数码雷管高精度延时对爆破振动影响试验研究

刘文胜 陈能革， 朱末琳 仪海豹 李 伟 谢亮波 邓国平

（1.安徽马钢矿业资源集团有限公司，安徽马鞍山243000；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽马鞍山243000；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000）

数码电子雷管，又称数码雷管或工业数码电子雷管，是采用电子控制模块对起爆过程进行控制的雷管。数码雷管技术的研究开发工作始于20世纪80年代初，到20世纪80年代中期，数码雷管产品开始进入起爆器材市场。经过多年的发展，数码雷管技术逐渐趋于成熟；相比于普通工业雷管，数码雷管具有安全性、高精度、可追溯等突出优势，在爆破工程中的应用范围逐渐扩大。

随着我国数码雷管质量稳步提升，以及国家监管力度加大，数码雷管的管理和推广应用工作得到迅速发展。《工业数码电子雷管》（WJ 9085—2015）、《工业电子雷管信息管理通则》（GA 1531—2018）等标准相继问世，为建立严密的数码雷管管控体系提供了技术和规范支持。在数码雷管推广应用研究方面，诸多学者开展了大量工作。ARVIND等［1］在某石灰岩矿山采用数码雷管实现了爆破危害控制；HEMANT等［2］探讨了如何减少因爆破地面振动引起的环境影响；IWANO等［3］研究了数码雷管的爆破振动特性；邱贤阳等［4］研究了短延时爆破可降低质点峰值振动速度PPV，且低频能量更少；叶海旺等［5］通过数码雷管现场爆破试验，确定了取得最优爆破效果的孔、排间微差时间；吕淑然等［6］开展了数码雷管与高精度导爆管雷管的对比试验，分析了数码雷管的降振效果；王涛等［7］采用数码雷管开展了高寒高海拔矿山的应用试验，取得了一定的爆破控制效果；叶春雷等［8］将数码电子雷管应用到合宁高速改扩建工程爆破削坡作业中；任登富等［9］基于错相减振原理有效降低了地铁隧道爆破振动强度。

已有研究主要从现场应用角度，采用数码雷管寻求合适的微差时间降低爆破振动危害，有关延时间隔对爆破振动影响规律的研究涉及较少。为此，本研究以马钢和尚桥铁矿为工程背景，通过不同延时间隔的对比试验，分析高精度延时对爆破振动的影响规律，进而指导生产爆破危害控制，促进矿山与周边区域经济的融合协调发展。

1 矿山概况

马钢和尚桥铁矿位于马鞍山市向山镇西南5 km的佳山乡，是安徽马钢矿业资源集团南山矿业有限公司重要的铁矿石原料基地，对于公司稳定可持续发展具有重要作用。随着马鞍山市“东扩南进”政策逐步实施，以及周边城镇化进程不断深入，和尚桥铁矿逐渐被市主城区、姑熟和丹博两个副城区以及秀山新区所环抱，这一典型的近城区矿山正逐渐演变成城市中矿区。矿山距离市区东环路最近仅1.0 km，周边村庄、企业及生产设施等众多，爆破环境十分复杂（图1）。矿山西北侧距离雨山经济开发区智能装备产业园300 m，距大毛库村280 m；东北侧距甘库村580 m；西侧距高速公路收费站1 km，距宁安高铁线路1.5 km；西南侧与瑞泰马钢新材料公司距离492 m；南侧距离红桥村340 m，对矿山爆破安全要求很高。

矿山生产规模为300万t/a，年采剥量约450万m3，年使用炸药量约2 000 t。长期的频繁爆破作业对周边居民、企业的正常生产生活造成了一定的负面影响，爆破振动对周边居民的心理造成较大压力，导致居民阻挠采场生产爆破的问题突出，直接影响了矿山企业正常生产。为有效消除矿山开采与周边居民、企业的纠纷，削弱生产爆破对周边民房等的振动危害，创造良好的生产作业环境，亟需对减振爆破新技术进行研究。

2 高精度延时现场爆破试验

2.1 数码雷管操作流程

与普通工业雷管不同，采用数码雷管后，矿山生产爆破整个施工工艺发生了显著性变化，对爆破作业管理、现场施工以及爆破设计方案提出了更高要求。在原有施工流程的基础上，新增数码雷管注册、延期时间设置、网路检测、密码下载、组网起爆、起爆线回收等程序。同时增加了管控三码采集器和数码雷管起爆器的操作流程，其中，前者主要负责与公安管控服务器通讯；后者具有电子雷管的检测、注册、组网、充电、起爆等功能。

数码雷管操作主要流程：①雷管注册，读取数码雷管身份信息；②网路连接，将每发雷管连接到爆区总线上；③延期设置，现场对每发雷管设定延期时间；④网路检测，在线检测每一发雷管的状态；⑤起爆流程，检测、充电、输入起爆密码起爆。

2.2 试验方案

开展不同微差时间的现场爆破试验，孔间微差有16、32、36、40、48、64 ms 6种方案，排间微差有24、36、40、48、60、70、80、96 ms 8种方案。通过不同方案下爆破振动速度的对比分析，分析高精度延时与振动强度之间的关系，寻求降低爆破振动强度的最佳孔、排间微差时间，有效控制矿山生产爆破振动。

由于爆破振动对矿山周边建（构）筑物安全存在一定的影响，不可避免地在结构内部产生一定程度的累积损伤［10-14］。为掌握现场爆破振动随测点位置的演变规律，进而指导生产爆破参数控制，本研究在爆区不同距离处设置高精度爆破振动监测仪采集现场振动数据［15-17］。2020年6月28日—11月12日，在矿山开展了10次现场爆破试验，炮孔总数196个，消耗数码雷管392发，最大段装药量150～290 kg，炸药使用总量35 440 kg，总爆破量82 338 m3。典型炮孔布置如图2和图3所示，爆破网路连接如图4所示，试验参数见表1。

3 试验结果及分析

3.1 爆破振动分析

采用爆破振动监测仪开展了不同位置的振动测试，监测数据见表2。

为进一步掌握不同延时间隔下的爆破振动特性，采用萨道夫斯基公式对爆破振动数据进行了回归分析，得到回归公式见表3。

为进一步比较分析不同微差时间下爆破振动速度关系，根据回归公式计算结果，绘制了不同微差时间下的爆破振动速度变化曲线，如图5和图6所示。

分析图5、图6可知：微差时间对爆破振动影响明显，且测点与爆区的距离越近，微差时间影响越显著。在近区范围内，随着微差时间增加，测点振动速度呈现“先增大、后减小、再增大”较大幅度的波动变化趋势；且在微差时间为36 ms时取得最大振动速度，微差时间16 ms时取得最小振动速度。在远区，振动速度的波动幅度明显减小。随着最大段装药量Q的增加，测点振动速度呈现增加趋势，但随着微差时间的变化规律不变。在测点距离20 m、微差时间16 ms时，Q=250 kg和Q=150 kg时的振动速度分别为13.98 cm/s、12.23 cm/s，前者比后者增大了 14.31%。在测点距离20 m、微差时间36 ms时，Q=250 kg和Q=150 kg时的振动速度分别为65.16 cm/s、48.97 cm/s，前者比后者增大了33.06%。

根据计算结果得到不同距离下的爆破振动速度对比曲线，如图7和图8所示。

由图7、图8可知：随着测点距离增大，爆破振动呈现明显的衰减规律。在测点距离60 m范围内衰减幅度最大；随着测点距离增加，振动速度逐渐趋于平缓。在近区，微差时间对爆破振动速度的影响更加显著。分析认为，爆破振动受到单响药量、孔径、爆心距等因素的综合影响。从能量角度而言，爆破振动波能量只占爆破释放能量的3%～20%，而爆破振动波具有频率丰富、频带较窄以及低频波的传播距离较远等特点；在爆破振动波传播过程中，受到传播介质的阻尼作用，爆破振动能量逐渐转化为热能、摩擦能等，并伴随着振动波能量的消耗，导致爆破振动速度随着测点与爆区距离的增大呈现整体衰减趋势。同时，微差时间对近区爆破振动的影响大于对远区的影响。就爆破振动危害而言，爆区与建筑物的距离越近，爆破振动强度越大，振动波的能量越高，越不利于建筑物的安全；反之，则相反。因此，通过调整合适的微差时间，在近区可以取得更加明显的减振效果，对于维护建（构）筑物安全具有重要意义。

绘制了不同距离下爆破振动速度对比曲线，如图9所示。分析可知：随着最大段装药量增加，测点振动速度整体呈现逐渐增大趋势。相同最大段装药量条件下，在测点距离20 m、微差16 ms时的振动速度最小，微差40 ms时次之；随着测点距离增大，转变为微差时间40 ms时取得最小振动速度，而微差16 ms时取得最大振动速度。同时，微差48 ms时振动速度稍大于微差40 ms时，且随着距离的增大，二者差值逐渐减小。从建筑物安全角度而言，为最大程度削弱爆破振动对建筑物的影响，应根据建筑物与爆区的距离选择不同的微差时间，即：近区适宜的微差时间为16 ms，远区适宜的微差时间为40 ms。

3.2 爆破块度分析

爆破块度是衡量爆破效果的重要指标之一［18-20］。为降低后续的铲装、运输和破碎成本，控制采矿作业综合成本，需要对采场爆破块度进行适当控制。鉴于人工筛分块度分析法的劳动强度大、费工费时等的诸多弊端，为掌握现场试验爆破效果，采用图像分析法开展了7次矿山爆破块度对比分析。现场爆破块度照片见图10，图像法识别效果见图11。根据爆破块度图像识别结果，得到爆破块度累计分布曲线（图12）和爆破块度分布情况（图13），进而得到爆破块度统计参数见表4。

对比分析可知：现场试验的爆破块度分布较为均匀，整体上呈现正偏态分布规律，最高点在100 mm左右。同时，50%的爆破块度可控制在70 mm以内，80%的块度控制在130 mm以内；且爆破块度都在500 mm以内，最大块度为464 mm，满足矿山生产块度要求，有利于提高铲装运输作业效率。综合分析可知，采用不同的微差时间对爆破块度影响不大。

注：Dx为通过x%对应的岩石块度尺寸，mm。

4 结论

（1）在爆破近区，随着微差时间增加，测点振动速度呈现“先增大、后减小、再增大”较大幅度的波动变化规律；微差时间对近区爆破振动的影响明显大于远区，且测点与爆区的距离越近，微差时间影响越显著。

（2）爆区与建筑物的距离越近，爆破振动强度越大，振动波的能量越高，越不利于建筑物的安全。通过选取合适的微差时间可以取得最佳的减振效果，且在爆破近区减振效果更加明显。为有效维护建筑物安全，建议根据建筑物与爆区的距离远近选择不同的延时间隔，近区和远区适宜的微差时间间隔分别为16 ms和40 ms。

（3）采用不同的高精度延时对现场爆破块度分布的影响不明显，整体上爆破块度呈现正偏态分布特征；80%的爆破块度可控制在130 mm以内，且都可控制在500 mm以内，有利于提高现场铲装作业效率。