基于電子雷管精確時延的爆破減震試驗

徐志強(qiáng)，冷振東

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)科技發(fā)展有限公司，天津 300091；2.中國葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司，重慶 401121）

爆破作業(yè)危害效應(yīng)控制的研究一直是工程爆破領(lǐng)域研究的熱點問題[1-2]。國內(nèi)多家科研院所、高校、工程企業(yè)針對爆源、受控對象、爆破地震波的傳播過程開展了廣泛深入的研究，提出了很多控制措施和方法[3-4]。研究表明[5-6]：分段延時起爆可有效實現(xiàn)干擾降震，電子雷管由于其延時極其精確，段數(shù)可多設(shè)定等優(yōu)越性能，可應(yīng)用于爆破振動控制。

電子雷管采用電子控制模塊取代傳統(tǒng)雷管中的延期藥及點火裝置，提高了雷管延期精度與起爆網(wǎng)路微差設(shè)計的靈活性，為控制爆破振動與優(yōu)化爆破效果提供了基礎(chǔ)，也有利于行業(yè)安全與數(shù)字化監(jiān)管水平的提升[7]。2018 年，工信部和公安部提出力爭用3～5 年的時間全面推廣應(yīng)用數(shù)碼電子雷管，淘汰普通電雷管及導(dǎo)爆管雷管，到2022 年，基本實現(xiàn)電子雷管全面使用。由于當(dāng)前在電子雷管爆破減震方面的系統(tǒng)性研究不足，當(dāng)前很多工程項目在電子雷管的使用中直接照搬導(dǎo)爆管雷管延時設(shè)計方法，起爆延時設(shè)計不夠合理[8]。針對不同的爆破條件，包括不同的地質(zhì)條件、巖性參數(shù)、孔網(wǎng)參數(shù)、危害效應(yīng)控制標(biāo)準(zhǔn)等，國內(nèi)外尚未有統(tǒng)一的電子雷管延期時間計算公式，因此開展基于電子雷管精確時延的爆破減震試驗研究具有重要意義。在封開大旺塘石灰石礦山臺階深孔爆破中，由于爆破點距離居民區(qū)較近，當(dāng)?shù)鼐用褚髮⒈普駝涌刂圃?.15 cm/s 下，爆破振動控制要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)嚴(yán)格于國家標(biāo)準(zhǔn)[9]。雖然電子雷管在合理地控制延時時間條件下可有效降低爆破震動，但是電子雷管精確延時減震效果與作業(yè)場地地形和地質(zhì)條件、爆心距、爆孔數(shù)量、單孔裝藥量、孔間延時等多種因素密切相關(guān)[10-12]。為定量研究電子雷管的減震效果，選取電子雷管不同的精確時延時間，通過振動監(jiān)測試驗得出了最優(yōu)的時延時間，滿足了工程爆破施工所要求的爆破振動控制要求。

1 工程概況

大旺塘石灰石礦山主要采用深孔臺階爆破開采方式，臺階高度為15 m（大旺塘3#山、4#山距離雙枧村民房較近），礦山主要由大旺塘、千層峰、榃甘山3個部位組成。在靠近村莊一側(cè)的外圍爆破區(qū)域，由于大旺塘3#山、4#山距離雙枧村民房（混凝土結(jié)構(gòu)）較近，當(dāng)前爆破消耗混裝炸藥量為1 t，且山體構(gòu)造較復(fù)雜，爆破規(guī)模在控制的情況下，隨著開采平臺高程的降低，尤其在3#山外圍爆區(qū)的爆破振動較大。

爆破試驗區(qū)域為靠近村莊一側(cè)的外圍爆破，在3#山區(qū)域進(jìn)行爆破監(jiān)測。由于爆破后沖向的爆破振動大于爆破拋擲方向或側(cè)邊方向振動值，因此為控制爆破振動，應(yīng)避免爆破拋擲方向背向3#山山體，爆破設(shè)計拋擲方向宜為背向4#山，使得村莊位于爆破側(cè)向。為監(jiān)測爆破振動對周邊民房的影響，現(xiàn)場共布置6 個爆破振動監(jiān)測點，采用Blast-UM 型爆破測振儀監(jiān)測爆破振速及波形圖，為后續(xù)爆破減震提供實測數(shù)據(jù)。按照爆破作業(yè)區(qū)域和防護(hù)對象的相對位置，6 個爆破振動監(jiān)測點在3#山山體邊坡西、北2 個方向各設(shè)置3 個，各監(jiān)測點同時監(jiān)測垂直方向、水平方向和水平切向振動數(shù)據(jù)。

測點布置時，爆心距的測量采用激光測距儀。振動傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)爆破測振儀提取后，輸出給后臺計算機(jī)通過自主開發(fā)的爆破振動分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。

2 精確時延爆破震動監(jiān)測及波形分析

2.1 爆破參數(shù)

爆破試驗具體地點選擇在大旺塘3#山臨空面清晰、抵抗線均勻的部位，保證上部堵塞正常，作業(yè)面平整。導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計如圖1，臺階高度12 m，爆破總方量1 458 m3，孔深13.5 m，孔徑115 mm，傾角90°，超深1.5 m，共設(shè)爆破孔9 個，采用“V”形起爆，孔距4.5 m，排距3.0 m，前排抵抗線3.0 m，總裝藥量765 kg，設(shè)計單耗0.46～0.52 kg/m3，單段最大起爆藥量85 kg，設(shè)計堵塞長度3.5、4.0 m。

圖1 導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

按照上述減震試驗爆破設(shè)計參數(shù)，孔內(nèi)采用高精度非電雷管20 段（500 ms），地表面排間采用非電雷管（65 ms）接力，前排孔用非電雷管（25、17 ms）孔與孔之間接力。

2.2 電子雷管爆破振動監(jiān)測分析

為了和以前的導(dǎo)爆管網(wǎng)絡(luò)對比，第1 組試驗方案保持原有非電雷管爆破設(shè)計參數(shù)，僅僅調(diào)整延時參數(shù)設(shè)置，并對周圍的構(gòu)筑物進(jìn)行振動監(jiān)測，導(dǎo)爆管雷管250 m 處振動波形圖如圖2。電子起爆網(wǎng)絡(luò)中將起爆點調(diào)整至爆區(qū)一側(cè)，前期控制單炮的爆破規(guī)模，后期根據(jù)實際情況再逐步加大炮孔數(shù)量，同時逐漸擴(kuò)大孔間延時，分別為25、34、42、65 ms。電子雷管振動波形圖如圖3。

圖2 導(dǎo)爆管雷管250 m 處振動波形圖（V 形起爆，導(dǎo)爆管25/17 ms）

圖3 電子雷管振動波形圖（一端起爆，孔間25ms，排間65ms）

對比圖2 和圖3 可知，保持原有的爆破設(shè)計參數(shù)，僅僅調(diào)整延時參數(shù)設(shè)置時，250 m 處振動峰值由0.30 cm/s 降低到0.26 cm/s，說明電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)的誘發(fā)振動相對導(dǎo)爆管網(wǎng)絡(luò)有一定的降低，但降低幅度不大。因此需要近一步降低爆破振動，還需對延時網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

電子雷管不同延期方案（34、42、65 ms）下250 m 處的爆破振動曲線如圖4～圖6，不同延時起爆網(wǎng)絡(luò)下的民房處的爆破振動峰值對比如圖7。

圖4 孔間延期34 ms，9 個炮孔典型測點振動

試驗結(jié)果表明，采用孔間34 ms 延時的電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)比高精度導(dǎo)爆管雷管孔間25 ms 的延時設(shè)計條件下的爆破振動低72.5%，比25 ms 延時電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)降低44.2%，試驗進(jìn)一步說明電子雷管在爆破減震方面具有明顯優(yōu)勢。

圖5 孔間延期42 ms，9 個炮孔典型測點振動

圖6 孔間延期65 ms，9 個炮孔典型測點振動

圖7 不同延時網(wǎng)絡(luò)下的民房處的爆破振動峰值對比

圖7 中一端起爆的4 組試驗數(shù)據(jù)分析表明，電子雷管爆破減震效果與延期時間之間并不具有單調(diào)函數(shù)關(guān)系，在大旺塘石灰石礦山的試驗條件下，在相同的爆心距處監(jiān)測到的爆破振動峰值在延期時間34 ms 附近有1 個最小值，采用34 ms 延期時間設(shè)計方案可以避免不同炮孔誘發(fā)振動波形的過度疊加，有效地降低了爆破振動峰值，從而獲得最佳的爆破減震效果。

以第4 次試驗為例，該次試驗包含9 個炮孔，采用孔間延期42 ms、排間延期100 ms 的爆破設(shè)計。對3#測點的爆破振動信息采用頻譜分析程序進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)爆破振動信號呈現(xiàn)明顯的9 個相對獨(dú)立的波形，能譜曲線則更加明顯，測點典型波形頻譜分析圖略。

由波形頻譜分析可知：在孔間延時30～42 ms時，在30 m 處的3#測點的振動波形可以分開，避免相鄰爆破振動的疊加。但是第4、第5、第6、第7（第4、第6 是前排孔，第5、第7 是后排孔）炮孔波形有部分疊加，這是因為排間延時設(shè)計尚待改進(jìn)，尤其是第6、第7 號炮孔的起爆時間分別是第126 ms 和第142 ms 時刻起爆，這2 個炮孔延期間隔僅僅16 ms，后續(xù)爆破設(shè)計宜考慮避免前后排交錯炮孔之間的延期間隔過短?；诖?，將相鄰起爆炮孔的延期間隔時間設(shè)置為30～42 ms，該延期設(shè)計可避免前后排交錯炮孔之間的延期間隔過短，充分利用各炮孔波形在控制目標(biāo)處的干涉相消作用。頻譜分析也顯示該批次的電子雷管的延時精度很好，誤差在±0.3 ms，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)的±1.0 ms。

2.3 電子雷管爆破設(shè)計優(yōu)化

采用高品質(zhì)的電子雷管，結(jié)合精確延時控制爆破技術(shù)，可以改善破碎效果，降低爆破振動效應(yīng)，從而擴(kuò)大作業(yè)規(guī)模，有利于降低爆破成本。合理的孔間延時設(shè)計需滿足以下3 個條件：①充分利用先爆炮孔為后爆炮孔創(chuàng)造自由面；②相鄰炮孔破碎巖石在空中相互碰撞擠壓，產(chǎn)生二次破碎，加強(qiáng)巖石破碎；③減少最大段起爆藥量，實現(xiàn)單孔單響、逐孔起爆，避免不同炮孔誘發(fā)振動波形的波峰過度疊加，有效地降低爆破震動有害效應(yīng)?；诖?，可以對上述爆破設(shè)計方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在當(dāng)前的爆破參數(shù)下爆破振動可以滿足控制要求，且有較大裕度，因此可考慮擴(kuò)大爆破作業(yè)規(guī)模，提高施工效率；如通過設(shè)置合理延時（孔間延期34 ms，排間65 ms），把爆破規(guī)模從9 個炮孔（765 kg）提高66.7%到15 個炮孔（1 275 kg），民房處的爆破振動峰值為0.138 cm/s，小于要求的0.15 cm/s，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《爆破安全規(guī)程》所要求的1.50 cm/s 的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

1）與導(dǎo)爆管相比，電子雷管由于其延時極為精確，在降低起爆網(wǎng)絡(luò)誘發(fā)振動方面具有明顯優(yōu)勢，能大幅降低爆破振動速度，為靠近城市居民區(qū)的爆破施工提供了優(yōu)選方案。

2）電子雷管爆破減震效果與延期時間的關(guān)系并不具有單調(diào)函數(shù)關(guān)系，在本次試驗的爆破地質(zhì)條件下，其爆破振動峰值在延期時間34 ms 附近有1 個最小值，采用34 ms 孔間延期時間設(shè)計方案可以避免不同炮孔誘發(fā)振動波形的過度疊加，有效地降低爆破振動峰值，從而獲得最佳的爆破減震效果。

3）通過對監(jiān)測點爆破振動波形進(jìn)行頻譜分析，證明了前后排交錯炮孔之間的延期間隔過短是造成的爆破振動波形疊加的原因。在此基礎(chǔ)上，采用最佳的延期時間可進(jìn)一步提高爆破規(guī)模，并滿足《爆破安全規(guī)程》所要求的振動控制標(biāo)準(zhǔn)。