相志斌，杨仕教，蒲成志，朱忠华，郑建礼

(1.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001；2.广东锡源爆破科技股份有限公司，广东 惠州 516000)

随着电子雷管技术不断发展与完善，数码电子雷管的推广和普及成为必然趋势。数码电子雷管的优点在于起爆网络的安全控制和微差时间的精确控制。但工程上“微差时间”主要依据操作人员经验或经验公式确定，很难发挥数字式雷管的优点来改善爆破效果，反而增加了起爆器材成本。数码电子雷管的推广使用首先需要在理论上提供精确的“微差时间”，探索爆破效果最优化的“微差时间”确定方法是发挥数字式雷管优点的基础。郑俊杰等[1]认为合理的微差时间能够改善爆破效果，降低成本；李洪涛等[2]通过研究等效峰值能量对建筑物爆破振动影响，指出峰值速度可作为最佳延期时间判断指标；段海峰等[3]根据平抛模型对微差时间的计算以最小补偿空间为基本原则，认为岩石移动初速度的大小决定了微差时间的大小；钟冬望等[4]认为合理微差延期时间往往不是某一具体值，而是一个或多个时间区间，不同爆芯距处合理微差延期时间值不同；LU等[5]通过研究爆破过程中振动波引起岩体质点模型结构响应规律，确定最佳延期时间;吴贤振等[6]得到了爆炸过程中采空区顶板观测点的振动速度-时间曲线及振速峰值，认为微差间隔时间为28 ms，即7 ms/m时干涉减振效果最优。

本文在确定一个微差时间范围后，研究不同爆破方案微差时间在1 ms时间差范围内对爆破振动的影响，最后从微差时间段选出一个最优微差时间作为小径湾现场爆破试验的微差时间。

1 孔间微差时间的确定

目前确定孔间微差时间主要有经验理论模型和半经验半理论模型。经验理论模型主要包括底盘抵抗线法、兰格福斯法;半经验半理论模型包括根据自由面形成原理、哈努卡耶夫计算方法、应力波干涉假说、地震效应假说。

然而在大爆区中采用微差起爆技术时，如果能保证先爆孔为后爆孔创造良好的自由面条件，可大大改善爆破效果。先爆的炮孔形成爆破漏斗，与围岩已明显脱离的瞬间再起爆后组炮孔，后组药包的爆炸是在前一组药包所爆破的岩体已部分破坏，但在岩体中引起的应力还未消失的瞬间发生的。后组药包是在岩体已松动的条件下起爆的，此时被爆岩体产生了新的自由面，利用前组爆破所产生的剩余应力进行补充破碎，以提高爆破效率。形成新自由面所需时间为开始移动时间，加上爆区岩石脱离岩体的时间，以此作为合理微差间隔时间。

根据自由面形成原理建立的延迟时间，计算方法见式(1)。

Δt=t1+t2+t3=

(1)

式中：t1为爆破后初始应力场从炮孔发展到自由面的时间，ms；t2为从开始产生裂缝到漏斗边缘裂隙扩展至自由面的时间，ms；t3为从岩块开始移动到形成一定宽度裂隙的时间，ms；w为抵抗线，m；db为炮孔直径，m；u为漏斗角，(°)；ρ为岩石密度，kg/m3；Vp为岩石纵波波速，m/s；Zc为岩石裂隙系数，Zc<1.0；Vc为岩石中爆生裂隙的平均扩展速度，m/s；kt为试验时间常数。

上述计算微差间隔时间的方法适用于完整岩体的参数，而且炸药单耗通过爆破漏斗试验确定，只有在相对完整的岩体内，爆破漏斗与炸药单耗才有一定的规律性，因此将其用于完整岩体中微差爆破时微差时间的计算。结合小径湾现场实际，所得数据见表1。

应用理论公式推导，得到所需微差时间为9～15 ms。

表1 计算参数

2 数值模拟

2.1 数值模拟实验方案设计

由于本次模拟最终是服务于小径湾现场爆破工程，所以数值模拟试验方案也参照现场实际尺寸，本次模拟主要为了得到位于炮孔西北角12 m处的爆破振动速度变化表。本次模拟试验方案共有7种，主要变量是孔间微差时间，其他的参数不变。按照孔间微差时间的不同，7种试验方案按照微差时间为9 ms、10 ms、11 ms、12 ms、13 ms、14 ms、15 ms进行数值模拟。

2.2 材料参数

通过勘察报告得知，小径湾岩石为花岗岩，花岗岩体为各向异性、非连续、非均质的介质，采用弹塑性材料模型[7-8]，建模中需要用到岩石力学参数来描述模型中材料的性质，按照实际需要对花岗岩的物理力学参数进行试验测定及计算。采用LS-DYNA中的爆轰模拟功能产生爆破地震波。爆炸对围岩产生的压力作用采用爆轰过程的JWL状态方程来模拟，炸药的主要材料参数见表2。岩石采用各向同性的随动硬化塑性材料。这种材料非常有效，且适合实体单元。岩石材料参数见表3。空气材料参数见表4。

炸药与空气采用ALE算法，岩石采用Lagranges算法，要进行流固耦合分析，需要把岩石与空气和炸药进行分离，再把空气和炸药共节点处理。

2.3 计算模型

模型尺寸为16.4 m×10.4 m×12 m，炮孔孔深12 m，装药7.5 m，填塞4.5 m，采用连续装药，起爆点设置在距离炮孔底部0.64 m处，排间为42 ms，孔距设置为2.6 m，排距2.2 m。为了节约计算时间，岩石网格划分尺寸为0.16 m×0.16 m，炸药网格尺寸为0.06 m×0.06 m，三维实体模型网格划分结果如图1所示。

表2 炸药材料参数

表3 岩石材料参数

表4 空气材料参数

图1 三维实体网格Fig.1 3D solid grid

2.4 模拟分析

数值模拟区域距离爆破区域西北方向12 m处的振动速度，孔间微差时间模拟9 ms的振动速度见图2，孔间微差时间模拟15 ms的振动速度见图3，其余各个微差时间的最大振动速度见表5。

图2 9 ms振动速度表Fig.2 9 ms vibration speed meter

图3 15 ms振动速度表Fig.3 15 ms vibration speed meter

表5 各个孔间微差时间的最大振动速度表

Table 5 Table of the maximum vibration speed for the millisecond time between each hole

孔间微差时间/ms91011121314151617最大振动速度/(m/s)5.35.25.05.135.14.74.54.85.0

对比7个不同孔间微差时间的最大振动速度，应用Origin软件做出各微差时间的最大速度与微差时间关系图(图4)。如图4所示,可以得出1 ms的时间差带来的振动速度变化在0.9%～8.1%之间，2 ms的时间差带来的振动速度变化在2%～13%之间，可得出1 ms的时间差对爆破振动速度的影响还是很大的。数值模拟得到当孔间微差时间为15 ms时爆破振动速度最小，15 ms时的最大速度为4.5 m/s，根据爆破振动安全允许标准，该点最大速度满足现场爆破试验要求，所以选用15 ms作为孔间起爆时间进行现场试验。

3 现场试验

爆破现场位于华润小径湾，爆破现场周边环境复杂。此次爆破共分为两个爆破区。第一爆破区炮孔西北方向55 m有变压器，高差15 m。炮孔正北方向50 m有在建华润档案馆，炮孔东北方向及南边有工棚和民工宿舍，距离大约有30 m，炮孔西南方向50 m处有2栋投入使用的大楼，炮孔东边50 m有一个正在施工的基坑。第二爆破区位于第一爆破区的北方向，两爆破区域爆破间隔时间2 s，距离大约有40 m。炮孔西北方向12 m有在建华润档案馆，正西10 m方向有变压器，正东10 m方向有工棚。1号监测点在炮孔西南偏方向25 m处，相对高差3 m。2号监测点在炮孔西北方向12 m处，相对于高差0 m。3号监测点在炮孔西南方向42 m处，相对于炮孔高差1 m。爆破现场平面图见图5。

图4 1 ms级最大振动速度与孔间微差时间折线图Fig.4 1 ms level maximum vibration speed and millisecond time between holes

图5 爆破区域平面图Fig.5 Blasting area plan

爆破区域孔距2.6 m，排距2.2 m，炮孔直径76 mm，炮孔孔深11.1～12.8 m，炮孔堵塞长度4.5～5 m，炸药单耗0.41，孔间微差时间15 ms。均采用2号岩石乳化炸药，数码电子雷管起爆，采用连续装药，本次爆破受场地周边环境条件影响，以减震、控制飞石、控制块度为主要目的，采用松动爆破。爆破区域炮孔布置图见图6。

图6 炮孔布置图Fig.6 Hole arrangement

综合现场3个监测点的最大振动速度见表6。本文主要分析2号监测点对第二爆破区的监测数据，因为数值模拟也是模拟第二爆破区2号监测点的振动速度，数值模拟与2号监测点都是距离爆破区西北方向12 m处，2号监测点振动数据见图7。

图7 2号点监测数据Fig.7 No.2 monitoring data

表6 3个监测点的最大振动速度表

由图7可以得出，实测最大速度为5.32 m/s，之前图3数值模拟15 ms最大振动速度为4.5 m/s，实测最大速度与数值模拟最大速度误差在20%以内。现场起爆方式采用松动爆破，电子雷管起爆，对微差起爆时间的优化计算选择，使得爆破振动速度满足安全允许标准，对今后类似的爆破工程具有重要的参考价值。

4 结 论

通过对微差时间在1 ms精度范围内爆破振动的计算，得出在高精度的爆破工程中1 ms和2 ms的时间差对于爆破振动的影响也是很大的，振动速度变化分别为0.9%～8.1%和2%～13%。孔间微差时间9 ms、10 ms、11 ms、12 ms、13 ms、14 ms,数值模拟振动速度对比发现，15 ms的爆破振动速度最小。且孔间微差时间为15 ms时现场爆破试验实测最大速度与数值模拟最大速度符合爆破振动安全允许标准，满足爆破安全需要。

通过对微差时间1 ms精度范围爆破振动的研究，对实现电子雷管高精度的起爆尤其是控制爆破振动具有重要意义，也对电子雷管的推广有很大的现实意义。