數(shù)碼電子雷管在某露天礦爆破中的應(yīng)用

劉 慶，張程嬌，郝亞飛，田水龍

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司，重慶 401121)

數(shù)碼電子雷管是一種采用電子控制模塊取代傳統(tǒng)延期藥實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)延時(shí)的新型起爆器材。上世紀(jì)80年代初，南非AEL和瑞典Dynamit Nobel公司分別發(fā)布了各自的第一代電子延時(shí)起爆系統(tǒng)Dynatronie和ExExl000。1999年德國(guó)Dynamit Nobel公司和澳大利亞Orica研制開發(fā)出I-Kon電子起爆系統(tǒng)(即EBS)，陸續(xù)出現(xiàn)了其他種類的數(shù)碼電子雷管系統(tǒng)，如EDD、Smartdet、E1ectrodet數(shù)碼電子雷管系統(tǒng)。我國(guó)數(shù)碼電子雷管的研究工作于上個(gè)世紀(jì)90年代末期開始。2006年6月6日，葛洲壩易普力公司成功將數(shù)碼電子雷管應(yīng)用于三峽工程三期RCC圍堰拆除爆破[1]，開啟了國(guó)內(nèi)數(shù)碼電子雷管技術(shù)蓬勃發(fā)展的序幕。目前，我國(guó)對(duì)民爆物品使用的安全管控需求日益迫切，數(shù)碼電子雷管的出現(xiàn)，很好的滿足了國(guó)家精準(zhǔn)管控要求，在爆破工程中應(yīng)用將越來越多[2-4]。但目前，數(shù)碼電子雷管在爆破工程中的高精度延時(shí)優(yōu)勢(shì)尚未充分發(fā)揮[5-6]。為此，本文闡述了基于數(shù)碼電子雷管采用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)值仿真、大數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，希冀為推動(dòng)民爆器材的迭代更新提供一種探討。

1 數(shù)碼電子雷管優(yōu)勢(shì)

數(shù)碼電子雷管屬于民用爆破器材的高尖端產(chǎn)品，與普通延時(shí)雷管相比，具有安全性好、性能優(yōu)良、操作便捷、應(yīng)用效益明顯、延時(shí)精度高等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。從市場(chǎng)反饋和技術(shù)發(fā)展方向來看，數(shù)碼電子雷管取代普通雷管將會(huì)是必然趨勢(shì)。

1)安全監(jiān)管可控。數(shù)碼電子雷管產(chǎn)品采用多重加密控制指令和抗干擾保護(hù)設(shè)計(jì)，內(nèi)置唯一身份編碼，實(shí)現(xiàn)“雷管ID碼、起爆密碼、雷管殼體碼”三碼綁定；通過將全國(guó)電子雷管密碼中心、數(shù)碼電子雷管現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)身份識(shí)別系統(tǒng)、爆破設(shè)計(jì)施工信息化服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行功能對(duì)接，有利于安全監(jiān)管向縱深推進(jìn)，提高安全監(jiān)管的及時(shí)性、完整性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)管控。

2)產(chǎn)品性能優(yōu)良。數(shù)碼電子雷管內(nèi)置高品質(zhì)智能芯片，具有低功耗、高精度、時(shí)鐘溫度補(bǔ)償、器件功率優(yōu)化、起爆能量控制、自適應(yīng)能力強(qiáng)、抗干擾等特性，可在線檢測(cè)每發(fā)數(shù)碼電子雷管通訊狀態(tài)，延時(shí)精度可精確到1 ms或1%以內(nèi)；經(jīng)過發(fā)火可靠性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了芯片和點(diǎn)火元件的可靠匹配，準(zhǔn)爆率達(dá)99.99%。

3)現(xiàn)場(chǎng)操作便捷。數(shù)碼電子雷管注冊(cè)機(jī)與專用起爆器采用分離式設(shè)計(jì)，爆破設(shè)計(jì)方案可導(dǎo)入注冊(cè)機(jī)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)炮孔與雷管的身份進(jìn)行快速精確匹配，實(shí)現(xiàn)了雷管延時(shí)時(shí)間的批量自動(dòng)設(shè)定，消除了延時(shí)時(shí)間設(shè)定的誤操作可能，極大縮短了聯(lián)網(wǎng)時(shí)間。

4)應(yīng)用效益明顯?；诟鹬迚我灼樟颈圃O(shè)計(jì)施工信息化服務(wù)平臺(tái)的數(shù)碼電子雷管起爆系統(tǒng)(見圖1)，將數(shù)碼電子雷管與爆破智能設(shè)計(jì)、專家支持系統(tǒng)深度融合，充分發(fā)揮數(shù)碼電子雷管延時(shí)精度高等性能優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用爆破數(shù)值仿真、爆破施工大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，提高爆破能量利用率，降低爆破成本，控制爆破振動(dòng)，改善爆破效果，提高鏟裝效率，降低破碎能耗，推進(jìn)施工過程管理一體化。

圖1 數(shù)碼電子雷管起爆系統(tǒng)Fig.1 Digital electronic detonator detonating system

2 工程概況

該露天采場(chǎng)礦石主要以石灰石為主。采用深孔臺(tái)階爆破作業(yè)，設(shè)計(jì)臺(tái)階高度為12 m，超深1 m，連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。通過對(duì)采場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)爆破調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

1)大塊率過高，不利于鏟裝作業(yè)和礦山后續(xù)作業(yè)；

2)附近村莊感受振動(dòng)明顯，對(duì)居民的生活造成影響；

3)炸藥單耗大，雷管使用量大，成本增加。

為了解決這些問題，擬在該礦使用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行爆破試驗(yàn)。

3 工程應(yīng)用試驗(yàn)

數(shù)碼電子雷管合理的延時(shí)時(shí)間設(shè)置既能得到良好的爆破效果，又能最大限度降低爆破振動(dòng)引起的爆破危害。由于孔間延時(shí)選取過小不易形成新的自由面，會(huì)影響爆破效果，因此最佳的延時(shí)時(shí)間是第1個(gè)炮孔起爆后，炮孔和自由面之間形成一定寬度的新自由面(裂縫)，此時(shí)巖石中尚有部分殘余應(yīng)力，與后1個(gè)炮孔起爆產(chǎn)生的應(yīng)力疊加，會(huì)呈現(xiàn)更好爆破效果。

3.1 大平臺(tái)分區(qū)爆破試驗(yàn)

第1個(gè)大平臺(tái)分區(qū)爆破試驗(yàn)，是在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)進(jìn)行的。爆區(qū)呈L形，平臺(tái)設(shè)計(jì)高度12 m，實(shí)際高度大約12.5～13 m，尖角向外凸出部分是上個(gè)施工循環(huán)未爆破的殘留巖體(見圖2)?，F(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)環(huán)境對(duì)檢驗(yàn)爆破網(wǎng)路延時(shí)設(shè)計(jì)、分采分爆方案可行性、完善現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)操作方法均非常有利。

注：Row1表示不規(guī)則炮孔，用虛線圈表示；Row2～Row10表示規(guī)則排布的炮孔，用實(shí)線圈表示；1～14表示具體炮孔編號(hào)。圖2 爆區(qū)平臺(tái)Fig.2 Platform of blasting area

現(xiàn)場(chǎng)采用基于數(shù)碼電子雷管的新型爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)方案，結(jié)合3D軟件制作了平臺(tái)示意模型，并按實(shí)際情況設(shè)置炮孔參數(shù)及起爆順序(見圖3～圖4)，從爆區(qū)彎折處將爆區(qū)分成2個(gè)部分(左、右)，起爆順序由外側(cè)向內(nèi)側(cè)，方案單孔、單響，無重段，相鄰延時(shí)時(shí)間4 ms。

圖3 3D模型及起爆次序Fig.3 3D model and detonating sequence

注：Row1表示不規(guī)則炮孔，用虛線圈；Row2～Row10表示規(guī)則排布的炮孔，用實(shí)線圈；1～14表示具體炮孔編號(hào)。圖4 起爆順序及相鄰起爆時(shí)間Fig.4 Detonating sequence and adjacent initiation time

3.2 平臺(tái)邊坎不規(guī)則部位試驗(yàn)

第2個(gè)平臺(tái)邊坎不規(guī)則部位試驗(yàn)。所在爆區(qū)屬于平臺(tái)的邊坎部位，爆區(qū)地表有1～2 m高差，且平面形狀不規(guī)則，爆破部位和孔位設(shè)計(jì)如圖5所示。如何處理形狀不規(guī)則部位的聯(lián)網(wǎng)方法是該部位延時(shí)時(shí)間設(shè)置的主要問題。因此，將該爆區(qū)分為7排炮孔，其中第1排最長(zhǎng)，從第2排往后逐次遞減。起爆順序采用前排(1～3排、7排)逐孔起爆，后排(4～6排)2孔同時(shí)起爆。后排相鄰2孔同時(shí)起爆可提高拋擲能力，具體起爆順序及相鄰起爆時(shí)間如圖6所示。

圖5 爆破部位及孔位Fig.5 Blasting area and hole position

注：Row1～Row6表示常規(guī)炮孔，Row7表示不規(guī)則和臨時(shí)補(bǔ)充的炮孔圖6 起爆順序及相鄰起爆時(shí)間Fig.6 Detonating sequence and adjacent initiation time

4 爆破效果及分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破效果和爆堆形態(tài)可觀測(cè)到(見圖7～圖8)，爆區(qū)前排逐孔起爆，爆堆隆起，后部形成明顯溝槽，爆堆表面塊度均勻。實(shí)際挖裝過程中未發(fā)現(xiàn)大塊，經(jīng)一段時(shí)間挖裝，爆堆局部有少量大塊(見圖9)，但不影響挖裝效率，說明爆破效果滿足要求，大塊率可以降低2%左右。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)Fig.7 Field application test

圖8 爆堆形態(tài)Fig.8 Blasting muckpile shape

圖9 塊度與挖裝Fig.9 Block size and dig loading

利用數(shù)碼電子雷管爆破過程中，距離爆區(qū)300 m遠(yuǎn)位置無明顯振感。現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)顯示比導(dǎo)爆管雷管振動(dòng)要小，減少幅度可達(dá)21%～29%，說明數(shù)碼雷管單孔、單響設(shè)計(jì)很好地控制了爆破振動(dòng)。

試驗(yàn)表明在保障爆破效果的同時(shí)，使用數(shù)碼電子雷管爆破單耗可以降低11%～13%，單位耗時(shí)可以降低22%～27%，降本增效。使用數(shù)碼電子雷管和導(dǎo)爆管雷管爆破效果對(duì)比如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)碼電子雷管和導(dǎo)爆管雷管爆破效果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

通過爆破試驗(yàn)，結(jié)合3D數(shù)值建模與仿真、新型爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)操作等新方法、新工藝，實(shí)現(xiàn)了快速組網(wǎng)、高效爆破。數(shù)碼電子雷管現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用嘗試成功，以期為后續(xù)數(shù)碼電子雷管的推廣、爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)和編制科學(xué)的施工方案提供借鑒。

1)爆破效果滿足要求，大塊率可以降低2%左右；距離爆區(qū)300 m遠(yuǎn)位置無明顯振感，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示與導(dǎo)爆管雷管爆破對(duì)比，振動(dòng)幅度降低可達(dá)到21%～29%，很好地控制了爆破振動(dòng)；同時(shí)單耗可以降低11%～13%，單位耗時(shí)可以降低22%～27%，節(jié)約了成本。

2)本次試驗(yàn)延時(shí)時(shí)間設(shè)置存在一些不合理之處，相鄰排間延時(shí)時(shí)間縮短，不利于爆破效果，另外也受到了巖石走向與用戶實(shí)際需求的制約，可在以后工程中根據(jù)需要改進(jìn)。