数码电子雷管不同延期时间爆破振动规律试验研究

王建华 陈能革 谢亮波 仪海豹 李二宝

（1．安徽马钢矿业资源集团有限公司南山矿业有限公司；2．安徽马钢矿业资源集团有限公司；3．马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司）

随着干扰降振理论逐渐发展，通过改变爆破工艺可以实现爆破振动波形的人为控制，使波峰及波谷叠加，达到降低爆破振动的目的。但是由于传统的导爆管雷管的延期精度低、误差大，难以精准控制微差时间，使干扰降振长期停留在理论阶段。随着电子雷管的出现，延期时间精度可以达到1 ms左右，且延期时间可以任意调整，实现分段起爆，使干扰降振成为可能。针对电子雷管干扰降振研究，许多学者已经做了大量工作［1-4］。杨育等［5］借助ANSYS/LSDYNA程序对不同延期起爆时间条件下台阶爆破产生的振动进行了数值模拟，发现浅孔台阶爆破中，爆破降振效果最佳的孔间延期时间为5 ms；在深孔台阶爆破中，爆破降振最佳的孔间延期时间为7～10 ms。杨年华等［6］监测单孔爆破振动，在分析单孔爆破振动波特性的基础上，根据单孔爆破获得峰值衰减、振动周期、传播速度等参数，提出了应用电子雷管精确设计起爆时差实现干扰降振，按单孔爆破振动波的半周期设计各药包起爆时差，产生群孔爆破振动峰值小于单独炮孔的爆破振动峰值。邱贤阳等［7］利用Matlab分析了不同微差间隔下2段叠加信号的时频特征，分析了段数、相邻振幅比和最大段药量位置对短微差爆破叠加信号降振效果的影响，相同微差间隔下随着段数的增加，叠加信号降能率逐渐增大，当段数达到一定数量后增加分段数，微差爆破的降振效果并不明显；微差爆破中相邻振幅比越接近1，降振效果越明显；最大段药量靠后的叠加信号降能率大于其他顺序。

然而，上述研究大多停留在理论阶段，未见基于现场爆破试验的分析研究。为此，本研究选取6种典型的炮孔延期方案，在试验矿山开展电子雷管干扰降振试验，对比爆区200 m范围内的爆破振动监测情况，对露天矿山爆破工艺炮孔延期方案进行优选。

1 精确延期干扰降振作用原理

在微差爆破中，利用爆破振动波相反相位振动的叠加来降低爆破振动的方法称为微差干扰降振。药包爆炸后，冲击振动波以毫秒级的时间间隔从爆源处开始传播，由于延期时间的存在，各振动波存在相位差，使不同段波形相互叠加，达到降低振动波幅值的目的，从而降低爆破振动强度。

理论上讲，当爆破延期时间为地震波的整数倍周期，即Δt=n T（n为整数，T为振动波的周期），则各延期药包爆炸会引起振动效应增强；当爆破的延期时间为非整数倍周期，即n等于1/2、1/3、…中的某个值，会使得各部分药包爆炸引起的振动效应比齐发爆破要低；而当延期时间大于3倍的地震波周期，即n＞3时，其实可以认为药包为单个起爆，各个药包爆炸引起的地震波是分开的，相互之间互不干扰，独立作用。已有研究成果表明［8-12］，当爆破的延迟时间为半周期，即Δt=T/2时，此时爆破的降振效果最佳，由于爆破振动波之间的相互干涉，得出叠加后振幅减小，但是叠加后振动时间比单个药包爆破振动时间要大；当延迟时间为3.5个周期，即Δt=3.5T时，各个爆破振动波的振幅不发生叠加，但振动时间会增大；而当延迟时间为1个周期时，即Δt=T时，叠加后的振动效果最为不利，此时引起的爆破振动波的振幅显著增大。采用数码电子雷管控制高精度延期间隔，优化确定最佳的微差时间以干扰降低爆破振动强度。

2 矿山概况及试验方案

2.1 试验矿山概况

试验矿山生产规模为300万t/a，年采剥总量为450万m3。主要岩性为次火山岩闪长玢岩和花岗闪长斑岩，普氏硬度系数f=8～15。采用潜孔钻机穿孔，钻孔孔径为200 mm；由于水孔较多，炮孔装填ϕ170 mm乳化炸药，单孔装药量约为240 kg。

矿山为典型的近城区矿山，周边环境复杂，对爆破作业要求较高。矿山采坑西北侧300 m为高精度仪器生产厂区；周边村庄环绕，其中西北侧280 m、东北侧580 m、南侧340 m均为村民聚集区；另外，采坑西侧1和1.5 km分别为高速公路收费站及高铁线路。

2.2 试验方案设置

为分析炮孔间延期时间对爆破振动的影响规律，结合露天矿山常用高精度导爆管雷管延期段别设置，选取8，16，24，32，48和72 ms共6种炮孔间延期方案，开展数码电子雷管不同延期时间下的爆破试验。试验炮孔沿台阶坡顶线布置，单孔装药量约240 kg。现场作业流程见图1。

共计开展4次单排孔现场试验，穿凿钻孔24个，消耗数码电子雷管48个，最大段装药量240 kg，乳化炸药总消耗量5 340 kg，总爆破方量为10 950 m3。试验方案汇总见表1。

2.3 爆破振动监测方案

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根据《爆破安全规程》相关规定及试验炮孔位置特点，在距离试验炮孔200 m范围内由近至远依次布置爆破振动监测点［13-17］，对不同炮孔延期方案监测数据进行对比分析。

3 试验结果及分析

提取爆破振动监测仪器X、Y、Z方向上的振动速度及合速度数据，绘制爆破振动速度随距离变化规律曲线（图2）。

由图2可知，随着与爆源距离逐渐加大，各测点的X、Y、Z方向的质点振动速度以及合速度皆表现为整体衰减趋势，且测点与爆区的距离越小，振动速度衰减越显著。相较于爆源远区（80～200 m），爆源近区（80 m范围内）振动衰减更加显著，随着距离增大，振动速度降低幅度逐渐减小。

为进一步探究不同延期时间下爆破振动速度变化规律，根据现场爆破振动监测数据，应用数理统计知识，分别采用萨道夫斯基公式［18-20］及指数函数Y=y0+A×exp（R0×x）（Y为爆破振动速度，x为爆心距，y0及A为系数）进行回归分析，得出爆破振动速度衰减规律，见表2、3。

基于萨道夫斯基公式及指数函数，分别绘制爆破振动速度随微差时间和距离R的变化曲线，见图3、图4。

对比不同距离下爆破振动速度变化规律可知，随着微差时间的增大，振动速度整体表现为先减小—后增大—再减小的波浪形变化规律。

注：Q表示最大段药量，kg；R表示距离，m；V表示爆破振动合速度，cm/s。

注：Y表示振动速度，cm/s；x表示距离，m。

由图3可知，距爆源40 m范围内，爆破振动速度最小的延期方案为24 ms，16 ms次之；距离爆源60 m范围内，爆破振动速度最小的延期方案为32 ms，72 ms次之。由图4可知，距爆源40 m范围内，爆破振动速度最小的延期方案为16 ms，32 ms次之；距离爆源60 m范围内，爆破振动速度最小的延期方案为32 ms，72 ms次之；2种回归分析方案在与爆源不同距离范围时，爆破振动速度最大的延期方案皆为48 ms。

4 结论

（1）开展6种炮孔延期方案下的数码电子雷管现场爆破试验，结果表明，随着与爆源距离逐渐加大，各测点的振动速度皆表现为整体衰减趋势，且相较于爆源远区（80～200 m），爆源近区（80 m范围内）振动速度衰减更加显著，随着距离增大，振动速度降低幅度逐渐减小。

（2）根据爆破振动监测数据，通过回归分析，分别得出不同延期方案下的爆破振动速度变化规律，进一步得出随着微差时间的增大，振动速度整体表现为先减小—后增大—再减小的波浪形变化规律。

（3）根据萨道夫斯基回归分析公式可知，距爆源40 m范围内，爆破振动速度最小的延期方案为24 ms，16 ms次之；距离爆源60 m范围内，爆破振动速度最小的延期方案为32 ms，72 ms次之；根据指数函数回归分析公式可知，距爆源40 m范围内，爆破振动速度最小的延期方案为16 ms，32 ms次之；距离爆源60 m范围内，爆破振动速度最小的延期方案为32 ms，72 ms次之；2种回归分析方案在与爆源不同距离范围时，爆破振动速度最大的延期方案皆为48 ms。