工業(yè)電子雷管在小斷面隧道中的應(yīng)用效果分析

金小淳，馬志剛，楊 波，張勤彬

(1.四川省公安廳治安管理總隊，成都 610000； 2.雅化集團(tuán)綿陽實業(yè)有限公司， 四川 綿陽 621000；3. 中國中鐵爆破安全技術(shù)研發(fā)中心，成都 610031)

電子雷管是一種安全性高、精度準(zhǔn)、可靠性好的起爆器材，在規(guī)定時間范圍內(nèi)可以任意設(shè)置時間間隔并實現(xiàn)精準(zhǔn)起爆和數(shù)據(jù)回傳，其本質(zhì)是采用微電子芯片替代化學(xué)延時元件，能夠抵抗靜電、射頻、雜散電流以及控制振動、撞擊等外部因素的影響[1]，可實現(xiàn)信息化管控的一種智能型起爆器材，對社會公共安全管控具有重要意義。

隨著工業(yè)信息化部、公安部對電子雷管的推廣力度的不斷增大，近幾年來，電子雷管已在露天爆破工程中取得了成熟的經(jīng)驗和技術(shù)成果，并且已在公路、鐵路、水利水電工程及礦山等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但在地下爆破工程諸如小斷面隧道、樁井(工作面面積≤10 m2)等地質(zhì)條件惡劣、作業(yè)面狹小的工程應(yīng)用中，因人的操作不規(guī)范、雷管特點不同、地質(zhì)條件不良及孔網(wǎng)參數(shù)不合理等原因出現(xiàn)電子雷管拒爆、盲炮以及爆破效果不理想等問題，工程技術(shù)人員常報怨并拒絕使用電子雷管，認(rèn)為電子雷管可靠性不高，不適合在小斷面隧道等地下工程中進(jìn)行應(yīng)用及推廣，給電子雷管在地下工程中的推廣應(yīng)用帶來了較大困擾及不便。因此，探索電子雷管在小斷面隧道中出現(xiàn)相應(yīng)問題的具體原因及改進(jìn)措施尤為必要。

1 工程概況

四川省康定縣竹林金礦位于川西高原與四川盆地相接連地段，礦區(qū)地形地貌變化較大，平均坡度達(dá)35°，屬于高山切割地貌，爆破施工環(huán)境較差。該礦山的采掘工作面形狀為上拱直墻式，斷面尺寸2.5 m×3.0 m，片麻花崗巖，設(shè)計炮孔深度為2.5 m，前期采用導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路時循環(huán)進(jìn)尺僅達(dá)到80%左右，一般單循環(huán)可掘進(jìn)2 m左右，采用電子雷管起爆網(wǎng)路后，循環(huán)進(jìn)尺低于70%，單循環(huán)進(jìn)尺不足1.8 m，且盲炮多、爆破振動大，不利于現(xiàn)場安全管控。

2 盲炮及爆破效果原因分析

2.1 現(xiàn)場盲炮情況

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果顯示，該金礦巷道掘進(jìn)爆破盲炮率一般都在5.5%左右，個別情況下達(dá)12.5%～16.6%。根據(jù)現(xiàn)場踏勘及理論分析，現(xiàn)場出現(xiàn)拒爆及盲炮的原因主要如下：

1)起爆信號發(fā)出后，孔內(nèi)雷管未被起爆，炸藥未起爆，但雷管取出孔外后可在安全地帶進(jìn)行正常的銷毀作業(yè)，如圖1a所示；

2)起爆信號發(fā)出后，孔內(nèi)雷管已被起爆，但炸藥未完全爆轟，炮孔內(nèi)殘留部分未爆炸藥，如圖1b所示；

3)起爆信號發(fā)出后，孔內(nèi)雷管未被起爆，炸藥未起爆，雷管取出孔外后網(wǎng)路檢測不正常，芯片損壞，如圖1c所示；

4)起爆信號發(fā)出后，雷管正常起爆，孔內(nèi)未見起爆后的雷管殘片，但炸藥未被起爆[2]，如圖1d所示。

圖1 常見的盲炮現(xiàn)象

2.2 盲炮原因分析

在實際使用過程管控中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生盲炮的原因主要有現(xiàn)場人員操作不當(dāng)、雷管特點不同、隧道地質(zhì)條件差、孔網(wǎng)參數(shù)不合理。

2.2.1 人的因素

1)部分爆破作業(yè)人員對電子雷管的特性及使用方法認(rèn)識不足，將電子雷管作為普通雷管使用，網(wǎng)路中使用鐵芯線作為連接母線，線路電阻大，同時由于隧道地下工程作業(yè)環(huán)境相對潮濕，操作人員手掌粘有泥土及水，進(jìn)行網(wǎng)路連接時常常造成網(wǎng)路虛接，在組網(wǎng)檢測時電流正常、信號正常，但起爆時由于虛接或受潮等因素導(dǎo)致局部電阻增大，充電電流不足，進(jìn)而造成雷管未被正常起爆，但雷管芯片未被破壞，可重新起爆。

2)網(wǎng)路聯(lián)接不可靠也會產(chǎn)生盲炮、拒爆現(xiàn)象，即使起爆器檢測結(jié)果正常，但也會因母線電阻過大(未使用銅線)、線卡與網(wǎng)路線聯(lián)接不匹配等現(xiàn)象導(dǎo)致盲炮發(fā)生。

2.2.2 雷管特點

1)國內(nèi)電子雷管所采用的電子模塊(芯片)大體分為鉭電容型和電解電容型，相對而言，鉭電容產(chǎn)品質(zhì)量更為穩(wěn)定，抗振性能優(yōu)越，但成本較電解電容產(chǎn)品高，電解電容產(chǎn)品在惡劣條件下發(fā)生盲炮及拒爆的幾率大于鉭電容產(chǎn)品。

2)雖然電子雷管的直徑及殼體材料大致與普通導(dǎo)爆管雷管相同，但由于電子雷管內(nèi)含電子控制模塊，電子雷管總長度為90 mm左右，導(dǎo)爆管雷管長60～70 mm，電子雷管比普通導(dǎo)爆管雷管長，現(xiàn)場爆破作業(yè)人員按照傳統(tǒng)雷管的裝藥習(xí)慣，將電子雷管從炸藥側(cè)面插入藥卷內(nèi)部時(見圖2)，電子雷管的聚能穴大概率偏離藥卷的軸線位置，這使得起爆后藥卷被激發(fā)產(chǎn)生完全爆轟的可能性降低，導(dǎo)致雷管正常起爆而藥卷未充分爆轟，進(jìn)而產(chǎn)生盲炮。

圖2 不同雷管長度及裝藥對比

3)電子雷管腳線一般采用雙芯絕緣護(hù)套腳線，延米質(zhì)量為15～18 g，普通導(dǎo)爆管雷管導(dǎo)爆管延米質(zhì)量僅為5～8 g，進(jìn)行組網(wǎng)并線時，腳線、線卡加上母線質(zhì)量將增加，加上隧道爆破炮孔填塞質(zhì)量不佳，腳線未與藥卷捆扎牢固，雷管腳線拉力集中的炮孔極其容易將其從藥卷中拉出，導(dǎo)致藥卷爆轟不充分，產(chǎn)生相應(yīng)盲炮[3]。

2.2.3 地質(zhì)條件

在小斷面隧道爆破工程中，由于施工環(huán)境較差，常常存在掌子面滲水、炮孔內(nèi)積水的現(xiàn)象，在裝藥過程中炮桿一旦搗壞電子雷管的端頭卡口塞后產(chǎn)生裂縫，將容易滲水進(jìn)入雷管內(nèi)部導(dǎo)致電容、控制模塊及主裝藥受潮損壞，常常導(dǎo)致拒爆及盲炮的發(fā)生。此外，部分區(qū)域存在裂隙、空洞位置，裝藥時常常導(dǎo)致主裝藥起爆藥卷與起爆雷管脫離，造成拒爆及盲炮。

2.2.4 孔網(wǎng)參數(shù)

在小斷面隧道爆破作業(yè)中，由于工作面狹小且為單自由面，巖石夾制作用很大，而電子雷管控制芯片的抗沖擊性及抗振性能較差，由于炮孔間的孔間距及排間距較小，當(dāng)孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)置不合理時，先爆炮孔產(chǎn)生的巨大沖擊力及質(zhì)點峰值振動速度較大，造成電子雷管內(nèi)外部結(jié)構(gòu)被破壞，也可致使未爆炮孔內(nèi)的藥卷與藥卷、藥卷與雷管、起爆藥包與藥卷發(fā)生分離，進(jìn)而產(chǎn)生盲炮。

另外，由于孔間間隔時間設(shè)置過長，延時時間設(shè)置不當(dāng)，炮孔填塞不嚴(yán)，加之電子雷管采用并聯(lián)組網(wǎng)的方式，雷管腳線與母線聯(lián)結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，先爆炮孔直接將延時時間較長而未起爆的雷管拉出起爆藥包甚至拉出炮孔外，進(jìn)而導(dǎo)致孔內(nèi)殘留部分未爆炸藥。

2.3 爆破效果分析

未進(jìn)行孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化前，該金礦隧道掘進(jìn)爆破實施方案如圖3所示，本實施方案中，包含不裝藥空孔6個，第1層掏槽孔1個，孔深2.8 m，第2層掏槽孔2.6 m，掏槽孔線裝藥密度取0.7 kg/m，起爆時間為0 ms；輔助孔為5個，孔深2.5 m，裝藥系數(shù)為0.5 kg/m；周邊孔5個，孔深2.5 m，裝藥系數(shù)為0.3 kg/m；底板孔3個，孔深2.5 m，裝藥系數(shù)為0.4 kg/m，詳細(xì)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖3 優(yōu)化參數(shù)前爆破實施方案

表1 優(yōu)化前孔網(wǎng)參數(shù)

爆破后塊度不均勻，炮孔掛口嚴(yán)重，隧道爆后輪廓面不平整，超欠挖嚴(yán)重，相鄰20 m的同樁號段的爆破振動峰值速度達(dá)到了5.60 cm/s，爆破振動主頻為49 Hz，振動監(jiān)測值偏大(見圖4)，不利于圍巖的穩(wěn)定，且常常存在盲炮現(xiàn)象，爆破效果較差。

圖4 優(yōu)化前相鄰20 m同樁號段巷道爆破振動波形

2.4 爆破效果差的原因分析

通過爆破振動監(jiān)測及現(xiàn)場試驗得出，爆破效果差的原因主要集中于孔網(wǎng)參數(shù)不合理，主要體現(xiàn)如下：

1)炮孔數(shù)量布置不合理，炮孔數(shù)量偏少，特別是周邊及底板孔數(shù)量偏小，導(dǎo)致爆破后壁面不平整，爆破后塊度不均勻；

2)采用電子雷管起爆網(wǎng)路時，現(xiàn)場爆破作業(yè)人員仍然按照傳統(tǒng)導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路的延時時間進(jìn)行段間延時，而未利用電子雷管精確延時的有利優(yōu)勢，造成先爆炮孔與后爆炮孔間隔時間設(shè)置過長，延時時間設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致破碎不均勻，爆破振動過大；

3)采用的段間延時網(wǎng)路不合理，各炮孔間產(chǎn)生的振動波疊加效應(yīng)明顯，先爆炮孔對后爆炮孔的沖擊破壞及振動效應(yīng)明顯，不利于后爆炮孔中的電子雷管正常工作，通過調(diào)整延時時間發(fā)現(xiàn)，盲炮率大大得到降低，上述幾項因素均非影響盲炮率的關(guān)鍵要素，而合理的孔網(wǎng)參數(shù)對降低盲炮率具有顯著效果，根據(jù)統(tǒng)計資料，采用10 ms孔間間隔對稱逐孔起爆技術(shù)盲炮率降低至1.04%。

因此，合理調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)是解決盲炮率高及爆破效果差的關(guān)鍵措施[4]。

3 對策措施

3.1 減小人為因素影響

加強(qiáng)對爆破作業(yè)人員的培訓(xùn)教育，規(guī)范進(jìn)行現(xiàn)場爆破作業(yè)的炮孔驗收、裝藥、填塞及連線工序；嚴(yán)格按照要求使用配套的銅芯線連接母線，嚴(yán)禁采用鐵芯線進(jìn)行代替，預(yù)防線卡與網(wǎng)路線聯(lián)接不匹配的現(xiàn)象發(fā)生；進(jìn)行網(wǎng)路連接時應(yīng)將手洗凈擦干，預(yù)防因手上的水、土等污染連接件，造成網(wǎng)路虛接。

3.2 正確掌握電子雷管特性

1)通過現(xiàn)場培訓(xùn)及實操考核，加深現(xiàn)場爆破作業(yè)人員對電子雷管特性的掌握程度，糾正其采用傳統(tǒng)的導(dǎo)爆管雷管裝藥時的雷管角度設(shè)置習(xí)慣，確保起爆藥包中的電子雷管的裝藥如圖2c所示，電子雷管須從藥卷的端面斜插入藥卷的中軸線位置，以使雷管聚能穴處于藥卷中心位置，確保正常起爆[5]。

2)應(yīng)正確分析處理先爆炮孔引起孔外腳線與連接母線對后爆炮孔拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)在裝藥過程中采用反向起爆的雷管安裝方式，保證各炮孔的填塞質(zhì)量，以預(yù)防后爆炮孔腳線拉應(yīng)力集中位置的雷管在起爆前被拉出起爆藥包甚至是炮孔外。

3.3 克服地質(zhì)條件影響

炮孔鉆鑿?fù)瓿珊?，及時對炮孔進(jìn)行驗收，對于存在裂隙、空洞位置的炮孔進(jìn)行補(bǔ)打，預(yù)防裝藥破乳、藥卷不連續(xù)、雷管脫落、起爆藥包滑入空洞的現(xiàn)象發(fā)生；同時，在爆破作業(yè)前對各炮孔采用高壓風(fēng)進(jìn)行清吹，預(yù)防孔內(nèi)積水對電子雷管的影響；此外，裝藥作業(yè)時應(yīng)對電子雷管進(jìn)行輕微搗固密實，嚴(yán)禁用力戳捅起爆藥包及其他藥卷，進(jìn)一步克服潮濕環(huán)境下爆破作業(yè)的負(fù)面影響。

3.4 優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)

通過上述分析可以得出，爆破作業(yè)時，盲炮產(chǎn)生的原因中，孔網(wǎng)參數(shù)不合理為主要影響因素，筆者通過理論分析結(jié)合爆破振動監(jiān)測波形后得出：優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)前，同段藥量過大，先爆孔產(chǎn)生的沖擊破壞及振動效應(yīng)對電子雷管內(nèi)部控制模塊具有較大的負(fù)面影響，進(jìn)而導(dǎo)致盲炮率較高，同時也影響了爆破后的效果。

根據(jù)爆破振動估算的相關(guān)理論，爆破振動波及沖擊波能量隨著最大同段藥量的減小呈指數(shù)形式下降。根據(jù)波動理論，爆破振動波可認(rèn)為是先爆炮孔與后爆炮孔矢量合成的結(jié)果，因此，存在波的干涉原理，但波峰與波谷相遇時，干涉相消，爆破振動波的能量被削弱，破壞效應(yīng)減弱，形成錯峰減振的效果。根據(jù)波的疊加理論，A1、A2兩波相遇時，合成波的振幅A可以用式(1)表示。

(1)

式中：A、A1、A2、φ分別為合成波振幅、波1振幅、波2振幅、兩波相位差。

當(dāng)Δφ=(2k+1)π，A=|A1-A2|，合成振幅最小，合成的爆破振動速度最小，兩波相遇點的爆破振動波的能量最小。因此，起爆網(wǎng)路設(shè)置時，只要2個爆破振動源相隔半個周期的整數(shù)倍進(jìn)行對稱起爆，即可獲得錯峰減振的相應(yīng)效果[6]。

根據(jù)前期現(xiàn)場爆破振動測試數(shù)據(jù)，爆破振動主頻為49 Hz，根據(jù)式(2)波的周期與頻率間的關(guān)系，得出t=0.02 s。

f=1/t

(2)

根據(jù)錯峰減振原理，為了保證爆破效果，采用半個周期(0.01 s)的孔間間隔時間進(jìn)行對稱設(shè)置起爆網(wǎng)路，相應(yīng)孔網(wǎng)參數(shù)調(diào)整如圖5及表2所示[7]。

圖5 優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)后爆破實施方案

表2 優(yōu)化后孔網(wǎng)參數(shù)

通過調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)，對起爆網(wǎng)路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，同樣在與爆破巷道相平行間隔20 m的巷道底板進(jìn)行爆破振動監(jiān)測，爆破振動峰值速度為2.97 cm/s，爆破振動波形如圖6所示，爆破后塊度較為均勻，巷道壁面光整，半孔率達(dá)到68%。采用改進(jìn)后的10 ms孔間間隔對稱逐孔起爆技術(shù)，爆破振動減小46%，近15次爆破日志數(shù)據(jù)顯示使用電子雷管960發(fā)，產(chǎn)生盲炮10發(fā)，盲炮率下降至1.04%，該技術(shù)的成功應(yīng)用可以有效地提高小斷面隧道中電子雷管的準(zhǔn)爆率，也可以大大改善爆破效果，炮孔利用率達(dá)92%，循環(huán)進(jìn)尺2.3 m，孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化前后爆破效果對比如圖7所示。

圖6 優(yōu)化后相鄰20 m同樁號段巷道爆破振動波形

圖7 孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化前后爆破效果對比

4 結(jié)語

1)電子雷管在小斷面隧道應(yīng)用中盲炮率較高的原因主要有人為因素、電子雷管特點、環(huán)境地質(zhì)條件及孔網(wǎng)參數(shù)的影響4大方面，其中孔網(wǎng)參數(shù)為核心影響因素。

2)孔間采用半個振動波的周期為孔間間隔時間，進(jìn)行對稱起爆，可以有效地削弱爆破振動波的能量，進(jìn)而減小先爆炮孔對后爆炮孔的沖擊及振動影響。

3)本工程中采用10 ms孔間間隔對稱逐孔起爆技術(shù)后，最大同段起爆藥量顯著降低，相鄰20 m同樁號段的巷道底板振動峰值速度從5.60 cm/s降低至2.97 cm/s，減振率達(dá)46%。

4)通過孔網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化，盲炮率從5.50%降低至1.04%，大大降低了小斷面隧道掘進(jìn)中的盲炮發(fā)生率，還進(jìn)一步改善了爆破效果，循環(huán)進(jìn)尺由1.8 m提升為2.3 m，炮孔利用率達(dá)到了92%。