孟 彪，賈世杰，趙國強(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)代工程實踐中，特別是近現(xiàn)代人類工程活動促使爆破理論不斷發(fā)展完善，僅對常見爆破技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分類大概為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）延時爆破；（13）拆除爆破；（14）特種爆破。近年來隨著電子技術(shù)發(fā)展應(yīng)用于爆破領(lǐng)域，電子雷管的出現(xiàn)為精確延時爆破提供了前所未有的廣闊空間，也為分析起爆時間對爆破效果的影響提供了基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外對精確延時破巖機(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)用流體動力學(xué)基本觀點等原理闡述爆破機(jī)理。

國內(nèi)外對延時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、流體動力學(xué)理論和能量理論等開展研究，并對延時爆破時間控制，巖石破碎效果，不同應(yīng)力場應(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

精確延時爆破主要有2類，一類是導(dǎo)爆管精確延時，起爆網(wǎng)絡(luò)如圖1所示；另一類是電子雷管精確延時，起爆網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。導(dǎo)爆管精確延時全部由導(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)到延時控制。電子雷管精確延時主要依靠數(shù)碼電子雷管自身產(chǎn)品性能實現(xiàn)延時控制。

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)精確延時爆破多使用數(shù)碼電子雷管，數(shù)碼電子雷管通過安裝PBC電路板專業(yè)集成芯片實現(xiàn)延時控制，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，延時精度一般可達(dá)到1 ms。數(shù)碼電子雷管精確延時爆破技術(shù)主要是利用電子雷管延時時間精度來控制相鄰炮孔間起爆時間來減小爆破振動的危害，提高炸藥利用率，達(dá)到爆破目的。目前合理的延時時間選擇還沒用公認(rèn)的理論公式，多采用前人研究的經(jīng)驗公式和實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拉拔式的拔鉛方式和改動套管達(dá)到影響集成電子元件。藥芯不同對延期元件的延時精度有不同的影響，每個電子雷管都具有唯一密匙，沒有密匙，傳統(tǒng)的電池、起爆器以及220 V交直流電均無法起爆電子雷管，只能使用專用設(shè)備起爆，并且通過指令可以對爆破時間、爆破區(qū)域、爆破單位體主動控制。

圖3 數(shù)碼電子雷管延期裝置圖

因為電子雷管在起爆控制延時時間精度高，安全性好，人為設(shè)置、優(yōu)化爆破參數(shù)可控性強(qiáng)；同時，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，所以在精確延時爆破中電子雷管被廣泛使用。精確延時爆破目的是通過延期爆破時間的間隔來優(yōu)化爆破參數(shù)設(shè)置，實現(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)者研究內(nèi)容。巖石作為一種拉壓比較低的材料，其在爆破破碎過程中誘因復(fù)雜，炸藥能量釋放與巖體破碎時間極短，靜力學(xué)與巖石動力學(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、高壓氣體通過膨脹作用到相鄰圍巖上，藥包爆炸產(chǎn)生氣體同時產(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，微觀裂紋快速擴(kuò)展至宏觀裂隙。在該理論中，巖體破壞過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；與此同時高溫、高壓氣體壓縮巖石產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變速率增長對巖石強(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、高壓氣體和高速沖擊波會劇烈沖擊圍巖引起應(yīng)力波，一般情況下應(yīng)力波強(qiáng)度會大大超過巖石抗壓強(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，但在炮孔連線的垂直方向上拉應(yīng)力降低。應(yīng)力波傳播過程中能量衰減，經(jīng)過破碎圈后，由于應(yīng)力波強(qiáng)度降低，巖石不能被直接破碎，應(yīng)力波會繼續(xù)向自由面?zhèn)鞑?。?dāng)它到達(dá)自由表面時，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。此觀點認(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。對這兩者都有一定的研究基礎(chǔ)，但因為爆炸的瞬發(fā)性、復(fù)雜性和模糊性對研究的制約使得這2種理論都有欠缺之處。兩者各取所長結(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)力波峰值也會不同，膨脹氣體與巖體作用時間長短等因素都影響爆破效果，可通過控制兩者到達(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)致巖體開裂脫落。

3 延時時間的確定

精確延時爆破時間的確定紛繁復(fù)雜，由于爆破的特性決定了爆破延時時間的精確，確定較為困難。精確延時逐孔起爆技術(shù)具有良好的實際應(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時間理論，這些理論對確定延時時間提供了基礎(chǔ)，眾多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正得出各自的延時時間確定方法。通過優(yōu)化延期時間控制爆破震動，這種爆破振動控制技術(shù)改善了保護(hù)物的安全性，同時又提高了爆破破巖效果[7]。本文闡述以下4種較為公認(rèn)延時時間確定方法。

3.1 按應(yīng)力波疊加原理確定時間間隔

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。該時間段是后續(xù)爆炸獲得較好爆破效果的最佳爆破時間。由此確定延遲時間的公式（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]研究了不同延遲時間波形的疊加，通過爆炸應(yīng)變波能量的疊加確定了可以延長相鄰炮孔巖體的應(yīng)力時間，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)以形成此裂縫的時間作為延時時間，由此得出計算公式（2）：

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

樓曉明等[9]對哈努卡耶夫提出的微差爆破延遲時間經(jīng)驗公式進(jìn)行了修正，從理論上得到了最佳延遲時間的數(shù)學(xué)模型；通過微差爆破試驗，驗證了所建立的延遲時間模型與試驗結(jié)果的一致性。劉翔宇等[10]結(jié)合現(xiàn)場試驗數(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間函數(shù)。通過對波速和時間函數(shù)的疊加計算，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間

這一觀點是大量研究人員通過眾多工程實踐經(jīng)驗總結(jié)得出。他們認(rèn)為，爆破延遲的延時時間與巖石材料性質(zhì)密切相關(guān)，最小抵抗線和爆破參數(shù)對延時時間起決定性作用。由此波克羅夫斯基提出了最佳延遲時間公式（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，m。

3.4 為改善爆破效果確定間隔時間

該方法是控制爆破均勻塊度作為爆破目標(biāo)?？组g延時對爆破效果有著十分重要的影響，不同孔間延時對應(yīng)爆破后的巖石最大塊度尺寸和大塊率均不同[11]。瑞典通過工程實踐蘭格福斯總結(jié)得出，最小抵抗線在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)得出計算公式（4）與（5）：

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

式中：k-綜合因素影響系數(shù)取（1～2）；通常取15～75 ms，自由面少，孔深時取100 ms。

ORICA公司通過試驗和數(shù)據(jù)得出的爆破塊度與孔間延時時間經(jīng)驗曲線如圖4所示?？梢缘贸?，炮孔間最佳延期時間為每米孔距3～8 ms時破碎效果最佳，對于巖石硬度較低且?guī)r性較軟的巖石，孔間延期時間取大值，反之取小值。依照此孔距延期時間范圍結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況合理調(diào)整延期時間，可取得最佳爆破效果。

圖4 爆破塊度與孔間延時時間經(jīng)驗曲線

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)值模擬來研究爆破機(jī)理相關(guān)問題。數(shù)值模擬在研究爆破機(jī)理上有其獨特優(yōu)勢，在預(yù)測和分析上具有不可替代作用。在結(jié)合動靜力學(xué)等理論衍生出各種各樣的研究手段被用來分析應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，應(yīng)力增長與巖石破壞的關(guān)系，應(yīng)變增長對應(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]在分析開挖過程原巖應(yīng)力與破壞區(qū)的關(guān)系時，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挖破壞區(qū)主要由原巖應(yīng)力控制。魏晨慧等[14]通過數(shù)值模擬揭示了當(dāng)最大主應(yīng)力垂直于切槽時，爆破裂紋擴(kuò)展會被大幅度抑制。G.W.Ma和X.M.An[15]通過預(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]通過原巖應(yīng)力對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)力對炮孔周圍巖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，確立了露天臺階爆破延期時間的選擇。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)測模型。施建俊等[22]應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對爆破振速進(jìn)行預(yù)測，顯示了高程差對爆破振動的作用影響。Jian Zhou等[23]通過對RF和BN模型對比，總結(jié)出FSRF新的爆破振動速度預(yù)測模型，預(yù)測結(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)測模型，通過現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)對爆破振動速度進(jìn)行預(yù)測，得到的結(jié)果相比經(jīng)驗公式精確度大幅提高。岳中文等[25]建立了基于PCAGA－SVM的露天礦爆破振動速度預(yù)測新模型，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方法對不同地應(yīng)力條件下巖石的爆破破巖問題進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了地應(yīng)力對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)雜的破巖過程奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

爆破精確延時破巖機(jī)理和時間間隔一直是爆破領(lǐng)域研究的熱點。當(dāng)前對精確延時爆破機(jī)理還未能完全研究清楚，眾多學(xué)者通過已有基礎(chǔ)構(gòu)建模型研究爆破機(jī)理。近年來，隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)深度不斷加劇，高應(yīng)力區(qū)精確延時破巖機(jī)理研究成為新的亟需解決的問題，但目前還尚未形成完整統(tǒng)一的精確延時破巖機(jī)理理論。精確延時時間的確定直接影響了工程爆破效果，怎樣確定最優(yōu)爆破時間，優(yōu)化爆破參數(shù)設(shè)置的研究是一個較為復(fù)雜的過程，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影響延時時間的確定。同時，采用數(shù)值模擬等新方法研究爆破領(lǐng)域問題也不斷取得新進(jìn)展，對理解破巖機(jī)理和精確延時有一定效果，對模型結(jié)果的預(yù)測與驗證有一定優(yōu)勢，但數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果也具有一定不穩(wěn)定因素。因此，系統(tǒng)性解決精確延時破巖機(jī)理已成為爆破領(lǐng)域研究的緊迫任務(wù)。