周敏，张云鹏,2，崔久云，王杰

(1. 华北理工大 学矿业工程学院,河北 唐山 063210；2. 河北省矿业开发与安全技术重点实验室, 河北 唐山 063210)

当前露天矿山台阶爆破减振的常用措施是微差爆破，通过控制炮孔孔间与排间的爆破延期时间促使各段爆破产生的振动相互干扰，从而降低爆破振动。由于之前普遍使用的导爆管雷管精度低、安全性差、存在误差较大逐渐被矿山企业所淘汰，而电子雷管具有精度高、安全性能好且能够根据矿山岩石的材料性质精准灵活地设置炮孔爆破延期时间等优点。但是电子雷管由于面市时间短，使用经验不足且缺少相关研究，当前矿山普遍按照导爆管雷管的爆破设计要求来使用电子雷管，导致未能达到其精准延时减振的目的。为此，许多专家学者针对数码雷管的爆破效应进行了广泛深入的研究。

侯义辉、陈航、王薇等[1]进行了最佳延时时间爆破减振研究，得出了不同延时时间对爆破减振效果影响的规律。钟冬望[2-6]等进行了基于精确延时控制的爆破降振方法，通过设置合理的孔间延期时间，采用逐孔起爆技术，能够实现分段振动干扰相消，实现错峰降振。张光雄等[7]研究了毫秒延时间隔时间的计算方法，但是对于毫秒延时间隔时间的合理设置并未形成统一的认识，对短毫秒延时的降振效果尚未明确[8-11]。大量研究表明，分段炮孔延时起爆是有效降低炮振的重要方法，而数码雷管的精确延时又为此方法提供了技术支持。该研究拟在通过数值模拟的方法模拟露天台阶爆破，通过单孔的波长设置合理的延时参数，探究数码雷管在露天台阶爆破减振延时时间。

1 参数设置与建模

1.1 模拟软件选择

目前能够对矿山爆破爆炸等问题进行研究的软件主要有DYTRAN、AUTODYN、 ABAQUS和 ANSYS/LS-DYNA。LS-DYNA作为世界上最著名的通用显示动力分析程序，能够对多种高难度复杂非线性问题进行分析，具有多种算法与多样的材料模型、状态方程、实体模型，对流固耦合及冲压成型等问题能够进行精准分析，适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性冲击问题。综合考虑露天台阶爆破的特点及各软件的优点及劣势，选用LS-DYNA软件模拟露天深孔爆破。

1.2 单元类型选择

LS-DYNA中为用户提供了大量的实体单元类型，包括杆、梁、板、壳刚体等多种类型。岩石及炸药都可采用SOLID164实体单元类型表示。在显示动力分析中SOLID164实体单元是一种具有8节点的单元，可用于模拟泡沫、橡胶及弹塑性体等20多种材料模型，适合模拟爆破工程中高应变、高压力与高速的复杂物理化学过程。

1.3 材料模型选择

由于岩体材料本身具有裂隙、节理构造与各向异性，在现有实验室条件下很难确定岩石参数。针对岩体复杂的材料参数力学特性，将岩体简化为各向同性的均质连续材料，有利于建立有限元模型并缩减计算求解过程。岩石材料研究选用弹塑性动力学模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，该模型考虑了材料的随动硬化和同性硬化，岩石材料参数见表1。

表1 岩石材料参数

(2)炸药材料模型

该项研究采用ANSYS/ LS-DYNA 提供的高性能炸药材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和描述爆生气体压力-体积关系的JWL状态方程。并通过添加关键字*INITIAL_DETINATION定义炸药的起爆时间与起爆点，炸药材料参数见表2。

表2 炸药材料和状态方程参数

(3)空气材料与填塞料模型

空气采用常用的*MAT_NULL材料模型*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程建立。此外额外添加*HOURGLASS为ALE流体定义粘性沙漏，沙漏系数1e-6，与适合炸药爆炸的ALE控制*CONTROL_ALE，填塞料选用*MAT_SOIL_AND_FOAM模型。

1.4 炮孔布置及参数设置

模拟露天台阶现场炮孔设计，为了分析孔数及孔间延期时间的影响，并为了减少建模时间，该项研究共设置了6个炮孔，如图1所示，炮孔布置平面图见图2。后续数值模拟分析将在k文件中通过修改*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BU替换为*MAT_PLASTIC_KINEMATIC将炮孔改为岩石，并添加用于控制起爆点及起爆时间的关键字*INITIAL_DETINATION模拟不同孔数及延期时间的爆破效果。孔径均为28 cm，采用粉状铵油炸药耦合装药方式，孔深均为17 m，孔间距为5 m，距台阶坡面为5 m。上部填塞为4 m，装药长为13 m，炮孔剖面见图3所示。

图1 炮孔布置图 图2 炮孔布置平面

图3 炮孔剖面图

2 数值模拟

首先在台阶间进行单炮孔及不同孔数与延期时间的数值模拟，通过K文件添加关键字*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，在炮孔4添加炸药，添加关键字*INITIAL_DETINATION，分别设置X、Y、Z的数值控制孔底起爆，设置LT值控制各炮孔的起爆时间。将其他炮孔添加*MAT_PLASTIC_KINEMATIC关键字替换为岩石，从而获得不同孔数与延期时间的台阶模型，通过LS-PrePost后处理程序提取数值模拟的各个监测点的振速波形图，获得单炮孔爆破的振速峰值及周期等数据。

2.1 单炮孔爆破数值模拟

将炮孔4设置为装药孔，添加*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN关键字，令X=500、Y=1 040、Z=1 040设置孔底起爆，LT=0将起爆时间设置为0 μs，计算过程中模型竖直方向振速随时间t变化形态如图4所示。

4.2.3 男性包皮环切 男性包皮环切是当前预防HIV感染另一种较为新型的干预手段，男性包皮环切可有效较少男性感染HIV的风险。有研究结果表明，男性包皮环切可减少男性异性性行为中72%的HIV感染风险［35］。WHO和美国均推荐将男性包皮环切作为预防HIV异性性传播重要的干预策略之一，并发布了手术指南。我国“十二五”期间，也对该技术的应用在国内展开评估。但受文化背景、宗教信仰等因素的影响，包皮环切的可接受性各地区有较大差异［36-37］。

图4 竖直方向振速随时间变化图

由图4可知：在炸药起爆3.0 ms后台阶顶面首先产生振动，这是由于孔底起爆台阶顶面是距离炸药最近的自由面，振动范围逐渐沿着炮孔向外传播。在炸药起爆后4.2 ms后台阶顶面已产生振动并向外传播了一段距离，且在顶面与坡面交界处产生反射波。在t=6.0 ms时振动波逐渐向台阶顶面远处传播，反射波与振动波干扰加强，此时振动波主要集中于台阶顶前端。在t=12.0 ms时振动波已传过台阶中部，前端振动逐渐减弱，反射波与振动波干扰进一步加强，成为引起台阶振动的主要因素。在t=30.0 ms时，台阶顶面中后部开始出现振动峰值，台阶前端振动逐渐减弱。在t=60 ms时露天台阶模型基本已无振动效果。

为了对单台阶单炮孔爆破振动效果进行科学全面地分析评价，通过LS-PrePost后处理程序分别提取距炮孔15 m处(242 768单元)、25 m处(252 235单元)、45 m处(242 818单元)、65 m处(242 851单元)、95 m处(242 900单元)各个监测点竖直振速时间历程曲线，各监测点见图5所示。

图5 测点布置图

各测点的峰值振动速度如图6所示。

由模型竖直方向振速随时间变化形态可得如表3所示测点数据。

表3 测点数据统计

综合分析图4、图6可得：

(1)针对数值模拟台阶模型及炮孔设计与装药结构参数设计，从各曲线的峰值振动速度图可以看出各测点的初始振动时间、出现峰值振速的数值及时间、单炮孔条件下的振动周期等。

(2)初始振动波在台阶坡面处发生反射并与原振动波发生干涉，所产生的振动波甚至强于初始振动波，表明振动波之间的干涉效应对爆破振动影响较大，且可合理利用振动波之间的干涉通过控制延期时间达到减小振动效果的目的。

2.2 双炮孔同时起爆数值模拟

将炮孔4与孔5设置为装药孔，添加*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN关键字，将孔4孔5的起爆时间设置为0 μs即双孔同时起爆，计算过程中模型竖直方向振速随时间变化形态如图7所示。

图7 竖直方向振速随时间变化图

通过图7可知：在t=2.4 ms时振动波开始传到台阶顶并逐渐向外传播；在t=6.0 ms时已经在台阶坡面处生成反射波并与初始振动波发生干涉；在t=12.0 ms时，干涉产生的振动波已经成为台阶振动的主要因素；在t=24.0 ms爆破产生的主要振动已传过台阶中部并于42.0 ms时传播至距(5)号炮孔90 m处；当t=60.0 ms时台阶虽有剩余振动但已基本无影响。

各测点的振速峰值如图8所示，测点位置同上。

由模型竖直方向振速随时间变化形态可得如表4所示测点数据。

表4 测点数据统计

2.3 双炮孔延期12 ms爆破数值模拟

由于振动波在岩石中的传播速度极快且孔距仅为5 m，故忽略孔距对试验的影响。通过单炮孔数值模拟得到此种爆破设计方案条件下的振动周期为24 ms，且炮孔间振动波的干涉效应会对炮孔振动产生影响，所以双炮孔数值模采用孔间延时半波长即延时12 ms起爆，随后与双炮孔同时起爆的方法进行对比分析查看爆破效果。

将炮孔4与孔5设置为装药孔，添加*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN关键字，将炮孔4与炮孔5的起爆时间分别设置为0 μs与12 000 μs即延时12 ms起爆，竖直方向振速随时间变化形态如图9所示。

图9 竖直方向振速随时间变化

通过模型竖直方向振速随时间变化图9可知：在炮孔4起爆后3.0 ms时台阶顶面首先产生振动；在4.2 ms时炮孔5爆破产生的振动已经传递到台阶顶面；在t=12.0 ms时炮孔4与炮孔5相互干涉形成的振动波已传播到距台阶坡面20 m处。

各测点的地震波振速如图10所示，测点位置与单炮孔起爆模型一致。

由模型竖直方向振速随时间变化形态可得如表5所示测点数据。

3 模拟结果对比与分析

不同延期时间的振速峰值随测点距离的变化如图12所示。

表5 测点数据统计

图11 不同延期时间峰值振速变化曲线

由图11可知，双炮孔同时起爆与延时起爆的振速峰值均呈逐渐衰减的趋势，且距离炮孔越近衰减速率越快，而添加了半波长延期时间所产生的地震波振速峰值低于同时起爆，其中测点A、C、D、E的减振效果较为明显。测点B未产生较好的减振效果，是因为台阶坡面产生的反射波在此处与双炮孔产生的振动波发生干涉降低了减振效果，但总体上减振效果较好，相对于同时起爆，延时半波长起爆平均降振15%。

4 现场试验

为了验证数值模拟的准确性，进行试验并监测。采用成都中科测控有限公司研制的TC-4850爆破测振仪。炮孔布置与数值模拟设置相同：双炮孔孔距5 m、孔径280 mm、孔深17 m。使用粉状铵油炸药，装药13 m上部4 m填塞。由于延期时间1.2 ms过小，所以采用在10个完整周期的前提下额外加上半个波长的方法即延期时间25.2 ms，爆破振动监测现场如图12所示。采集到的竖直方向上的峰值振速如表6所示。

图12 爆破振动监测现场图

表6 现场试验与数值模拟峰值振速对照表

表6中布点方式参照数值模拟方案，在距离炮孔15 m、25 m、45 m、65 m、95 m处放置爆破测振仪，由于数值模拟忽略了现场地质的复杂性，故允许出现一定范围内的误差。通过对比分析可以得出，数值模拟测点振速峰值与现场试验数据误差为1.32%，具有很好的一致性。

5 结论

(1)单台阶双炮孔延时爆破能够有效降低15%的爆破振动，且数值模拟测点峰值振速与现场试验数据仅为1.31%，具有一致性，模拟结果可以为现场露天深孔微差爆破设计提供参考。

(2)在露天台阶爆破中炮孔距台阶坡面的距离也会对爆破振动产生影响，爆破产生的振动波在台阶坡面处会形成反射波，反射波与初始振动波在矿体内会发生干涉效应，所以合理控制炮孔与台阶的距离是降低爆破振动的有效方法，对爆破设计优化具有重要研究意义。