郭 侃，雷 戰(zhàn)，艾 欣，李洪偉，吳立輝，王 蕾，聶華君

(1.安徽銅陵海螺水泥有限公司，安徽 銅陵 244000；2.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.齊魯理工學(xué)院計(jì)算科學(xué)與信息工程學(xué)院，濟(jì)南 250200)

深孔爆破技術(shù)是現(xiàn)代爆破常用的技術(shù)手段，尤其是礦山深孔爆破根據(jù)工程要求目前發(fā)展了毫秒延時(shí)爆破、預(yù)裂爆破、光面爆破、擠壓爆破等多種爆破技術(shù)，而這些爆破技術(shù)的應(yīng)用均涉及到延時(shí)時(shí)間的選擇問題[1]。延時(shí)爆破相對(duì)于傳統(tǒng)爆破技術(shù)在提高巖石破碎率、降低爆破振動(dòng)、降低炸藥單耗、提高爆破效果和炸藥能量利用率等方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代工程爆破(露天爆破、井巷掘進(jìn)爆破、拆除爆破等)領(lǐng)域[2-3]。

對(duì)于延時(shí)爆破理論，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了許多研究，但至今沒有統(tǒng)一的定論，目前可認(rèn)為主要存在以下方面的觀點(diǎn)：①新自由面增多；②應(yīng)力波疊加；③輔助破碎作用；④地震波的干擾[4]。國內(nèi)外學(xué)者在此基礎(chǔ)上展開了對(duì)延時(shí)爆破延時(shí)時(shí)間及爆破效果的研究。樓曉明等[5-6]通過理論分析計(jì)算對(duì)哈努卡耶夫提出的延時(shí)控制半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正，提出了新的延時(shí)爆破延時(shí)時(shí)間選取的理論模型并加以驗(yàn)證，結(jié)果表明理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。凌同華等[7]基于小波變換的時(shí)-能分布的方法有效地確定了爆破中所用雷管的實(shí)際延時(shí)時(shí)間，對(duì)綜合研究爆破機(jī)理和降低爆破地震波有重要指導(dǎo)意義。付天光等[8]詳細(xì)論述了逐孔起爆延時(shí)爆破技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)并結(jié)合礦山爆破工程實(shí)踐數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這一技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。張奇等[9]利用分形理論研究了巖石爆破的破碎時(shí)間選擇問題，并提出了一種巖石爆破破碎時(shí)間的計(jì)算方法和延時(shí)起爆延時(shí)優(yōu)化的一種途徑。

上述研究在巖石延時(shí)爆破理論分析和工程應(yīng)用方面提供了重要參考價(jià)值，但目前對(duì)于巖石延時(shí)爆破合理間隔時(shí)間的理論研究尚不充分，巖石爆破延時(shí)時(shí)間的理論研究滯后于工程實(shí)踐的矛盾突出，因此延時(shí)爆破技術(shù)有待遇于一步深入研究。筆者通過制作混凝土砂漿材料延時(shí)爆破實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)不同延時(shí)時(shí)間間隔下巖石爆破裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了研究，并利用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變大小進(jìn)行了測(cè)量分析，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 模型的建立

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型尺寸大小為：長700 mm、寬700 mm、高300 mm。本實(shí)驗(yàn)共布置4個(gè)炮孔(見圖1)，其中炮孔1距離兩側(cè)自由邊界20 cm，炮孔1和炮孔3為同排炮孔，炮孔2和炮孔4為同排炮孔，炮孔孔間距25 cm，排間距20 cm。實(shí)驗(yàn)選用DDNP(二硝基重氮酚C6H2(NO2)2ON2)炸藥，裝藥直徑均為6 mm，裝藥高度10 cm，填塞材料采用自制炮泥，填塞長度5 cm。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)

1)混凝土試樣參數(shù)。通過單炮孔混凝土爆破實(shí)驗(yàn)，研究不同起爆方式對(duì)巖石柱狀裝藥爆破效果的影響，實(shí)驗(yàn)所制混凝土試樣參數(shù)[10]如表1所示。

表1 混凝土試樣參數(shù)

1.3 巖石延時(shí)爆破實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)通過觀察不同延時(shí)時(shí)間起爆下巖石爆破裂紋擴(kuò)展過程，分析研究得到其在不同延時(shí)時(shí)間下巖石裂紋擴(kuò)展特性及爆破效果，合理選擇延時(shí)時(shí)間，并用來指導(dǎo)工程實(shí)踐，為此我們制定了以下延時(shí)爆破方案：

①水泥砂漿試件炮孔同時(shí)起爆(延時(shí)0 s)；

②水泥砂漿試件炮孔逐排起爆，延時(shí)分別為100、300、500μs。

為達(dá)到微秒級(jí)延時(shí)時(shí)間，研制了一種多通道高精度延時(shí)起爆器，該設(shè)備主要包括電源、輸出電壓通道、電壓顯示屏、觸發(fā)開關(guān)、觸屏顯示器、高壓電容陣列版等裝置，該延時(shí)起爆器共8個(gè)通道，一次可同時(shí)對(duì)8個(gè)炮孔進(jìn)行同時(shí)或延時(shí)起爆，量程為0～64 ms，使用環(huán)境0～60 ℃，最高起爆電壓2 200 V，該設(shè)備通過計(jì)算機(jī)語言編制控制系統(tǒng)，理論精度為1 μs，具體如圖2所示。

1.4 試件應(yīng)變測(cè)試

由于水泥砂漿試件爆破采用的藥包較長，為了盡可能采集到更多數(shù)據(jù)和保證一定的精確度，超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀[11-13]選用的采樣率為10 000 kHz，采樣長度為160 K，橋壓大小設(shè)置為4 V，增益設(shè)置為100。具體應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)的位置分布如圖3所示。

圖3 應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)分布

2 結(jié)果與討論

2.1 不同延時(shí)時(shí)間起爆下巖石裂紋擴(kuò)展特性分析

由水泥砂漿試件同時(shí)起爆效果(見圖4)可以看出，試件起爆后共形成14條較明顯的裂紋，相鄰炮孔之間均相互貫通形成貫通裂紋(見圖4c裂紋1、2、3、4)，此處裂紋分析可知主要由炸藥爆炸應(yīng)力波拉伸斷裂產(chǎn)生；每個(gè)炮孔均和自由面形成斷裂裂紋(見圖4c裂紋5、7、8、10、11、12、14)，驗(yàn)證了自由面對(duì)巖石爆破裂紋擴(kuò)展方向和爆破破碎效果具有顯著影響；其余裂紋6、9、13主要由爆炸應(yīng)力波在自由面反射后的應(yīng)力波疊加產(chǎn)生[14-16]。通過圖4b可以看出，沿著最小抵抗線方向，破碎巖石在爆生氣體作用下被推動(dòng)拋擲一段距離，這與工程爆破實(shí)際情形相符合，但在同時(shí)起爆條件下水泥砂漿試件爆破破碎形成的塊度較大。

圖3 同時(shí)起爆試件爆破效果

由水泥砂漿試件在100 μs延時(shí)起爆效果(見圖5)可知，試件起爆后共形成13條較明顯的裂紋，與同時(shí)起爆相似，相鄰炮孔之間均相互貫通形成貫通裂紋(見圖5c裂紋1、2、3、4)；每個(gè)炮孔均和自由面形成斷裂裂紋(見圖5c裂紋5、7、8、10、11、13)；其余裂紋6、9、12主要由爆炸應(yīng)力波在自由面反射后的應(yīng)力波疊加產(chǎn)生。從爆破破碎效果可知，在100 μs延時(shí)起爆時(shí)水泥砂漿試件起爆效果略差于同時(shí)起爆，但在延時(shí)起爆條件下，在炮孔1、3先起爆，炮孔2、4后起爆在垂直自由面方向的上的裂紋擴(kuò)展更加明顯。

圖5 間隔100μs試件爆破效果

由水泥砂漿試件在300 μs延時(shí)起爆效果(見圖6)可知，試件起爆后共形成13條較明顯的裂紋，相鄰炮孔之間均相互貫通形成貫通裂紋(見圖6c裂紋1、2、3、4)；每個(gè)炮孔均和自由面形成斷裂裂紋(見圖6c裂紋5、7、10、11、13)；其余裂紋6、8、9、12主要由爆炸應(yīng)力波在自由面反射后的應(yīng)力波疊加產(chǎn)生。從爆破破碎效果可知，在300 μs延時(shí)起爆時(shí)水泥砂漿試件爆生裂紋擴(kuò)展規(guī)律和100 μs延時(shí)起爆時(shí)類似，產(chǎn)生的主裂紋數(shù)相同，但在300 μs延時(shí)起爆條件下，水泥砂漿試件爆生裂紋10、11、12不明顯且未擴(kuò)展到達(dá)自由面，因此產(chǎn)生的大塊較大，爆破效果較差。

圖6 間隔300μs試件爆破效果

由水泥砂漿試件在500 μs延時(shí)起爆效果(見圖7)可知，試件起爆后共形成13條較明顯的裂紋，與圖5、圖6相似，相鄰炮孔之間均相互貫通形成貫通裂紋(見圖7c裂紋1、2、3、4)；每個(gè)炮孔均和自由面形成垂直裂紋(見圖7c裂紋6、7、9、11、13)；其余裂紋5、8、10、12主要由爆炸應(yīng)力波在自由面反射后的應(yīng)力波疊加產(chǎn)生。從爆破破碎效果可知，在500 μs延時(shí)起爆時(shí)水泥砂漿試件爆生裂紋擴(kuò)展規(guī)律和100、300 μs延時(shí)起爆時(shí)類似，產(chǎn)生的主裂紋數(shù)相同，但在500 μs延時(shí)起爆條件下，水泥砂漿試件爆生裂紋均能擴(kuò)展到達(dá)自由面，爆破充分，且爆破產(chǎn)生的小塊較多，爆破效果優(yōu)于100、300 μs延時(shí)起爆時(shí)的情形。

圖6 間隔500 μs試件爆破效果

2.2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與分析

由水泥砂漿試件應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)(見表2)可知，水泥砂漿試件各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變電壓值在12.796～13.441 V之間，總體來說，通道2和通道4、通道1和通道3、通道5和通道6、通道7和通道8所測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，這是由于他們分別和最近炮孔的距離相同，試件各測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)變值在0.064～0.067之間，從總體上來講，各通道應(yīng)變值大小排序基本符合規(guī)律：通道2、4>通道1、3>通道5、6>通道7、8，測(cè)點(diǎn)5、6距離炮孔3和1的大小均為10 cm，其平均峰值應(yīng)力分別對(duì)應(yīng)為183.04、181.59 MPa，測(cè)點(diǎn)7、8距離炮孔1和2的大小均為12.5 cm，其平均峰值應(yīng)力分別對(duì)應(yīng)為181.02、180.19 MPa，而炸藥爆炸在炮孔壁上產(chǎn)生的壓力為4 GPa，通過式(1)計(jì)算可知，在測(cè)點(diǎn)5、6應(yīng)力波的衰減系數(shù)均為0.88，在測(cè)點(diǎn)7、8應(yīng)力波的衰減系數(shù)均為0.83，由此說明，隨著距離的增大，應(yīng)力波峰值在衰減的同時(shí)，應(yīng)力波衰減系數(shù)也在逐漸減小，即應(yīng)力波衰減速度隨距離的增大呈逐漸降低的趨勢(shì)。

表2 水泥砂漿試件應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1)通過分析可知：4種情形下試件爆破產(chǎn)生的主裂紋總數(shù)目在13～14條之間，單炮孔產(chǎn)生的主裂紋數(shù)目在3～4條之間，且裂紋均能由炮孔擴(kuò)展至自由面，與同時(shí)起爆相比，逐排延時(shí)起爆后排炮孔(炮孔2、4)在垂直自由面方向裂紋擴(kuò)展的更加充分。

2)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，炮孔沿著最小抵抗線方向，微秒延時(shí)(100、300、500 μs)相對(duì)于同時(shí)起爆拋擲距離較短，表明微秒延時(shí)起爆時(shí)爆生氣體的推動(dòng)作用效果較弱，但在延時(shí)時(shí)間為500 μs起爆時(shí)試件破碎充分，爆破產(chǎn)生的小塊較多，爆破效果最優(yōu)。

3)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果表明：試件各測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)變值在0.064～0.067之間，且隨著距離的增大，應(yīng)力波衰減速度隨距離的增大呈逐漸降低的趨勢(shì)。