精確延時(shí)破巖機(jī)理綜述

孟 彪，賈世杰，趙國(guó)強(qiáng)

（1.新疆雪峰科技（集團(tuán)）股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆雪峰爆破工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

爆破被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工程實(shí)踐中，特別是近現(xiàn)代人類(lèi)工程活動(dòng)促使爆破理論不斷發(fā)展完善，僅對(duì)常見(jiàn)爆破技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類(lèi)大概為14種[1],如下：（1）巖土爆破；（2）露天爆破；（3）地下爆破；（4）淺孔爆破；（5）深孔爆破；（6）復(fù)雜環(huán)境爆破；（7）掘進(jìn)爆破；（8）硐室爆破；（9）水下爆破；（10）預(yù)裂爆破；（11）光面爆破；（12）延時(shí)爆破；（13）拆除爆破；（14）特種爆破。近年來(lái)隨著電子技術(shù)發(fā)展應(yīng)用于爆破領(lǐng)域，電子雷管的出現(xiàn)為精確延時(shí)爆破提供了前所未有的廣闊空間，也為分析起爆時(shí)間對(duì)爆破效果的影響提供了基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)精確延時(shí)破巖機(jī)理的研究主要集中在以爆炸性氣體膨脹破碎巖石；沖擊波反向拉伸破壞圍巖；沖擊波、壓縮波與爆炸氣體聯(lián)合作用；還有學(xué)者從功能平衡角度探究與應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)基本觀(guān)點(diǎn)等原理闡述爆破機(jī)理。

國(guó)內(nèi)外對(duì)延時(shí)爆破破巖理論主要以爆炸氣體膨脹壓破理論、沖擊波拉伸破壞理論、沖擊波和爆破氣體綜合作用理論、功能平衡理論、流體動(dòng)力學(xué)理論和能量理論等開(kāi)展研究，并對(duì)延時(shí)爆破時(shí)間控制，巖石破碎效果，不同應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力條件以及應(yīng)用數(shù)值模擬進(jìn)行研究。

1 電子雷管精確延時(shí)

精確延時(shí)爆破主要有2類(lèi)，一類(lèi)是導(dǎo)爆管精確延時(shí)，起爆網(wǎng)絡(luò)如圖1所示；另一類(lèi)是電子雷管精確延時(shí)，起爆網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。導(dǎo)爆管精確延時(shí)全部由導(dǎo)爆管雷管組成，利用孔內(nèi)外不同段位的雷管串聯(lián)達(dá)到延時(shí)控制。電子雷管精確延時(shí)主要依靠數(shù)碼電子雷管自身產(chǎn)品性能實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制。

圖1 導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)絡(luò)

圖2 電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)

目前，大多數(shù)精確延時(shí)爆破多使用數(shù)碼電子雷管，數(shù)碼電子雷管通過(guò)安裝PBC電路板專(zhuān)業(yè)集成芯片實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，延時(shí)精度一般可達(dá)到1 ms。數(shù)碼電子雷管精確延時(shí)爆破技術(shù)主要是利用電子雷管延時(shí)時(shí)間精度來(lái)控制相鄰炮孔間起爆時(shí)間來(lái)減小爆破振動(dòng)的危害，提高炸藥利用率，達(dá)到爆破目的。目前合理的延時(shí)時(shí)間選擇還沒(méi)用公認(rèn)的理論公式，多采用前人研究的經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)地施工多次爆破的數(shù)據(jù)優(yōu)化獲得。電子雷管延期功能一般是通過(guò)拉拔式的拔鉛方式和改動(dòng)套管達(dá)到影響集成電子元件。藥芯不同對(duì)延期元件的延時(shí)精度有不同的影響，每個(gè)電子雷管都具有唯一密匙，沒(méi)有密匙，傳統(tǒng)的電池、起爆器以及220 V交直流電均無(wú)法起爆電子雷管，只能使用專(zhuān)用設(shè)備起爆，并且通過(guò)指令可以對(duì)爆破時(shí)間、爆破區(qū)域、爆破單位體主動(dòng)控制。

圖3 數(shù)碼電子雷管延期裝置圖

因?yàn)殡娮永坠茉谄鸨刂蒲訒r(shí)時(shí)間精度高，安全性好，人為設(shè)置、優(yōu)化爆破參數(shù)可控性強(qiáng)；同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用部分電子雷管智能性不斷提高，所以在精確延時(shí)爆破中電子雷管被廣泛使用。精確延時(shí)爆破目的是通過(guò)延期爆破時(shí)間的間隔來(lái)優(yōu)化爆破參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)高單耗、強(qiáng)力破碎，從而提高爆破效果、降低爆破成本，最終達(dá)到巖石良好破碎效果和較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

2 爆破巖體破碎機(jī)理

巖石在爆破過(guò)程中如何破碎，是什么因素導(dǎo)致破碎效果優(yōu)劣一直是眾多學(xué)者研究?jī)?nèi)容。巖石作為一種拉壓比較低的材料，其在爆破破碎過(guò)程中誘因復(fù)雜，炸藥能量釋放與巖體破碎時(shí)間極短，靜力學(xué)與巖石動(dòng)力學(xué)從力的角度解釋破巖機(jī)理具有廣泛的認(rèn)可性。當(dāng)然巖石破碎過(guò)程極其復(fù)雜，眾多學(xué)者從不同角度分析了破巖機(jī)理。

2.1 爆炸氣體膨脹壓力破壞理論

該理論用靜力學(xué)解釋了爆炸產(chǎn)生高溫、高壓氣體通過(guò)膨脹作用到相鄰圍巖上，藥包爆炸產(chǎn)生氣體同時(shí)產(chǎn)生沖擊作用，在巖體軟弱結(jié)構(gòu)面易產(chǎn)生沖擊裂隙，在沖擊波能量作用下膨脹氣體壓入裂隙，沿徑向裂隙形成應(yīng)力場(chǎng)到自由面產(chǎn)生破壞。吳介毅[2]研究表明爆炸沖擊作用出現(xiàn)后炮孔圍巖形成裂紋擴(kuò)展圈，之后爆炸所產(chǎn)生的爆生氣體隨之?dāng)D入圍巖形成裂紋擴(kuò)展圈，微觀(guān)裂紋快速擴(kuò)展至宏觀(guān)裂隙。在該理論中，巖體破壞過(guò)程歸因于裂隙中受力不均和產(chǎn)生剪切應(yīng)力引起巖體發(fā)生徑向位移；與此同時(shí)高溫、高壓氣體壓縮巖石產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變速率增長(zhǎng)對(duì)巖石強(qiáng)度有一定提高，當(dāng)達(dá)到巖石抗壓極限σe巖石破碎。爆炸氣體貫通到自由面后能量急劇下降，氣體殘余壓力對(duì)碎巖產(chǎn)生徑向拋擲作用。

2.2 沖擊應(yīng)力波反射拉伸破壞理論

該理論認(rèn)為爆炸后在巖石中生成的高溫、高壓氣體和高速?zèng)_擊波會(huì)劇烈沖擊圍巖引起應(yīng)力波，一般情況下應(yīng)力波強(qiáng)度會(huì)大大超過(guò)巖石抗壓強(qiáng)度，引起圍巖破碎。楊建華等[3]研究表明爆破應(yīng)力波相互疊加使圍巖環(huán)向拉應(yīng)力提高，但在炮孔連線(xiàn)的垂直方向上拉應(yīng)力降低。應(yīng)力波傳播過(guò)程中能量衰減，經(jīng)過(guò)破碎圈后，由于應(yīng)力波強(qiáng)度降低，巖石不能被直接破碎，應(yīng)力波會(huì)繼續(xù)向自由面?zhèn)鞑?。?dāng)它到達(dá)自由表面時(shí)，壓應(yīng)力波在巖體自由表面反射為拉應(yīng)力波。此刻波的強(qiáng)度大幅降低，但仍能將巖石拉至斷裂，直至漏斗范圍內(nèi)巖體全部拉裂。此觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為導(dǎo)致巖石破碎的主要因素是應(yīng)力波和反射波共同作用的結(jié)果；而高溫、高壓氣體對(duì)破碎和碎裂巖石起到拋擲的輔助作用。張鳳鵬等[4]研究了在節(jié)理處入射應(yīng)力波分化為反射拉伸波和透射壓應(yīng)力波，節(jié)理內(nèi)側(cè)巖被拉伸應(yīng)力波拉裂，裂紋擴(kuò)展貫通至巖體表面，說(shuō)明了在節(jié)理處應(yīng)力波反射拉伸破壞機(jī)理。

2.3 沖擊波和爆炸氣體膨脹耦合作用拉伸破壞

由于對(duì)爆炸后的沖擊波能量和爆炸氣體膨脹能量的理解不同，提出了氣體膨脹壓力破壞理論和沖擊波拉伸破壞理論。對(duì)這兩者都有一定的研究基礎(chǔ)，但因?yàn)楸ǖ乃舶l(fā)性、復(fù)雜性和模糊性對(duì)研究的制約使得這2種理論都有欠缺之處。兩者各取所長(zhǎng)結(jié)合各自研究成果，提出了沖擊波和爆炸氣體膨脹綜合作用理論。

該理論認(rèn)為，爆破過(guò)程中巖石的破壞是由爆炸性氣體和應(yīng)力波共同作用，兩者在巖石破壞的不同階段發(fā)揮各自作用。爆炸后，爆炸沖擊波沖擊圍巖，當(dāng)沖擊波能量消耗達(dá)到一定程度后，沖擊波衰減為應(yīng)力波在自由面處產(chǎn)生徑向裂隙。爆炸后氣體膨脹導(dǎo)致“氣楔效應(yīng)”，使得巖石裂縫穿透形成碎巖，剩余能量使碎屑巖塊向外拋擲。由于巖石性質(zhì)不同，巖體內(nèi)應(yīng)力波峰值也會(huì)不同，膨脹氣體與巖體作用時(shí)間長(zhǎng)短等因素都影響爆破效果，可通過(guò)控制兩者到達(dá)爆破目標(biāo)。一般情況下裝藥方式和炸藥猛度對(duì)巖石阻抗較為敏感，不同裝藥方式和使用不同猛度炸藥都會(huì)影響爆破效果。鄧永興等[5]采用LS-DYNA進(jìn)行了數(shù)值模擬和鉆孔爆破試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了巖石破碎機(jī)理。結(jié)果表明，孔壁附近的破巖是由壓應(yīng)力引起的，巖體孔間徑向受壓應(yīng)力作用，垂直方向受拉應(yīng)力作用，應(yīng)力波和氣楔作用使裂紋擴(kuò)展傳播，最終貫通導(dǎo)致巖體開(kāi)裂脫落。

3 延時(shí)時(shí)間的確定

精確延時(shí)爆破時(shí)間的確定紛繁復(fù)雜，由于爆破的特性決定了爆破延時(shí)時(shí)間的精確，確定較為困難。精確延時(shí)逐孔起爆技術(shù)具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果，不僅能夠有效提高巖石的破碎效率，降低爆破振動(dòng)效應(yīng)，而且可以減少炸藥用量，提高爆破工程的安全性和環(huán)保性[6]。根據(jù)巖石爆破的破巖機(jī)理、爆破目的和爆破效果等機(jī)理不同又確立了不同的爆破延時(shí)時(shí)間理論，這些理論對(duì)確定延時(shí)時(shí)間提供了基礎(chǔ)，眾多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正得出各自的延時(shí)時(shí)間確定方法。通過(guò)優(yōu)化延期時(shí)間控制爆破震動(dòng)，這種爆破振動(dòng)控制技術(shù)改善了保護(hù)物的安全性，同時(shí)又提高了爆破破巖效果[7]。本文闡述以下4種較為公認(rèn)延時(shí)時(shí)間確定方法。

3.1 按應(yīng)力波疊加原理確定時(shí)間間隔

這種理論由蘇聯(lián)波克洛夫斯基提出，認(rèn)為氣楔效應(yīng)和先產(chǎn)生的應(yīng)力波與巖體相互作用共同使得巖石在自由面處產(chǎn)生應(yīng)變，同時(shí)爆炸產(chǎn)生膨脹氣體向外逸散，導(dǎo)致孔內(nèi)壓力壓降，而此時(shí)巖體尚未破碎，處于巖體原始裂隙壓密與彈性變形階段，當(dāng)壓力降低后，巖石的彈性應(yīng)力恢復(fù)，從孔內(nèi)壁向圍巖產(chǎn)生拉伸波。該時(shí)間段是后續(xù)爆炸獲得較好爆破效果的最佳爆破時(shí)間。由此確定延遲時(shí)間的公式（1）：

式中：α-炮孔間距，m；CP-應(yīng)力波傳播速度，m/s；Q-單孔裝藥量，kg。

何理等[8]研究了不同延遲時(shí)間波形的疊加，通過(guò)爆炸應(yīng)變波能量的疊加確定了可以延長(zhǎng)相鄰炮孔巖體的應(yīng)力時(shí)間，從而提高巖體破碎效果。

3.2 按產(chǎn)生新自由面原理確定時(shí)間間隔

該方法由蘇聯(lián)學(xué)者哈努卡耶夫提出，認(rèn)為爆破裂隙由最先爆炸的炸藥產(chǎn)生，并能夠讓巖石與原巖脫形成1 cm左右寬度的貫穿裂隙，獲得爆破效果最佳應(yīng)以形成此裂縫的時(shí)間作為延時(shí)時(shí)間，由此得出計(jì)算公式（2）：

式中：t1-應(yīng)力波傳至自由面并返回的時(shí)間，ms；t2-形成裂隙所需的時(shí)間，ms；t3-碎巖脫離并產(chǎn)生裂隙寬度達(dá)到S=1.0 cm時(shí)，所需的時(shí)間。

樓曉明等[9]對(duì)哈努卡耶夫提出的微差爆破延遲時(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正，從理論上得到了最佳延遲時(shí)間的數(shù)學(xué)模型；通過(guò)微差爆破試驗(yàn)，驗(yàn)證了所建立的延遲時(shí)間模型與試驗(yàn)結(jié)果的一致性。劉翔宇等[10]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)方法擬合單孔波形，得到了單孔波形的波速和時(shí)間函數(shù)。通過(guò)對(duì)波速和時(shí)間函數(shù)的疊加計(jì)算，得到了延遲參數(shù)。

3.3 按增強(qiáng)碰撞作用原理確定間隔時(shí)間

這一觀(guān)點(diǎn)是大量研究人員通過(guò)眾多工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出。他們認(rèn)為，爆破延遲的延時(shí)時(shí)間與巖石材料性質(zhì)密切相關(guān)，最小抵抗線(xiàn)和爆破參數(shù)對(duì)延時(shí)時(shí)間起決定性作用。由此波克羅夫斯基提出了最佳延遲時(shí)間公式（3）：

式中：α-炮孔間距，m；CP-巖石縱波傳播速度，m/s；ω-最小抵抗線(xiàn)，m。

3.4 為改善爆破效果確定間隔時(shí)間

該方法是控制爆破均勻塊度作為爆破目標(biāo)?？组g延時(shí)對(duì)爆破效果有著十分重要的影響，不同孔間延時(shí)對(duì)應(yīng)爆破后的巖石最大塊度尺寸和大塊率均不同[11]。瑞典通過(guò)工程實(shí)踐蘭格福斯總結(jié)得出，最小抵抗線(xiàn)在0.55～0.75 m的條件下，爆破塊度與爆破效果較好，并且有較高的保證率，由此總結(jié)得出計(jì)算公式（4）與（5）：

式中：k-系數(shù)，ms/m；巖石f值較大時(shí)，取k=3；f值較小時(shí)，取k=6；ω-最小抵抗線(xiàn)，m。

式中：k-綜合因素影響系數(shù)?。?～2）；通常取15～75 ms，自由面少，孔深時(shí)取100 ms。

ORICA公司通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)得出的爆破塊度與孔間延時(shí)時(shí)間經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)如圖4所示。可以得出，炮孔間最佳延期時(shí)間為每米孔距3～8 ms時(shí)破碎效果最佳，對(duì)于巖石硬度較低且?guī)r性較軟的巖石，孔間延期時(shí)間取大值，反之取小值。依照此孔距延期時(shí)間范圍結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況合理調(diào)整延期時(shí)間，可取得最佳爆破效果。

圖4 爆破塊度與孔間延時(shí)時(shí)間經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)

4 基于數(shù)值模擬等方法的研究現(xiàn)狀

很多學(xué)者利用數(shù)值模擬來(lái)研究爆破機(jī)理相關(guān)問(wèn)題。數(shù)值模擬在研究爆破機(jī)理上有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在預(yù)測(cè)和分析上具有不可替代作用。在結(jié)合動(dòng)靜力學(xué)等理論衍生出各種各樣的研究手段被用來(lái)分析應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，應(yīng)力增長(zhǎng)與巖石破壞的關(guān)系，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度的影響以及應(yīng)變變化規(guī)律和能耗損失等。Z.M.Zhu等[12]通過(guò)數(shù)值模擬研究引起巖石破裂現(xiàn)象產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理，在分析爆破裂縫在巖體中的起裂、擴(kuò)展和貫通過(guò)程中，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件研究結(jié)果表明，爆破孔附近破碎區(qū)產(chǎn)生的主要是由剪應(yīng)力主導(dǎo)的；徑向裂紋主要是拉應(yīng)力引起的；圓周方向剝落裂紋主要是反射拉應(yīng)力造成的。J.H.Yang等[13]在分析開(kāi)挖過(guò)程原巖應(yīng)力與破壞區(qū)的關(guān)系時(shí)，用LS-DYNA有限元軟件進(jìn)行研究，結(jié)果清晰闡述了地下工程中開(kāi)挖破壞區(qū)主要由原巖應(yīng)力控制。魏晨慧等[14]通過(guò)數(shù)值模擬揭示了當(dāng)最大主應(yīng)力垂直于切槽時(shí)，爆破裂紋擴(kuò)展會(huì)被大幅度抑制。G.W.Ma和X.M.An[15]通過(guò)預(yù)加載方式研究爆生裂紋分布規(guī)律，研究結(jié)果表明爆生裂紋產(chǎn)生和發(fā)展主要沿著預(yù)加載方向。C.P.Yi等[16]通過(guò)原巖應(yīng)力對(duì)巖體破碎影響的研究，數(shù)值模擬結(jié)果表明在炮孔周邊裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展主要受爆炸沖擊荷載控制，而原巖應(yīng)力主要影響遠(yuǎn)場(chǎng)的裂紋發(fā)展方向。L.X.Xie等[17]應(yīng)用數(shù)值模擬軟件研究結(jié)果表明高原巖應(yīng)力對(duì)炮孔周?chē)鷰r體的損傷程度有抑制作用。陳必港等[18]運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件建立“邊坡巖體－潛在滑坡體－炮孔－炸藥－堵塞”三維有限元分析模型，確立了露天臺(tái)階爆破延期時(shí)間的選擇。Z.M.Zhu等[19]應(yīng)用數(shù)值模擬解析了發(fā)生在爆破過(guò)程中的各種破壞機(jī)理。葉海旺等[20]應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法預(yù)測(cè)爆破巖石塊度，將留一法（LOO）與極限梯度提升（XGboost）算法相結(jié)合，構(gòu)建了LOO-XGboost爆破巖石塊度預(yù)測(cè)模型。馬力等[21]建立了IPSO－ELM模型用于研究露天礦爆破拋擲效果。通過(guò)優(yōu)化參數(shù)建立了粒子群算法與極限學(xué)習(xí)相結(jié)合確立了爆破拋擲效果IPSOELM預(yù)測(cè)模型。施建俊等[22]應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)爆破振速進(jìn)行預(yù)測(cè)，顯示了高程差對(duì)爆破振動(dòng)的作用影響。Jian Zhou等[23]通過(guò)對(duì)RF和BN模型對(duì)比，總結(jié)出FSRF新的爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠度得到了很大提高。Abiodun Ismail Lawal等[24]應(yīng)用GEP、ANFIS和SCA-ANN建立了預(yù)測(cè)模型，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到的結(jié)果相比經(jīng)驗(yàn)公式精確度大幅提高。岳中文等[25]建立了基于PCAGA－SVM的露天礦爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)新模型，該模型比SVM和GA-SVM模型收斂速度更快，準(zhǔn)確率更高。郭雙等[26]采用DDA方法對(duì)不同地應(yīng)力條件下巖石的爆破破巖問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了地應(yīng)力對(duì)爆生氣體壓力和爆破應(yīng)力波破巖效果的影響。這些數(shù)值模擬方法的不同應(yīng)用為研究精確延時(shí)破巖機(jī)理提供了更多手段，也為進(jìn)一步深入研究復(fù)雜的破巖過(guò)程奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

爆破精確延時(shí)破巖機(jī)理和時(shí)間間隔一直是爆破領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前對(duì)精確延時(shí)爆破機(jī)理還未能完全研究清楚，眾多學(xué)者通過(guò)已有基礎(chǔ)構(gòu)建模型研究爆破機(jī)理。近年來(lái)，隨著礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)深度不斷加劇，高應(yīng)力區(qū)精確延時(shí)破巖機(jī)理研究成為新的亟需解決的問(wèn)題，但目前還尚未形成完整統(tǒng)一的精確延時(shí)破巖機(jī)理理論。精確延時(shí)時(shí)間的確定直接影響了工程爆破效果，怎樣確定最優(yōu)爆破時(shí)間，優(yōu)化爆破參數(shù)設(shè)置的研究是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，其涉及因素較多，參數(shù)的確定、提取、研究方法的選擇等都會(huì)影響延時(shí)時(shí)間的確定。同時(shí)，采用數(shù)值模擬等新方法研究爆破領(lǐng)域問(wèn)題也不斷取得新進(jìn)展，對(duì)理解破巖機(jī)理和精確延時(shí)有一定效果，對(duì)模型結(jié)果的預(yù)測(cè)與驗(yàn)證有一定優(yōu)勢(shì)，但數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果也具有一定不穩(wěn)定因素。因此，系統(tǒng)性解決精確延時(shí)破巖機(jī)理已成為爆破領(lǐng)域研究的緊迫任務(wù)。