數(shù)碼電子雷管不同延期時(shí)間爆破振動規(guī)律試驗(yàn)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(tuán)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(tuán)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(shí)現(xiàn)爆破振動波形的人為控制，使波峰及波谷疊加，達(dá)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(zhǔn)控制微差時(shí)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(shí)間精度可以達(dá)到1 ms左右，且延期時(shí)間可以任意調(diào)整，實(shí)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(shí)間條件下臺階爆破產(chǎn)生的振動進(jìn)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(shí)間為5 ms；在深孔臺階爆破中，爆破降振最佳的孔間延期時(shí)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(jì)起爆時(shí)差實(shí)現(xiàn)干擾降振，按單孔爆破振動波的半周期設(shè)計(jì)各藥包起爆時(shí)差，產(chǎn)生群孔爆破振動峰值小于單獨(dú)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(shí)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(dá)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(yàn)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(yàn)礦山開展電子雷管干擾降振試驗(yàn)，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(jìn)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(shí)間間隔從爆源處開始傳播，由于延期時(shí)間的存在，各振動波存在相位差，使不同段波形相互疊加，達(dá)到降低振動波幅值的目的，從而降低爆破振動強(qiáng)度。

理論上講，當(dāng)爆破延期時(shí)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(qiáng)；當(dāng)爆破的延期時(shí)間為非整數(shù)倍周期，即n等于1/2、1/3、…中的某個(gè)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(shí)間大于3倍的地震波周期，即n＞3時(shí)，其實(shí)可以認(rèn)為藥包為單個(gè)起爆，各個(gè)藥包爆炸引起的地震波是分開的，相互之間互不干擾，獨(dú)立作用。已有研究成果表明［8-12］，當(dāng)爆破的延遲時(shí)間為半周期，即Δt=T/2時(shí)，此時(shí)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(shí)間比單個(gè)藥包爆破振動時(shí)間要大；當(dāng)延遲時(shí)間為3.5個(gè)周期，即Δt=3.5T時(shí)，各個(gè)爆破振動波的振幅不發(fā)生疊加，但振動時(shí)間會增大；而當(dāng)延遲時(shí)間為1個(gè)周期時(shí)，即Δt=T時(shí)，疊加后的振動效果最為不利，此時(shí)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(shí)間以干擾降低爆破振動強(qiáng)度。

2 礦山概況及試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)礦山概況

試驗(yàn)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(jī)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(fèi)站及高鐵線路。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)置

為分析炮孔間延期時(shí)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(shí)間下的爆破試驗(yàn)。試驗(yàn)炮孔沿臺階坡頂線布置，單孔裝藥量約240 kg?，F(xiàn)場作業(yè)流程見圖1。

共計(jì)開展4次單排孔現(xiàn)場試驗(yàn)，穿鑿鉆孔24個(gè)，消耗數(shù)碼電子雷管48個(gè)，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(yàn)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(yàn)炮孔位置特點(diǎn)，在距離試驗(yàn)炮孔200 m范圍內(nèi)由近至遠(yuǎn)依次布置爆破振動監(jiān)測點(diǎn)［13-17］，對不同炮孔延期方案監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

3 試驗(yàn)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(diǎn)的X、Y、Z方向的質(zhì)點(diǎn)振動速度以及合速度皆表現(xiàn)為整體衰減趨勢，且測點(diǎn)與爆區(qū)的距離越小，振動速度衰減越顯著。相較于爆源遠(yuǎn)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(jìn)一步探究不同延期時(shí)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(jì)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(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)，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(yàn)，結(jié)果表明，隨著與爆源距離逐漸加大，各測點(diǎn)的振動速度皆表現(xiàn)為整體衰減趨勢，且相較于爆源遠(yuǎn)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(jìn)一步得出隨著微差時(shí)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(shí)，爆破振動速度最大的延期方案皆為48 ms。