徐志強(qiáng)，冷振東

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)科技發(fā)展有限公司，天津 300091；2.中國(guó)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(diǎn)問題[1-2]。國(guó)內(nèi)多家科研院所、高校、工程企業(yè)針對(duì)爆源、受控對(duì)象、爆破地震波的傳播過(guò)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(shí)起爆可有效實(shí)現(xiàn)干擾降震，電子雷管由于其延時(shí)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(dòng)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(diǎn)火裝置，提高了雷管延期精度與起爆網(wǎng)路微差設(shè)計(jì)的靈活性，為控制爆破振動(dòng)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(zhēng)用3～5 年的時(shí)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(shí)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(xiàng)目在電子雷管的使用中直接照搬導(dǎo)爆管雷管延時(shí)設(shè)計(jì)方法，起爆延時(shí)設(shè)計(jì)不夠合理[8]。針對(duì)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(guó)內(nèi)外尚未有統(tǒng)一的電子雷管延期時(shí)間計(jì)算公式，因此開展基于電子雷管精確時(shí)延的爆破減震試驗(yàn)研究具有重要意義。在封開大旺塘石灰石礦山臺(tái)階深孔爆破中，由于爆破點(diǎn)距離居民區(qū)較近，當(dāng)?shù)鼐用褚髮⒈普駝?dòng)控制在0.15 cm/s 下，爆破振動(dòng)控制要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)嚴(yán)格于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9]。雖然電子雷管在合理地控制延時(shí)時(shí)間條件下可有效降低爆破震動(dòng)，但是電子雷管精確延時(shí)減震效果與作業(yè)場(chǎng)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(shí)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(shí)延時(shí)間，通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)得出了最優(yōu)的時(shí)延時(shí)間，滿足了工程爆破施工所要求的爆破振動(dòng)控制要求。

1 工程概況

大旺塘石灰石礦山主要采用深孔臺(tái)階爆破開采方式，臺(tái)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(gè)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(tái)高程的降低，尤其在3#山外圍爆區(qū)的爆破振動(dòng)較大。

爆破試驗(yàn)區(qū)域?yàn)榭拷迩f一側(cè)的外圍爆破，在3#山區(qū)域進(jìn)行爆破監(jiān)測(cè)。由于爆破后沖向的爆破振動(dòng)大于爆破拋擲方向或側(cè)邊方向振動(dòng)值，因此為控制爆破振動(dòng)，應(yīng)避免爆破拋擲方向背向3#山山體，爆破設(shè)計(jì)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(cè)爆破振動(dòng)對(duì)周邊民房的影響，現(xiàn)場(chǎng)共布置6 個(gè)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用Blast-UM 型爆破測(cè)振儀監(jiān)測(cè)爆破振速及波形圖，為后續(xù)爆破減震提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。按照爆破作業(yè)區(qū)域和防護(hù)對(duì)象的相對(duì)位置，6 個(gè)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在3#山山體邊坡西、北2 個(gè)方向各設(shè)置3 個(gè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)垂直方向、水平方向和水平切向振動(dòng)數(shù)據(jù)。

測(cè)點(diǎn)布置時(shí)，爆心距的測(cè)量采用激光測(cè)距儀。振動(dòng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)爆破測(cè)振儀提取后，輸出給后臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)自主開發(fā)的爆破振動(dòng)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。

2 精確時(shí)延爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)及波形分析

2.1 爆破參數(shù)

爆破試驗(yàn)具體地點(diǎn)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(jì)如圖1，臺(tái)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(gè)，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(jì)單耗0.46～0.52 kg/m3，單段最大起爆藥量85 kg，設(shè)計(jì)堵塞長(zhǎng)度3.5、4.0 m。

圖1 導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

按照上述減震試驗(yàn)爆破設(shè)計(jì)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(dòng)監(jiān)測(cè)分析

為了和以前的導(dǎo)爆管網(wǎng)絡(luò)對(duì)比，第1 組試驗(yàn)方案保持原有非電雷管爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，僅僅調(diào)整延時(shí)參數(shù)設(shè)置，并對(duì)周圍的構(gòu)筑物進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，導(dǎo)爆管雷管250 m 處振動(dòng)波形圖如圖2。電子起爆網(wǎng)絡(luò)中將起爆點(diǎn)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(shí)際情況再逐步加大炮孔數(shù)量，同時(shí)逐漸擴(kuò)大孔間延時(shí)，分別為25、34、42、65 ms。電子雷管振動(dòng)波形圖如圖3。

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

圖3 電子雷管振動(dòng)波形圖（一端起爆，孔間25ms，排間65ms）

對(duì)比圖2 和圖3 可知，保持原有的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，僅僅調(diào)整延時(shí)參數(shù)設(shè)置時(shí)，250 m 處振動(dòng)峰值由0.30 cm/s 降低到0.26 cm/s，說(shuō)明電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)的誘發(fā)振動(dòng)相對(duì)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(dòng)，還需對(duì)延時(shí)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(dòng)曲線如圖4～圖6，不同延時(shí)起爆網(wǎng)絡(luò)下的民房處的爆破振動(dòng)峰值對(duì)比如圖7。

圖4 孔間延期34 ms，9 個(gè)炮孔典型測(cè)點(diǎn)振動(dòng)

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用孔間34 ms 延時(shí)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(shí)設(shè)計(jì)條件下的爆破振動(dòng)低72.5%，比25 ms 延時(shí)電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)降低44.2%，試驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明電子雷管在爆破減震方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖5 孔間延期42 ms，9 個(gè)炮孔典型測(cè)點(diǎn)振動(dòng)

圖6 孔間延期65 ms，9 個(gè)炮孔典型測(cè)點(diǎn)振動(dòng)

圖7 不同延時(shí)網(wǎng)絡(luò)下的民房處的爆破振動(dòng)峰值對(duì)比

圖7 中一端起爆的4 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，電子雷管爆破減震效果與延期時(shí)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(yàn)條件下，在相同的爆心距處監(jiān)測(cè)到的爆破振動(dòng)峰值在延期時(shí)間34 ms 附近有1 個(gè)最小值，采用34 ms 延期時(shí)間設(shè)計(jì)方案可以避免不同炮孔誘發(fā)振動(dòng)波形的過(guò)度疊加，有效地降低了爆破振動(dòng)峰值，從而獲得最佳的爆破減震效果。

以第4 次試驗(yàn)為例，該次試驗(yàn)包含9 個(gè)炮孔，采用孔間延期42 ms、排間延期100 ms 的爆破設(shè)計(jì)。對(duì)3#測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)信息采用頻譜分析程序進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)爆破振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)明顯的9 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的波形，能譜曲線則更加明顯，測(cè)點(diǎn)典型波形頻譜分析圖略。

由波形頻譜分析可知：在孔間延時(shí)30～42 ms時(shí)，在30 m 處的3#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波形可以分開，避免相鄰爆破振動(dòng)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?yàn)榕砰g延時(shí)設(shè)計(jì)尚待改進(jìn)，尤其是第6、第7 號(hào)炮孔的起爆時(shí)間分別是第126 ms 和第142 ms 時(shí)刻起爆，這2 個(gè)炮孔延期間隔僅僅16 ms，后續(xù)爆破設(shè)計(jì)宜考慮避免前后排交錯(cuò)炮孔之間的延期間隔過(guò)短?；诖耍瑢⑾噜徠鸨诳椎难悠陂g隔時(shí)間設(shè)置為30～42 ms，該延期設(shè)計(jì)可避免前后排交錯(cuò)炮孔之間的延期間隔過(guò)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(shí)精度很好，誤差在±0.3 ms，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的±1.0 ms。

2.3 電子雷管爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化

采用高品質(zhì)的電子雷管，結(jié)合精確延時(shí)控制爆破技術(shù)，可以改善破碎效果，降低爆破振動(dòng)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(shí)設(shè)計(jì)需滿足以下3 個(gè)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(shí)現(xiàn)單孔單響、逐孔起爆，避免不同炮孔誘發(fā)振動(dòng)波形的波峰過(guò)度疊加，有效地降低爆破震動(dòng)有害效應(yīng)?；诖?，可以對(duì)上述爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在當(dāng)前的爆破參數(shù)下爆破振動(dòng)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(guò)設(shè)置合理延時(shí)（孔間延期34 ms，排間65 ms），把爆破規(guī)模從9 個(gè)炮孔（765 kg）提高66.7%到15 個(gè)炮孔（1 275 kg），民房處的爆破振動(dòng)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(yǔ)

1）與導(dǎo)爆管相比，電子雷管由于其延時(shí)極為精確，在降低起爆網(wǎng)絡(luò)誘發(fā)振動(dòng)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，能大幅降低爆破振動(dòng)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(shí)間的關(guān)系并不具有單調(diào)函數(shù)關(guān)系，在本次試驗(yàn)的爆破地質(zhì)條件下，其爆破振動(dòng)峰值在延期時(shí)間34 ms 附近有1 個(gè)最小值，采用34 ms 孔間延期時(shí)間設(shè)計(jì)方案可以避免不同炮孔誘發(fā)振動(dòng)波形的過(guò)度疊加，有效地降低爆破振動(dòng)峰值，從而獲得最佳的爆破減震效果。

3）通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)波形進(jìn)行頻譜分析，證明了前后排交錯(cuò)炮孔之間的延期間隔過(guò)短是造成的爆破振動(dòng)波形疊加的原因。在此基礎(chǔ)上，采用最佳的延期時(shí)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(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。