值模擬得到當孔間微差時間為15 ms時爆破振動速度最小，15 ms時的最大速度為4.5 m/s，根據(jù)爆破振動安全允許標準，該點最大速度滿足現(xiàn)場爆破試驗要求，所以選用15 ms作為孔間起爆時間進行現(xiàn)場試驗。

3 現(xiàn)場試驗

爆破現(xiàn)場位于華潤小徑灣，爆破現(xiàn)場周邊環(huán)境復雜。此次爆破共分為兩個爆破區(qū)。第一爆破區(qū)炮孔西北方向55 m有變壓器，高差15 m。炮孔正北方向50 m有在建華潤檔案館，炮孔東北方向及南邊有工棚和民工宿舍，距離大約有30 m，炮孔西南方向50 m處有2棟投入使用的大樓，炮孔東邊50 m有一個正在施工的基坑。第二爆破區(qū)位于第一爆破區(qū)的北方向，兩爆破區(qū)域爆破間隔時間2 s，距離大約有40 m。炮孔西北方向12 m有在建華潤檔案館，正西10 m方向有變壓器，正東10 m方向有工棚。1號監(jiān)測點在炮孔西南偏方向25 m處，相對高差3 m。2號監(jiān)測點在炮孔西北方向12 m處，相對于高差0 m。3號監(jiān)測點在炮孔西南方向42 m處，相對于炮孔高差1 m。爆破現(xiàn)場平面圖見圖5。

圖4 1 ms級最大振動速度與孔間微差時間折線圖Fig.4 1 ms level maximum vibration speed and millisecond time between holes

圖5 爆破區(qū)域平面圖Fig.5 Blasting area plan

爆破區(qū)域孔距2.6 m，排距2.2 m，炮孔直徑76 mm，炮孔孔深11.1～12.8 m，炮孔堵塞長度4.5～5 m，炸藥單耗0.41，孔間微差時間15 ms。均采用2號巖石乳化炸藥，數(shù)碼電子雷管起爆，采用連續(xù)裝藥，本次爆破受場地周邊環(huán)境條件影響，以減震、控制飛石、控制塊度為主要目的，采用松動爆破。爆破區(qū)域炮孔布置圖見圖6。

圖6 炮孔布置圖Fig.6 Hole arrangement

綜合現(xiàn)場3個監(jiān)測點的最大振動速度見表6。本文主要分析2號監(jiān)測點對第二爆破區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因為數(shù)值模擬也是模擬第二爆破區(qū)2號監(jiān)測點的振動速度，數(shù)值模擬與2號監(jiān)測點都是距離爆破區(qū)西北方向12 m處，2號監(jiān)測點振動數(shù)據(jù)見圖7。

圖7 2號點監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.7 No.2 monitoring data

表6 3個監(jiān)測點的最大振動速度表

由圖7可以得出，實測最大速度為5.32 m/s，之前圖3數(shù)值模擬15 ms最大振動速度為4.5 m/s，實測最大速度與數(shù)值模擬最大速度誤差在20%以內(nèi)?，F(xiàn)場起爆方式采用松動爆破，電子雷管起爆，對微差起爆時間的優(yōu)化計算選擇，使得爆破振動速度滿足安全允許標準，對今后類似的爆破工程具有重要的參考價值。

4 結(jié) 論

通過對微差時間在1 ms精度范圍內(nèi)爆破振動的計算，得出在高精度的爆破工程中1 ms和2 ms的時間差對于爆破振動的影響也是很大的，振動速度變化分別為0.9%～8.1%和2%～13%?？组g微差時間9 ms、10 ms、11 ms、12 ms、13 ms、14 ms,數(shù)值模擬振動速度對比發(fā)現(xiàn)，15 ms的爆破振動速度最小。且孔間微差時間為15 ms時現(xiàn)場爆破試驗實測最大速度與數(shù)值模擬最大速度符合爆破振動安全允許標準，滿足爆破安全需要。

通過對微差時間1 ms精度范圍爆破振動的研究，對實現(xiàn)電子雷管高精度的起爆尤其是控制爆破振動具有重要意義，也對電子雷管的推廣有很大的現(xiàn)實意義。