葉海旺,王 亮,張迎吉,趙昌鑫,艾曉宗,王永康

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 華縣 714102)

金堆城礦山在發(fā)展的過程中，南露天邊幫不斷的向外延生，使得露天爆破生產(chǎn)區(qū)域與東川河隧洞的相對位置越來越近，最終將由現(xiàn)在的129m到達(dá)約36m。很多研究人員通過理論分析、現(xiàn)場試驗研究、數(shù)值模擬和小波分析等證明了微差爆破的減震效果，但是目前也并沒有能夠廣泛應(yīng)用的理論公式，因此確定合理的微差時間成為微差爆破的難點。葉海旺等[1]通過小波分析方法對不同微差時間爆破的頻帶能量分布規(guī)律進(jìn)行研究得出合理的孔間微差為42ms，排間微差100ms。史秀志、陳壽如[2]認(rèn)為當(dāng)微差時間較小時主頻率與單段情況比較變化不大，但持續(xù)時間延長；微差時間過大，則類似于獨(dú)立的爆破振動信號。段海峰、侯運(yùn)炳[3]提出推墻假說與回彈假說，認(rèn)為合理的微差時間應(yīng)該是一個時間段，而不是某一時刻。電雷管和導(dǎo)爆管雷管都有一定的精度誤差，高精度的澳瑞凱非電雷管低段位到高段位的誤差也有4～10ms[4]。數(shù)碼雷管的延期范圍可在1～15000ms范圍內(nèi)任意設(shè)定，最小延期設(shè)定間隔為1ms，使得微差爆破更加的精細(xì)化。在金堆城南露天結(jié)合生產(chǎn)爆破25ms/65ms的微差時間，依靠數(shù)碼雷管微差時間的可調(diào)性能，通過現(xiàn)場實驗逼近趨優(yōu)的方法，以期確定適合南露天邊幫的最佳微差時間。

1 微差爆破減震作用機(jī)理

微差爆破干擾減震[5]是利用微差爆破技術(shù)將藥包以毫秒級的時間間隔嚴(yán)格按一定順序先后進(jìn)行起爆。它將齊發(fā)爆破產(chǎn)生的爆破震動波分解為多個強(qiáng)度相對減弱了的分段爆破震動波。爆破波的主震在傳播過程中，由于微差時間的存在，使得各震動波存在相位差，這些減弱了的分段震動波在合適的時間差時可以實現(xiàn)震動波的干擾和疊加，使干擾后的震波震動幅值減小，震動效應(yīng)減弱，從而達(dá)到干擾降震的目的。Langforse等研究[6]表明通過確定合理的微差時間，使得不同爆破震動波相干衰減。通過對于不同延遲時間的震波進(jìn)行疊加模擬得到，當(dāng)延遲時間△t=nT(n為整數(shù),T為震波的周期),此時各部分藥包爆炸的震動波會疊加，震動效應(yīng)增大，對爆破安全不利；若n為1/2、3/2、5/2、…中的某個值,則各部分藥包爆炸的震動波會相互干擾，使得震動效應(yīng)降低；若n>3,各次爆炸的震波是分開的,互不干擾。震波相干相減如圖1所示。

圖1 震波相干相減示意圖

2 試驗方案

2.1 試驗條件

南露天礦區(qū)以石英巖及板巖層為主，深部以安山玢巖為主，且節(jié)理裂隙較為發(fā)育?，F(xiàn)場試驗主要在南露天1224平盤、1236平盤進(jìn)行。金堆城露天礦的臺階高度為12m，炮孔超深1.5m，孔距9m，排距7m，堵塞長度為6m，每孔裝藥量為430kg。爆破生產(chǎn)采用奧瑞卡導(dǎo)爆管起爆，連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)?？组g微差25ms，排間微差時間為65/100ms。

現(xiàn)場試驗采用陜西慶華民爆的數(shù)碼雷管，延期時間為1～1000ms，延期精度為1ms。試驗采用中科測控TC-4850爆破測震儀對爆破震動信號進(jìn)行監(jiān)測。現(xiàn)場測點布置在爆破臺階同一水平，并延直線布置，保證各測點地質(zhì)條件相同。

2.2 試驗方案

試驗主要分為2個部分：①在微差時間和孔網(wǎng)參數(shù)相同的條件下，將數(shù)碼雷管起爆與生產(chǎn)爆破中的導(dǎo)爆管起爆對比，研究數(shù)碼雷管的減震效果；②調(diào)整孔間微差和排間微差時間來探索在金堆城礦山地質(zhì)條件下最優(yōu)的微差時間。

保持孔網(wǎng)參數(shù)不變的條件，試驗分為3步進(jìn)行：①不改變排間微差的條件下，增大和減小孔間微差時間，通過減震效果確定最優(yōu)的孔間微差時間；②采用上一步試驗的最優(yōu)的孔間微差時間，增大和減小排間微差時間，通過減震效果確定最優(yōu)的排間微差時間；③采用最優(yōu)的微差時間進(jìn)行試驗，與常規(guī)生產(chǎn)爆破比較巖石破碎效果。

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 常規(guī)爆破試驗

在南露天進(jìn)行了大量的常規(guī)試驗，孔深為13.5m，孔距9m，排距7m，堵塞長度為6m，每孔裝藥量為430kg。部分震動數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 常規(guī)爆破震動數(shù)據(jù)表

從表1實測數(shù)據(jù)可以得出，現(xiàn)場多次試驗符合爆破震動的傳播衰減規(guī)律，有部分點位由于現(xiàn)場地質(zhì)區(qū)域點的變化引起震動幅值的波動。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)中對水工隧洞允許的爆破震動的規(guī)定，爆破振動頻率f≤10Hz時，允許質(zhì)點振動速度為7～8cm/s；頻率為10Hz≤f≤50Hz時，允許振速為8～10cm/s；當(dāng)f>50 Hz時，允許振速為10～15cm/s。以水工隧道的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，震速為7cm/s、8cm/s、10cm/s、15cm/s所對應(yīng)的爆破安全臨界距離分別為108m、93m、70m、65m。

3.2 數(shù)碼雷管孔間微差試驗

數(shù)碼雷管試驗在生產(chǎn)爆破微差時間25ms/65ms的基礎(chǔ)上，先保持排間微差65ms不變，進(jìn)行孔間微差時間調(diào)整。分別進(jìn)行孔間微差為10ms、25ms、30ms、42ms的四次試驗?，F(xiàn)場試驗爆心距-震動速度曲線如圖2所示。

圖2 改變孔間微差時間減震效果圖

由圖2可知，以7cm/s的震動速度為基準(zhǔn)時，當(dāng)增大孔間微差為42ms時，其爆破安全臨界距離為88m，減小孔間微差時間到10ms時，其爆破安全臨界距離為85m?？组g微差25ms時，相應(yīng)距離為80m，而孔間微差30ms時，對應(yīng)的臨界距離小于62m。由此可以得出：孔間微差取30ms時，爆破的減震效果最優(yōu)。

3.3 數(shù)碼雷管排間微差實驗

通過孔間微差實驗確定最優(yōu)孔間微差時間為30ms。在此基礎(chǔ)上，分別調(diào)整排間微差時間為60ms、65ms、75ms、80ms進(jìn)行現(xiàn)場實驗。試驗爆心距-震動速度曲線圖如圖3所示。

將以上實驗得震動數(shù)據(jù)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中的規(guī)定，確定不同排間微差的震動安全臨界距離如表2所示。

表2 排間微差調(diào)整震動安全臨界距離

通過以上試驗可以得出，當(dāng)在65ms基礎(chǔ)上減少排間微差時，震動速度明顯增大，疊加現(xiàn)象明顯。當(dāng)增大微差時間到75ms時，對比65ms震動速度有明顯降低，當(dāng)再增大到80ms時，增幅再次增大。此時的安全距離最小，為38～47m。

為了比較不同的微差時間對爆破地震波的質(zhì)點震動速度的影響，可以用不同微差時間的降震率δ來表征。以爆心距離60m時來考察，高精度導(dǎo)爆管與數(shù)碼雷管均為25ms/65ms時，得數(shù)碼雷管減震率15.8%。當(dāng)調(diào)整微差時間為30ms/75ms時，數(shù)碼雷管爆破減震率為38.4%。30ms/75ms微差時間與25ms/65ms微差時間對比，30ms/75ms微差爆破減震率為26.8%。因此在孔間微差為30ms、排間微差為75ms時具有明顯的減震優(yōu)勢。

4 不同微差時間數(shù)值模擬分析

4.1 模型的建立

依據(jù)金堆城南露天邊坡的工況條件，用ANSYS[7]建立臺階爆破的有限元模型。數(shù)值模擬工況也現(xiàn)場實驗條件一致。運(yùn)用顯式動力分析程序LS-DYNA進(jìn)行模擬計算，其中巖體采用RHT模型，堵塞段用mat_soil_concrete材料模型進(jìn)行模擬。模型及測點位置如圖4所示。

4.2 模擬數(shù)據(jù)與分析

模型通過LS-DYNA運(yùn)算后，節(jié)點震動速度如表3所示。將模擬數(shù)據(jù)繪制成震動速度-爆心距曲線，如圖5所示。

通過模擬以上四種工況，當(dāng)孔間和排間微差為10ms/60ms時，爆破震動速度最大。在增大孔間和排間微差的過程中，爆破震動有下降的趨勢。比較25ms/65ms和35ms/75ms兩種微差時間時，從圖6中可以看出，在50m的范圍內(nèi)25ms/65ms的震速稍大，在50m以外，震動速度基本相同?？梢缘贸龊侠淼目组g微差時間應(yīng)該在25～35ms之間，排間微差在65～75ms之間，這與現(xiàn)場試驗相符。

圖3 改變排間微差時間減震效果圖

圖4 測點位置圖

圖5 模擬震動速度-爆心距曲線圖

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論。

1)在金堆城南露天在孔間和排間微差時間相同的條件下，電子雷管與導(dǎo)爆管雷管相比，具有減震的優(yōu)勢。實驗中電子雷管的減震率為15.8%。

表3 不同微差時間模擬震動速度表

2)運(yùn)用電子雷管調(diào)節(jié)微差時間(孔間微差10～42ms；排間微差60～80ms)，發(fā)現(xiàn)爆破震動與微差時間呈現(xiàn)倒拋物線趨勢。當(dāng)在最優(yōu)的微差時間時，減震效果最好，增大和減小微差時間都對使得震動速度的增大。通過現(xiàn)場實驗和模擬研究發(fā)現(xiàn)，爆破合理的微差時間應(yīng)該是一個小于5ms的微差范圍。考慮減震效果時，最優(yōu)的微差時間為30ms/75ms。

3)通過塊度分析，10ms/60ms的微差爆破條件下的平均塊度和最大塊度均最下，破碎效果最好。30ms/75ms的微差條件與之相比，平均塊度接近，最大塊度僅大11cm，破碎效果次優(yōu)。

綜合以上試驗分析，適合于金堆城南露天的最優(yōu)的微差時間為孔間30ms，排間75ms。其相對于高精度導(dǎo)爆管微差爆破的減震率為38.4%。

[1] 葉海旺,石文杰,王二猛，等.金堆城露天礦生產(chǎn)爆破合理微差時間的探討[J].爆破,2010(1):96-98.

[2] 史秀志,陳壽如.爆破振動信號時頻特征的微差時間效應(yīng)[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2008(3):10-13.

[3] 段海峰,侯運(yùn)炳.露天礦微差爆破的機(jī)理及微差時間的選取[J].有色金屬：礦山部分,2003(6):24-26.

[4] 張志呈,熊文,吝曼卿.淺談逐孔起爆技術(shù)時間間隔的選取[J].爆破,2011(2):45-48，71.

[5] 凌同華.爆破震動效應(yīng)及其災(zāi)害的主動控制[D].長沙：中南大學(xué),2004.

[6] Anderson DA，Winzer S R，Ritter AP.On computer-aided seismic analysis and discrimination.In：Proc.3rdI nter.Symp.Washington.DC.1983，70.

[7] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.