數(shù)碼雷管高精度延時(shí)對(duì)爆破振動(dòng)影響試驗(yàn)研究

劉文勝 陳能革， 朱末琳 儀海豹 李 偉 謝亮波 鄧國平

（1.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)有限公司，安徽馬鞍山243000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000）

數(shù)碼電子雷管，又稱數(shù)碼雷管或工業(yè)數(shù)碼電子雷管，是采用電子控制模塊對(duì)起爆過程進(jìn)行控制的雷管。數(shù)碼雷管技術(shù)的研究開發(fā)工作始于20世紀(jì)80年代初，到20世紀(jì)80年代中期，數(shù)碼雷管產(chǎn)品開始進(jìn)入起爆器材市場(chǎng)。經(jīng)過多年的發(fā)展，數(shù)碼雷管技術(shù)逐漸趨于成熟；相比于普通工業(yè)雷管，數(shù)碼雷管具有安全性、高精度、可追溯等突出優(yōu)勢(shì)，在爆破工程中的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。

隨著我國數(shù)碼雷管質(zhì)量穩(wěn)步提升，以及國家監(jiān)管力度加大，數(shù)碼雷管的管理和推廣應(yīng)用工作得到迅速發(fā)展?！豆I(yè)數(shù)碼電子雷管》（WJ 9085—2015）、《工業(yè)電子雷管信息管理通則》（GA 1531—2018）等標(biāo)準(zhǔn)相繼問世，為建立嚴(yán)密的數(shù)碼雷管管控體系提供了技術(shù)和規(guī)范支持。在數(shù)碼雷管推廣應(yīng)用研究方面，諸多學(xué)者開展了大量工作。ARVIND等［1］在某石灰?guī)r礦山采用數(shù)碼雷管實(shí)現(xiàn)了爆破危害控制；HEMANT等［2］探討了如何減少因爆破地面振動(dòng)引起的環(huán)境影響；IWANO等［3］研究了數(shù)碼雷管的爆破振動(dòng)特性；邱賢陽等［4］研究了短延時(shí)爆破可降低質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度PPV，且低頻能量更少；葉海旺等［5］通過數(shù)碼雷管現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，確定了取得最優(yōu)爆破效果的孔、排間微差時(shí)間；呂淑然等［6］開展了數(shù)碼雷管與高精度導(dǎo)爆管雷管的對(duì)比試驗(yàn)，分析了數(shù)碼雷管的降振效果；王濤等［7］采用數(shù)碼雷管開展了高寒高海拔礦山的應(yīng)用試驗(yàn)，取得了一定的爆破控制效果；葉春雷等［8］將數(shù)碼電子雷管應(yīng)用到合寧高速改擴(kuò)建工程爆破削坡作業(yè)中；任登富等［9］基于錯(cuò)相減振原理有效降低了地鐵隧道爆破振動(dòng)強(qiáng)度。

已有研究主要從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用角度，采用數(shù)碼雷管尋求合適的微差時(shí)間降低爆破振動(dòng)危害，有關(guān)延時(shí)間隔對(duì)爆破振動(dòng)影響規(guī)律的研究涉及較少。為此，本研究以馬鋼和尚橋鐵礦為工程背景，通過不同延時(shí)間隔的對(duì)比試驗(yàn)，分析高精度延時(shí)對(duì)爆破振動(dòng)的影響規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)生產(chǎn)爆破危害控制，促進(jìn)礦山與周邊區(qū)域經(jīng)濟(jì)的融合協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 礦山概況

馬鋼和尚橋鐵礦位于馬鞍山市向山鎮(zhèn)西南5 km的佳山鄉(xiāng)，是安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)南山礦業(yè)有限公司重要的鐵礦石原料基地，對(duì)于公司穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。隨著馬鞍山市“東擴(kuò)南進(jìn)”政策逐步實(shí)施，以及周邊城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷深入，和尚橋鐵礦逐漸被市主城區(qū)、姑熟和丹博兩個(gè)副城區(qū)以及秀山新區(qū)所環(huán)抱，這一典型的近城區(qū)礦山正逐漸演變成城市中礦區(qū)。礦山距離市區(qū)東環(huán)路最近僅1.0 km，周邊村莊、企業(yè)及生產(chǎn)設(shè)施等眾多，爆破環(huán)境十分復(fù)雜（圖1）。礦山西北側(cè)距離雨山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)智能裝備產(chǎn)業(yè)園300 m，距大毛庫村280 m；東北側(cè)距甘庫村580 m；西側(cè)距高速公路收費(fèi)站1 km，距寧安高鐵線路1.5 km；西南側(cè)與瑞泰馬鋼新材料公司距離492 m；南側(cè)距離紅橋村340 m，對(duì)礦山爆破安全要求很高。

礦山生產(chǎn)規(guī)模為300萬t/a，年采剝量約450萬m3，年使用炸藥量約2 000 t。長期的頻繁爆破作業(yè)對(duì)周邊居民、企業(yè)的正常生產(chǎn)生活造成了一定的負(fù)面影響，爆破振動(dòng)對(duì)周邊居民的心理造成較大壓力，導(dǎo)致居民阻撓采場(chǎng)生產(chǎn)爆破的問題突出，直接影響了礦山企業(yè)正常生產(chǎn)。為有效消除礦山開采與周邊居民、企業(yè)的糾紛，削弱生產(chǎn)爆破對(duì)周邊民房等的振動(dòng)危害，創(chuàng)造良好的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，亟需對(duì)減振爆破新技術(shù)進(jìn)行研究。

2 高精度延時(shí)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)

2.1 數(shù)碼雷管操作流程

與普通工業(yè)雷管不同，采用數(shù)碼雷管后，礦山生產(chǎn)爆破整個(gè)施工工藝發(fā)生了顯著性變化，對(duì)爆破作業(yè)管理、現(xiàn)場(chǎng)施工以及爆破設(shè)計(jì)方案提出了更高要求。在原有施工流程的基礎(chǔ)上，新增數(shù)碼雷管注冊(cè)、延期時(shí)間設(shè)置、網(wǎng)路檢測(cè)、密碼下載、組網(wǎng)起爆、起爆線回收等程序。同時(shí)增加了管控三碼采集器和數(shù)碼雷管起爆器的操作流程，其中，前者主要負(fù)責(zé)與公安管控服務(wù)器通訊；后者具有電子雷管的檢測(cè)、注冊(cè)、組網(wǎng)、充電、起爆等功能。

數(shù)碼雷管操作主要流程：①雷管注冊(cè)，讀取數(shù)碼雷管身份信息；②網(wǎng)路連接，將每發(fā)雷管連接到爆區(qū)總線上；③延期設(shè)置，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)每發(fā)雷管設(shè)定延期時(shí)間；④網(wǎng)路檢測(cè)，在線檢測(cè)每一發(fā)雷管的狀態(tài)；⑤起爆流程，檢測(cè)、充電、輸入起爆密碼起爆。

2.2 試驗(yàn)方案

開展不同微差時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，孔間微差有16、32、36、40、48、64 ms 6種方案，排間微差有24、36、40、48、60、70、80、96 ms 8種方案。通過不同方案下爆破振動(dòng)速度的對(duì)比分析，分析高精度延時(shí)與振動(dòng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，尋求降低爆破振動(dòng)強(qiáng)度的最佳孔、排間微差時(shí)間，有效控制礦山生產(chǎn)爆破振動(dòng)。

由于爆破振動(dòng)對(duì)礦山周邊建（構(gòu)）筑物安全存在一定的影響，不可避免地在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一定程度的累積損傷［10-14］。為掌握現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)隨測(cè)點(diǎn)位置的演變規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)生產(chǎn)爆破參數(shù)控制，本研究在爆區(qū)不同距離處設(shè)置高精度爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀采集現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)數(shù)據(jù)［15-17］。2020年6月28日—11月12日，在礦山開展了10次現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，炮孔總數(shù)196個(gè)，消耗數(shù)碼雷管392發(fā)，最大段裝藥量150～290 kg，炸藥使用總量35 440 kg，總爆破量82 338 m3。典型炮孔布置如圖2和圖3所示，爆破網(wǎng)路連接如圖4所示，試驗(yàn)參數(shù)見表1。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 爆破振動(dòng)分析

采用爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀開展了不同位置的振動(dòng)測(cè)試，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

為進(jìn)一步掌握不同延時(shí)間隔下的爆破振動(dòng)特性，采用薩道夫斯基公式對(duì)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，得到回歸公式見表3。

為進(jìn)一步比較分析不同微差時(shí)間下爆破振動(dòng)速度關(guān)系，根據(jù)回歸公式計(jì)算結(jié)果，繪制了不同微差時(shí)間下的爆破振動(dòng)速度變化曲線，如圖5和圖6所示。

分析圖5、圖6可知：微差時(shí)間對(duì)爆破振動(dòng)影響明顯，且測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)的距離越近，微差時(shí)間影響越顯著。在近區(qū)范圍內(nèi)，隨著微差時(shí)間增加，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度呈現(xiàn)“先增大、后減小、再增大”較大幅度的波動(dòng)變化趨勢(shì)；且在微差時(shí)間為36 ms時(shí)取得最大振動(dòng)速度，微差時(shí)間16 ms時(shí)取得最小振動(dòng)速度。在遠(yuǎn)區(qū)，振動(dòng)速度的波動(dòng)幅度明顯減小。隨著最大段裝藥量Q的增加，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但隨著微差時(shí)間的變化規(guī)律不變。在測(cè)點(diǎn)距離20 m、微差時(shí)間16 ms時(shí)，Q=250 kg和Q=150 kg時(shí)的振動(dòng)速度分別為13.98 cm/s、12.23 cm/s，前者比后者增大了 14.31%。在測(cè)點(diǎn)距離20 m、微差時(shí)間36 ms時(shí)，Q=250 kg和Q=150 kg時(shí)的振動(dòng)速度分別為65.16 cm/s、48.97 cm/s，前者比后者增大了33.06%。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到不同距離下的爆破振動(dòng)速度對(duì)比曲線，如圖7和圖8所示。

由圖7、圖8可知：隨著測(cè)點(diǎn)距離增大，爆破振動(dòng)呈現(xiàn)明顯的衰減規(guī)律。在測(cè)點(diǎn)距離60 m范圍內(nèi)衰減幅度最大；隨著測(cè)點(diǎn)距離增加，振動(dòng)速度逐漸趨于平緩。在近區(qū)，微差時(shí)間對(duì)爆破振動(dòng)速度的影響更加顯著。分析認(rèn)為，爆破振動(dòng)受到單響藥量、孔徑、爆心距等因素的綜合影響。從能量角度而言，爆破振動(dòng)波能量只占爆破釋放能量的3%～20%，而爆破振動(dòng)波具有頻率豐富、頻帶較窄以及低頻波的傳播距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)；在爆破振動(dòng)波傳播過程中，受到傳播介質(zhì)的阻尼作用，爆破振動(dòng)能量逐漸轉(zhuǎn)化為熱能、摩擦能等，并伴隨著振動(dòng)波能量的消耗，導(dǎo)致爆破振動(dòng)速度隨著測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)距離的增大呈現(xiàn)整體衰減趨勢(shì)。同時(shí)，微差時(shí)間對(duì)近區(qū)爆破振動(dòng)的影響大于對(duì)遠(yuǎn)區(qū)的影響。就爆破振動(dòng)危害而言，爆區(qū)與建筑物的距離越近，爆破振動(dòng)強(qiáng)度越大，振動(dòng)波的能量越高，越不利于建筑物的安全；反之，則相反。因此，通過調(diào)整合適的微差時(shí)間，在近區(qū)可以取得更加明顯的減振效果，對(duì)于維護(hù)建（構(gòu)）筑物安全具有重要意義。

繪制了不同距離下爆破振動(dòng)速度對(duì)比曲線，如圖9所示。分析可知：隨著最大段裝藥量增加，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度整體呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)。相同最大段裝藥量條件下，在測(cè)點(diǎn)距離20 m、微差16 ms時(shí)的振動(dòng)速度最小，微差40 ms時(shí)次之；隨著測(cè)點(diǎn)距離增大，轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉顣r(shí)間40 ms時(shí)取得最小振動(dòng)速度，而微差16 ms時(shí)取得最大振動(dòng)速度。同時(shí)，微差48 ms時(shí)振動(dòng)速度稍大于微差40 ms時(shí)，且隨著距離的增大，二者差值逐漸減小。從建筑物安全角度而言，為最大程度削弱爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的影響，應(yīng)根據(jù)建筑物與爆區(qū)的距離選擇不同的微差時(shí)間，即：近區(qū)適宜的微差時(shí)間為16 ms，遠(yuǎn)區(qū)適宜的微差時(shí)間為40 ms。

3.2 爆破塊度分析

爆破塊度是衡量爆破效果的重要指標(biāo)之一［18-20］。為降低后續(xù)的鏟裝、運(yùn)輸和破碎成本，控制采礦作業(yè)綜合成本，需要對(duì)采場(chǎng)爆破塊度進(jìn)行適當(dāng)控制。鑒于人工篩分塊度分析法的勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)工費(fèi)時(shí)等的諸多弊端，為掌握現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)爆破效果，采用圖像分析法開展了7次礦山爆破塊度對(duì)比分析。現(xiàn)場(chǎng)爆破塊度照片見圖10，圖像法識(shí)別效果見圖11。根據(jù)爆破塊度圖像識(shí)別結(jié)果，得到爆破塊度累計(jì)分布曲線（圖12）和爆破塊度分布情況（圖13），進(jìn)而得到爆破塊度統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表4。

對(duì)比分析可知：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的爆破塊度分布較為均勻，整體上呈現(xiàn)正偏態(tài)分布規(guī)律，最高點(diǎn)在100 mm左右。同時(shí)，50%的爆破塊度可控制在70 mm以內(nèi)，80%的塊度控制在130 mm以內(nèi)；且爆破塊度都在500 mm以內(nèi)，最大塊度為464 mm，滿足礦山生產(chǎn)塊度要求，有利于提高鏟裝運(yùn)輸作業(yè)效率。綜合分析可知，采用不同的微差時(shí)間對(duì)爆破塊度影響不大。

注：Dx為通過x%對(duì)應(yīng)的巖石塊度尺寸，mm。

4 結(jié)論

（1）在爆破近區(qū)，隨著微差時(shí)間增加，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度呈現(xiàn)“先增大、后減小、再增大”較大幅度的波動(dòng)變化規(guī)律；微差時(shí)間對(duì)近區(qū)爆破振動(dòng)的影響明顯大于遠(yuǎn)區(qū)，且測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)的距離越近，微差時(shí)間影響越顯著。

（2）爆區(qū)與建筑物的距離越近，爆破振動(dòng)強(qiáng)度越大，振動(dòng)波的能量越高，越不利于建筑物的安全。通過選取合適的微差時(shí)間可以取得最佳的減振效果，且在爆破近區(qū)減振效果更加明顯。為有效維護(hù)建筑物安全，建議根據(jù)建筑物與爆區(qū)的距離遠(yuǎn)近選擇不同的延時(shí)間隔，近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)適宜的微差時(shí)間間隔分別為16 ms和40 ms。

（3）采用不同的高精度延時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破塊度分布的影響不明顯，整體上爆破塊度呈現(xiàn)正偏態(tài)分布特征；80%的爆破塊度可控制在130 mm以內(nèi)，且都可控制在500 mm以內(nèi)，有利于提高現(xiàn)場(chǎng)鏟裝作業(yè)效率。