臺階爆破逐孔起爆網(wǎng)路的設(shè)計與應(yīng)用?

李 峰

中鐵十二局集團第二工程有限公司(山西太原，030024)

引言

逐孔起爆技術(shù)廣泛地應(yīng)用于土石方爆破、露天煤礦爆破等臺階爆破中。 在延期爆破中，可通過合理使用雷管段別，進而控制炮孔的延期時間，達到逐孔起爆的效果。 于江浩等[1]以神華北電勝利露天礦為研究對象進行分析，得出逐孔起爆可以創(chuàng)造更多的自由面、縮短最小抵抗線、減弱巖石的夾制作用，可有效改善露天礦臺階爆破的破碎效果，提高露天礦開采的生產(chǎn)效益；王生楠[2]通過爆破機理分析，得出逐孔起爆可以有效改善爆破效果，達到對爆破塊度、爆破振動、爆破飛石等爆破危害進行有效控制的目的。 在逐孔起爆中，爆破效果直接受延期時間的影響。 最佳延期時間是起爆網(wǎng)路設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)。 周文海等[3]利用 LS-DYNA 建立了 0、17、25、42 ms 4 種不同延期下的臺階爆破模型，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測振試驗，得到最佳降振微差時間為42 ms；長沙礦冶研究院通過爆破理論研究，得出后爆藥包利用先爆藥包產(chǎn)生的爆轟氣體及應(yīng)力場作用達到二次破碎效果，給出最佳延期時間為25 ～50 ms[4]；韓亮等[5]以疊加波形的振速幅值為標(biāo)準(zhǔn)進行分析，得到不同距離測點處的最優(yōu)微差時間。 由此可見，選擇合理的延期時間，既能夠減振、降振，降低爆破危害，又可以充分利用爆破產(chǎn)生的能量，節(jié)約成本，提高效益。

在現(xiàn)代化爆破中，數(shù)碼電子雷管具有延時精度高、段別設(shè)置不受限制的優(yōu)點，可實現(xiàn)逐孔起爆；但由于其造價高昂，多用于城市隧道爆破中[6]。 而礦山開挖、土石方爆破多采用傳統(tǒng)導(dǎo)爆管雷管。 傳統(tǒng)導(dǎo)爆管雷管段別固定，延期時間誤差大，爆破過程中可能出現(xiàn)多孔齊發(fā)、后排先爆等現(xiàn)象。 在探索使用導(dǎo)爆管雷管實現(xiàn)逐孔起爆方面，許紅濤等[7]研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)爆管雷管通常存在延期誤差，不能準(zhǔn)確按設(shè)計的延期時間起爆，導(dǎo)致各分段爆破產(chǎn)生的振動可能發(fā)生疊加，引起質(zhì)點振速超標(biāo)。

計算機編程語言的引入已成為一種行業(yè)趨勢，通常涉及起爆網(wǎng)路設(shè)計、爆破振動預(yù)測、爆破效果評價等多方面，達到智能爆破的目的。 施建俊等[8]基于Matlab 和Visual Basic (VB)編程語言，開發(fā)了爆破振動預(yù)測系統(tǒng)，在實際工程中預(yù)測精度高，人機交互界面良好；張小軍等[9]利用VB 編程語言，開發(fā)了立井爆破軟件設(shè)計系統(tǒng)，達到爆破參數(shù)設(shè)計、炮孔設(shè)計智能化的目的。

本文中，綜合前人的研究成果，創(chuàng)造性地將導(dǎo)爆管雷管用于逐孔起爆中，并結(jié)合雷管的段別設(shè)置和延期誤差，合理選擇炮孔的最佳延期時間。 引入正態(tài)分布概率模型，定量分析，得到該延期時間能提高地震波干擾降振的概率。 利用VB 編程語言[10]和計算機輔助設(shè)計(CAD)強大的繪圖功能，開發(fā)了臺階爆破逐孔起爆網(wǎng)路設(shè)計系統(tǒng)，經(jīng)實踐檢驗，利用該系統(tǒng)進行爆破設(shè)計能降低爆破危害，提高經(jīng)濟效益。

1 設(shè)計原理

在逐孔起爆網(wǎng)路設(shè)計中，欲達到節(jié)約成本、連線網(wǎng)路簡單的目的，雷管使用的段別種類越少越好。設(shè)計過程中最少采用3種段別的雷管，涉及到孔間延期t1、排間延期t2、孔內(nèi)延期t3，除此之外，還有炮孔排數(shù)n1、每排孔數(shù)n2、最佳延期時間t，共6 個變量。

1.1 確定最佳延期時間

在眾多爆破教材中，逐孔起爆網(wǎng)路多采用圖1所示的設(shè)計。 雷管采用毫秒延期導(dǎo)爆管雷管，孔間微差為MS3(t1＝50 ms)、排間微差為 MS5(t2＝110 ms)、孔內(nèi)微差為 MS9(t3＝310 ms)。 圖 1 中，無任何兩炮孔起爆時間重疊，為嚴(yán)格意義上的逐孔起爆。但其孔間延期時間為10 ms。 在TB10313—2019《鐵路工程爆破振動安全技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，爆破振動安全核算時，宜將延期時間小于15 ms 的起爆藥包按同段累加計算單段爆炸藥量。 除此之外，由于導(dǎo)爆管雷管本身所存在的誤差(如表1 所示)，MS9 雷管延期時間為(310 ±30)ms，誤差可達60 ms(遠大于10 ms)，炮孔起爆后地震波干擾降振概率大大減少，很容易造雙孔起爆或者多孔起爆。

長沙礦冶研究院通過對大冶鐵礦進行逐孔起爆試驗研究，得出孔間延期時間的經(jīng)驗公式[4]：

式中：t為孔間延期時間，ms；Q為炮孔的平均裝藥量，140 ～ 480 kg；γe為炸藥的密度，0.95 ～ 1.28 g/cm3；γr為巖石的密度，2.9 g/cm3；D為炸藥爆速，3 600 ～3 800 m/s；Cr為巖石縱波波速，5 000 m/s；S為巖石移動距離，10 mm；v為巖塊平均移動速度，2～5 mm/ms。

通過式(1)可以計算得到：采用乳化炸藥時，最佳延期時間為17 ～65 ms；采用銨油炸藥時，最佳延期時間為 15 ～47 ms。

圖1 爆破教材常用的起爆網(wǎng)路Fig.1 Blasting network diagram commonly used in blasting textbook

表1 導(dǎo)爆管雷管段別延期表Tab.1 Segment and delay time of nonel detonator

在露天煤礦臺階爆破過程中，最小抵抗線初步設(shè)計為6 ～10 m時，不同種類巖石要選擇的最佳延期時間為：花崗巖、橄欖石、輝長石、閃長巖、石英巖等較堅硬巖石的延期時間為15 ～30 ms；蛇紋巖、堅硬石灰?guī)r、玢巖、砂巖等中性巖石最佳延期時間為20 ～46 ms；菱鎂礦、石膏、泥灰?guī)r等較軟巖石的延期時間為 50 ～70 ms[4]。

綜合前人研究成果，最佳延期時間為：若抵抗線較大、巖石硬度較小、地質(zhì)構(gòu)造突出、結(jié)構(gòu)面破碎，則確定50 ms(MS3)為炮孔最佳延期時間；相反，若抵抗線較小、巖石硬度較大、地質(zhì)構(gòu)造不顯著、結(jié)構(gòu)面比較完整，則確定為25 ms(MS2)。

1.2 建立數(shù)學(xué)模型

鑒于上述設(shè)計，在考慮雷管延期誤差的基礎(chǔ)上，引入正態(tài)分布概率模型，定量分析最佳延期時間的不同對逐孔起爆地震波干擾降振的影響。

導(dǎo)爆管雷管段別延期誤差可看成隨機變量，當(dāng)某段雷管同一批次數(shù)量足夠大時，可假設(shè)雷管段別和延期符合正態(tài)分布N(μ，σ2)，μ為延期均值，σ為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。 采用文獻[5]中的同一批次抽樣實測MS1 ～MS15 雷管延期時間，數(shù)據(jù)如表2 所示。

由于雷管段別與樣本標(biāo)準(zhǔn)差大致呈正相關(guān)，可建立線性回歸方程計算MS16、MS17 的標(biāo)準(zhǔn)差，通過Origin 軟件進行線性擬合，擬合后的趨勢線如圖2所示，擬合后的回歸方程為

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差，N為雷管段別。 擬合后，R2＝0.919 41，擬合程度較高。

通過式(2)計算，得到MS16 和MS17 標(biāo)準(zhǔn)差分別為17.71、18.84；延期誤差均值采用MS1 ～MS15延期誤差絕對值的平均值，計算結(jié)果如表2 所示。

1.3 分析結(jié)果

以MS13段雷管為例，建立正態(tài)分布數(shù)學(xué)模型，如圖3 所示。

表2 MS1～MS17 雷管延期時間及誤差Tab.2 Delay time and error of MS1-MS17 detonator

圖2 MS1 ～MS15 雷管段別與樣本標(biāo)準(zhǔn)差擬合曲線Fig.2 Fitting curves of MS1-MS15 detonator segment and sample standard deviation

設(shè)母體服從X ～N(μ，σ2)的正態(tài)分布，來自X的子樣為X1，X2，…，Xn，用子樣平均值來估計μ，故服從正態(tài)分布

因此，有U服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布

圖3 MS13 雷管的正態(tài)分布模型Fig.3 Normal distribution model of MS13 detonator

給定置信概率為 1 -α(0 ＜α ＜1)，MS13 雷管子樣1 -α的概率全部屬于區(qū)間[610，690]，則有

故μ的置信區(qū)間為

式中：為在α/2 概率處的分應(yīng)點，可以通過標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)表直接讀取出來。

設(shè)MS13 雷管樣本總數(shù)n ＝100，樣本平均值＝652.4 ms，標(biāo)準(zhǔn)差σ ＝18.75，置信概率1 -α，有

通過式(7)計算，得到α ＝0.000 000 01，有99.999 999%置信概率，認(rèn)為 MS13 雷管在[610，690]區(qū)間內(nèi)起爆。

若雷管最佳延期時間t ＝25 ms，那么置信區(qū)間為[625，675]，則有

將、σ、n代入式(8)，計算得到，置信概率為92.8%，即最佳延期時間取25 ms，各炮孔地震波干擾降振概率為92.8%。 若雷管最佳延期時間t ＝10 ms，置信區(qū)間為[630，650]，通過分析得到置信概率為47.78%，即最佳延期時間取10 ms，該概率僅為47.78%。

按照本文中所提出的最佳延期時間進行起爆網(wǎng)路的設(shè)計，并將其與傳統(tǒng)設(shè)計進行對比，得到臺階爆破各炮孔干擾降振的概率明顯提高，對比分析如圖4 所示。

圖4 起爆網(wǎng)路改進前、后炮孔干擾降振概率對比Fig.4 Comparison of the probability of vibration reduction by interference of blast hole before and after the improvement of the blasting network

由正態(tài)分布概率模型分析得到的對比(圖4)可知，隨著段別的增加，改進前臺階爆破炮孔干擾降振的概率逐漸降低，MS17概率僅為22.82%；起爆網(wǎng)路改進后，除了MS17 概率為84.72%，其余概率都保持在92.80%以上。 這說明選擇25 ms(MS2)、50 ms(MS3)作為炮孔的最佳延期時間，能有效地避免多孔起爆、后排先爆現(xiàn)象的發(fā)生。

1.4 其他延期時間的關(guān)系

為保證起爆網(wǎng)路的設(shè)計符合實際情況，排間延期t2必須大于孔間延期t1，即t2＞t1＝t；為確保炮孔起爆時不會對后續(xù)網(wǎng)路產(chǎn)生影響，孔內(nèi)延期需使用大延期雷管，4 種延期時間滿足t3＞t2＞t1＝t。

2 基于VB 的起爆網(wǎng)路系統(tǒng)開發(fā)

2.1 VB 簡介

VB 源自 Basic 編程語言，擁有圖形用戶界面(GUI)和快速應(yīng)用程序開發(fā)(RAD)系統(tǒng)，可以輕易地使用DAO、RDO、ADO 連接數(shù)據(jù)庫，并輕松地創(chuàng)建ActiveX 控件，該控件是遵循ActiveX 規(guī)范的可執(zhí)行代碼，可作為開發(fā)和運行的部分代碼，建立新的應(yīng)用程序。

2.2 起爆網(wǎng)路系統(tǒng)的開發(fā)

2.2.1 可視化界面設(shè)計

1)系統(tǒng)登錄界面。 系統(tǒng)登錄界面作為該系統(tǒng)的第二個界面，通過計時控件與初始界面鏈接。 該界面設(shè)計包括2 個命令按鈕控件、2 個文本框控件、3 個標(biāo)簽控件。 由標(biāo)題、說明、用戶名、密碼以及登錄與退出按鈕組成。 如圖5 所示。

2)毫秒延期導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路設(shè)計輸入界面。該模塊界面設(shè)計由3 個標(biāo)簽控件、2 個文本框控件和3 個命令按鈕控件祖成。 文本框控件中輸入臺階炮孔排數(shù)、每排炮孔數(shù)等參數(shù)值。 見圖6。

2.2.2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

圖5 系統(tǒng)登陸界面Fig.5 Login interface of the system

圖6 起爆網(wǎng)路設(shè)計輸入界面Fig.6 Input interface of the designed initiation network

1)起爆網(wǎng)路方案的設(shè)計。該模塊是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 在設(shè)計之前，將排數(shù)、每排孔數(shù)、孔間微差、孔內(nèi)微差、排間微差、最佳延期時間六者之間的關(guān)系以集合的方式形成Access 數(shù)據(jù)庫，通過ADO 控件連接數(shù)據(jù)源。 ADO 控件是通過Microsoft ActiveX 數(shù)據(jù)對象(ADO)來快速建立數(shù)據(jù)源連接的數(shù)據(jù)綁定控件。 之后，用戶輸入臺階炮孔排數(shù)、每排炮孔數(shù)等設(shè)計值后，系統(tǒng)會根據(jù)輸入的參數(shù)，自行設(shè)計、搜索、計算，生成符合要求的起爆網(wǎng)路設(shè)計組合，如圖7 所示。

2)起爆網(wǎng)路示意圖的自動生成。 系統(tǒng)在設(shè)計中，調(diào)用AutoCAD 程序，采用VB 中的ActiveX Automation 控件實現(xiàn)兩個軟件的連接，合理使用Shape控件和Line 控件形成示意圖模板，將變量(排數(shù)、每排孔數(shù)、孔間微差、孔內(nèi)微差、排間微差)以代碼的形式輸入，最終形成完整的參數(shù)式起爆網(wǎng)路示意圖。

3 工程應(yīng)用

在渝涪二線 1 標(biāo)ZDK19 +800 ～ ZDK24 +008段緊鄰既有線擴塹開挖工程中，爆破區(qū)域緊鄰工區(qū)油庫儲存罐(爆破距離15 m左右)，大部分?jǐn)U塹開挖邊線距離既有線中心不超過10 m，爆破環(huán)境復(fù)雜且施工難度巨大。 鑒于飛石、滾石、爆破振動等眾多安全影響因素，采用逐孔起爆技術(shù)成為必然選擇。

圖8為施工現(xiàn)場臺階爆破的炮孔布置圖，共布置3 排，每排12 個炮孔。

圖7 起爆網(wǎng)路設(shè)計組合界面Fig.7 Combination interface of initiation network design

圖8 施工現(xiàn)場起爆網(wǎng)路的炮孔布置Fig.8 Blasthole layout of initiation network at the site

臺階爆破逐孔起爆網(wǎng)路設(shè)計系統(tǒng)中，輸入n1＝3、n2＝12 后，選取其中 1 種連線方式，孔間延期t1＝25 ms(MS2)、排間延期t2＝310 ms(MS9)、孔內(nèi)延期t3＝460 ms(MS11)，如圖 9 所示。

將該起爆網(wǎng)路用到現(xiàn)場施工中，圖10 是使用該爆破網(wǎng)路與之前V 型起爆網(wǎng)路的爆后效果對比圖。

由圖10 對比可以看出，使用新型起爆網(wǎng)路后，爆后巖石塊度均勻，爆堆良好，爆破過程中無飛石、滾石侵限，無多孔齊發(fā)、后排先爆現(xiàn)象，爆破效果良好。 在土石方清運過程中，對大塊(最大邊長大于2.5 m 的巖石)進行測量和統(tǒng)計，用米尺及參照物丁字架進行測量。 其中，丁字架大小為1.0 m ×1.0 m。 通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，使用V 型起爆網(wǎng)路，大塊率為0.41%；使用新型起爆網(wǎng)路后，大塊率為0.19%：大塊率明顯降低。 使用TC-4850 測振儀對重要設(shè)施進行振動監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，爆破振動嚴(yán)格控制在振速安全允許值之內(nèi)，且降振率在26%以上，大部分集中在40% ～60%之間。 具體監(jiān)測結(jié)果如表3 所示。

圖9 通過軟件設(shè)計起爆網(wǎng)路Fig.9 Initiation network designed by software

圖10 起爆網(wǎng)路改進前、后爆破效果對比Fig.10 Comparison of blasting outcome before and after the improvement of the initiation network

表3 起爆網(wǎng)路改進前、后爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Tab.3 Comparison of field monitoring data of blasting vibration before and after the improvement of the initiation network

4 結(jié)論

1)確定25 ms(MS2)、50 ms(MS3)作為炮孔的最佳延期時間，若抵抗線較大、巖石硬度較小、地質(zhì)構(gòu)造突出、結(jié)構(gòu)面破碎，最佳延期時間確定為50 ms(MS3)；相反，則是25 ms(MS2)。 由正態(tài)分布概率模型分析可知，該延期時間可使炮孔間地震波干擾降振概率保持在較高水平。

2)基于VB 編程語言，開發(fā)了臺階爆破逐孔起爆網(wǎng)路設(shè)計系統(tǒng)。 該系統(tǒng)結(jié)合VB 的友好界面和計算機輔助設(shè)計(CAD)強大繪圖功能，實現(xiàn)了起爆網(wǎng)路設(shè)計的可視化和智能化。

3)將該系統(tǒng)應(yīng)用于渝涪二線1 標(biāo)工程中的臺階爆破起爆網(wǎng)路設(shè)計中。 經(jīng)實踐檢驗，爆后大塊率明顯降低，爆破降振率大幅提高，無飛石、滾石侵限，無多孔齊發(fā)、后排先爆現(xiàn)象發(fā)生，爆破效果良好。