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  • CN 62-1112/TF　
  • ISSN 1005-2518　
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2021, 29(3): 401-410 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2021.03.174

采选技术与矿山管理

地下爆破精确延时逐孔起爆减振试验研究

李祥龙,1,2, 张其虎,1, 王建国1, 杨德源3, 李斌4, 朱兴彪4

1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093

2.云南省中—德蓝色矿山与特殊地下矿山开发利用重点实验室，云南 昆明 650093

3.昆明钢铁集团有限责任公司大红山铁矿，云南 新平 653100

4.永善金沙矿业有限责任公司，云南 永善 657305

Experimental Study on Precise Delay Hole-by-Hole Blasting Vibration Reduction of Underground Blasting

LI Xianglong,1,2, ZHANG Qihu,1, WANG Jianguo1, YANG Deyuan3, LI Bin4, ZHU Xingbiao4

1.Faculty of Land Resources Engineer，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Yunnan，China

2.Key Laboratory of Development and Utilization of Zhongde Blue Mine and Special Underground Mine，Kunming 650093，Yunnan，China

3.Dahongshan Iron Mine，Kunming Iron & Steel Group Co. ，Ltd. ，Xinping 653100，Yunnan，China

4.Yongshan Jinsha Mine Co. ，Ltd. ，Yongshan 657305，Yunnan，China

通讯作者: 张其虎（1996-），男，云南昭通人，硕士研究生，从事爆破理论与技术研究工作。zhang18487084511@163.com

收稿日期: 2020-09-27   修回日期: 2021-02-09   网络出版日期: 2021-07-14

基金资助: 永善金沙矿业有限责任公司横向课题项目“永善金沙矿业爆破参数优化振动控制关键技术”.  619320190103
“万人计划青年拔尖人才培养经费”.  109720190056
国家自然科学基金项目“精确延时数（单）一响预裂爆破成缝研究”.  619220150041

Received: 2020-09-27   Revised: 2021-02-09   Online: 2021-07-14

作者简介 About authors

李祥龙（1981-），男，安徽淮北人，教授，博士生导师，从事爆破理论与技术研究工作lxl00014002@163.com , E-mail：lxl00014002@163.com

摘要

为了有效控制地下爆破振动效应，改善岩石破碎效果，根据地下矿山实际生产条件，采用高精度高强度数码电子雷管，开展了精确延时逐孔起爆的现场试验研究，并运用MATLAB18.0对振动时程信号进行振动波形分析。由波形矢量合成分析结果可知，孔间延期时间为25 ms的振动速度峰值比延期时间为15 ms、20 ms、30 ms和35 ms的逐孔起爆依次降低了27%、8%、29%和52%；排间延期时间为75 ms时振动速度峰值比排间延期时间为25 ms、125 ms和200 ms的单排炮孔起爆依次降低了28%、26%和23%。由此可见，本试验条件下孔间延期时间与排间延期时间分别为25 ms和75 ms时，能够有效降低爆破振动强度。

关键词： 精确延时 ; 逐孔起爆 ; 峰值振速 ; 振动强度 ; 波形叠加 ; 干扰降振 ; 现场试验

Abstract

The interference vibration reduction technology based on precise delay hole by hole initiation is not only an effective means to reduce blasting vibration，but also can improve the effect of rock fragmentation and realize the active control of blasting vibration effect and harm.The key of this technology is to calculate the accurate and reasonable delay time under the conditions of reasonable hole layout parameters，single hole charge and charge structure conditions.However，due to the low time delay accuracy and instability of the conventional ordinary nonel detonator，the effect of controlling the millisecond delay interval to reduce the blasting vibration is not good.Engineering blasting operations are mostly carried out in complex environments and have strict requirements on blasting vibration.Combining previous research results，an accurate and reasonable delay time for underground shallow hole blasting was given.At the same time，combined with the field test research，the application of accurate delay time in reducing blasting vibration was explored.In view of the fact that the digital electronic detonator initiation network can realize the precise control of the delay time of precise delay hole by hole initiation，the delay time can be set flexibly and the performance is stable，using high-precision and high-strength digital electronic detonator，the field test of precise delay hole by hole initiation was designed and carried out.And the vibration waveform velocity of vibration time history signal was analyzed by using MA-TLAB 18.0. In the field test，vector synthesis of the waveform can be obtained，and the peak velocity of the vibration waveform under the delay time between holes of 25 ms is reduced by 27%，8%，29%，52% compared with the peak velocity of 15，20，30，35 ms successively.The peak value of the vibration waveform velocity under the delay time between rows of 75 ms is reduced by 28%，26% and 23% compared with the delay of 25 ms，125 ms and 200 ms between rows of single row blastholes.The test results show that the reasonable delay time between holes and rows can effectively reduce the blasting vibration intensity.

Keywords： precision delay ; hole-by-hole initiation ; peak vibration velocity ; vibration intensity ; waveform fusion ; interference vibration reduction ; field test

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本文引用格式

李祥龙, 张其虎, 王建国, 杨德源, 李斌, 朱兴彪. 地下爆破精确延时逐孔起爆减振试验研究[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(3): 401-410 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.03.174

LI Xianglong, ZHANG Qihu, WANG Jianguo, YANG Deyuan, LI Bin, ZHU Xingbiao. Experimental Study on Precise Delay Hole-by-Hole Blasting Vibration Reduction of Underground Blasting[J]. Gold Science and Technology, 2021, 29(3): 401-410 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.03.174

在工程爆破作业中，爆破振动效应是主要的危害之一。地下矿山爆破作业经常在复杂的环境中进行，产生的爆破振动容易对周围建（构）筑物的安全性和稳定性产生不利影响，如果振动强度控制不好，就会使建（构）筑物出现一定的损伤甚至发生倒塌，同时造成爆区地表边坡的滑移及地下巷道冒落等危害（杨仁树等，2017；郑桂初等，2019；高文学等，2003；郭学彬等，2001）。因此，研究地下爆破精确延期时间对指导工程实践、优化爆破方案和降低爆破振动等方面具有重要作用。

爆破振动持续时间短，加之振动传播的介质和赋存条件复杂多变，使得对爆破振动的研究难度较大。为此，许多学者从理论和试验2个方面对地下爆破的延期时间问题进行了一系列的研究。李顺波等（2013）基于爆破地震波传播过程中的能量变化及自由面的形成条件，给出了孔间延期时间的计算公式，并通过数值模拟验证了公式的可行性，为之后研究孔间延期时间奠定了相应的理论依据。赵明生等（2012）研究了不同延期时间对爆破振动信号时频特征的影响，进一步验证了延期时间的选择对爆破振动荷载强度的重要性。陈士海等（2011）分析了不同延期时间对干扰降振的影响，结果表明延期时间不同，降振的最终效果也不同，所以合理选择延期时间是进行干扰降振的主要措施之一。杨年华等（2012）基于实测单段波形线性叠加分析来优选孔间延期时间，实现地震波的干扰相消，通过对矿山的实测波形进行监测分析，可以较准确地计算出合理延期时间。凌同华等（2012，2004）基于小波变换从实测微差爆破振动信号中分离出分段振动波，通过以不同延期时间叠加各分段振动波达到优选延期时间的目的。但小波分析理论较为复杂，在实际操作过程中存在一定的困难。张光雄等（2009）将爆破地震波近似看作正弦波，主张使孔间延期时间满足正弦波，可实现干扰相消，该方法在一定的地质条件下可以准确计算出孔间延期时间，但在复杂地质环境条件下会出现较大的误差。张义平等（2005）利用MATLAB对爆破振动波形数据信号进行EMD分解，得到不同的IMF分量，然后对其进行Hilbert变换提取出不同IMF分量的包络幅值，用以识别实际微差延期时间。但该方法对于收集到的数据信号有一定的要求，需要信号完整，没有太多的杂波。

近年来，数码电子雷管得到快速发展，研究人员利用其精确延时功能，实现了逐孔起爆，有效控制了爆破地震效应并改善了岩石破碎效果，将工程爆破技术提升至一个新的水平（刘运通等，2001；宋光明等，2003）。逐孔起爆的原理是在降低单响起爆药量的同时，利用精确短延时间隔使地震波相互叠加干扰而达到降振的目的（韩亮等，2019）。方桂富等（2011）利用普通雷管和数码电子雷管进行了分段延时起爆试验，并采集了现场爆破振动监测数据进行对比，得出数码电子雷管在降低爆破地震效应和提高岩石破碎效果等方面具有明显的优势。邱贤阳等（2017）研究表明，数码电子雷管抑制震动的效果比普通雷管强30％~50％。邢光武等（2016）进行了精确延时干扰减震爆破网路的现场试验，得到简便可靠的网路。在进行爆破网路设计时，可以将延期时间精确控制，为爆破提供更加可靠的网路。高文学等（2010）提出在深孔爆破基坑开挖等复杂环境下，采用高精度高强度数码电子雷管精确延时技术能够有效控制爆破振动效应。以上研究只推算出大致的延期时间，没有得到精确的延期时间。

数码电子雷管具有良好的稳定性和可靠性，因此本次地下爆破试验采用数码电子雷管进行试验研究。合理的延期时间能够改善爆破质量，降低爆破振动，提高岩石的破碎率，提升矿山的经济效益。所以，计算出合理的精确延期时间对于有效控制和减小爆破振动非常关键。

1 延期时间选择

延期时间的选择对于最终爆破振动的控制十分重要，优选出一个精确合理的延期时间是爆破设计中最为重要的环节之一。实践经验表明，如果孔间延期时间过短，各炮孔起爆时并未形成充分的自由面，不利于降低爆破振动的危害（廖智勤等，2020；张亮等，2020）；如果孔间延期时间过长，相当于单孔爆破漏斗发挥作用，不利于岩石破碎，还可能破坏起爆网路（徐振洋等，2014）。因此，延期时间的设置及网路设计是干扰降振的关键。

国内外许多学者对延期时间进行研究，但最终延期时间的选择都不一致（胡桂英等，2018；龚敏等，2019）。杨国梁等（2013）基于某水利水电工程料场斑状花岗岩体深孔台阶爆破的研究，提出了相邻段别间的延期时间极小值为8 ms，最小范围值应在15~20 ms内。张志呈（2013）通过开展逐孔起爆试验研究，获得了间隔时间的理论计算和经验选取方法。钟冬望等（2016）认为有效降低爆破地震效应的延时间隔应为4~5 ms，且主振频率与普通毫秒延时起爆相比有向高频部分扩散的趋势，更有利于消减爆破震动的不利影响因素。Yang et al.（2016）研究发现采用毫秒延期时间进行爆破作业时，爆破过程中的全局频率幅值无法真实地反映爆破作业的振动频率特征。Blair（2009）从频域角度出发，指出利用精确短延时可以让爆破能量向高频处集中，但是该方法仅在一定的距离内才行之有效。Ri-chards et al.（2017）通过分析实测的爆破振动数据波形发现，微差爆破作业中，在距离增加的情况下，主振频率将会半倍递减，而不是连续变化。Qiu et al.（2018）进行了不同微差延期时间的爆破试验，发现短延时可以有效降低爆破振动过程中的低频能量。

然而，目前研究人员对于孔间延期时间的设置并未形成统一的认识。本研究采用陈寿如等（2004）给出的合理延期时间，为15~40 ms。此外，程明（2020）基于矿山现场实验研究，得出以5 ms延期时间最为合理，为进一步验证计算结果及试验的简易操作性，决定以5 ms为间隔，选择15，20，25，30，35 ms共5个延期时间作为本次试验的延期时间。在试验中，以25 ms的孔间延时为基准，将排间延时依次定为25，75，125 ms。本文根据井下实际生产情况，采用数码电子雷管逐孔起爆作业方式，进行现场精确延时控制爆破试验，并运用MATLAB18.0对振动时程信号进行分析，给出精确合理的地下浅孔爆破延期时间，探究了精确延时在降低爆破振动中的作用，并将试验结果应用于矿山地下开采实践中。

2 现场试验

2.1 试验条件和炮孔参数

现场试验在金沙矿业有限公司PD108矿段完成，该矿段为中厚层状白云岩型铅锌矿石，致密坚硬、强度高，属于坚硬岩石。

采用浅孔爆破方式。炮孔参数为孔深H=2 m，直径d=40 mm，孔距a=1.1 m，排距b=0.8 m。炸药单耗取q=0.7 kg/m3；堵塞长度Ld=0.8 m；单孔装药量Q=qabH=0.7 kg/m3×1.1 m×0.8 m×2 m=1.23 kg，每孔装4卷药，即1.2 kg。采用矩形布孔方式。装药采用1号岩石乳化炸药，连续不耦合装药，平均线装药密度控制在1.0 kg/m。起爆网络采用数码电子雷管，现场设置延期时间，脚线采用并联方式接入网络。以5 ms为间隔，选择15，20，25，30，35 ms共5个延期时间进行试验。

2.2 试验结果与分析

（1）第一次试验

本次试验以2孔为1组，组内孔间延时依次为15，20，25，30，35 ms。为保证组间（排间）各排炮孔振动波形互相不干扰，且能更好地观察孔间延时的爆破效果，将组间延时统一为200 ms。5组10孔的爆破试验起爆网络如图1所示。

图1

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图1   第一次试验起爆网路示意图

Fig.1   Schematic diagram of detonation network for the first test


图2为第一次试验爆破振动波形，图3为第一次试验振动矢量合成图。在图3中，可以计算出第1、2、3、4和5簇波形的峰值振动速度分别为0.790，0.632，0.584，0.813，1.217 cm/s。由图2和图3可知，由于各个炮孔装药量一致，组间（排间）延期时间皆为200 ms，远大于单排孔孔间延时爆破振动持续时间，故完整振动速度时程曲线呈现出５簇振动波形，且每簇振动波形持续时间基本相同。其中，第5簇波形叠加干扰最为严重，波峰与波峰之间相遇叠加占据波形的较大部分，爆破振动速度峰值高于其他4簇波形；第3簇波形峰谷相遇比例较大，爆破振动速度峰值较小，通过不同的速度峰值，以第3簇波形峰值振速除以其他波形峰值振速，便可以得出不同簇之间的速度比值，再转换为百分比表示。所以第3簇振动波形速度峰值依次为第1、2、4、5簇波形速度峰值的73%、92%、71%和48%；第1、2、4簇波形中峰峰相遇和峰谷相遇均存在，但随着组内孔间延期时间的增加，叠加程度逐渐降低。当孔间延时为25 ms时，最大振速依次在15，20，30，35 ms的基础上降低了27%、8%、29%和52%，此时爆破振动对边坡影响较小，微差时间最优。

图2

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图2   第一次试验爆破振动波形

Fig.2   Blasting vibration waveform of the first test


图3

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图3   第一次试验爆破振动矢量合成图

Fig.3   Synthesis diagram of blasting vibration vector of the first test


（2）第二次试验

选择14个炮孔进行第二次爆破试验，同样以2个炮孔为1组，组内孔间延时均为25 ms。其中，1组和2组、3组和4组、5组和6组的组间（排间）炮孔延时分别为25 ms、75 ms和125 ms，2组和3组、4组和5组、6组和7组的组间（排间）延时均为200 ms。起爆网路如图4所示。

图4

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图4   第二次试验起爆网路示意图

Fig.4   Schematic diagram of detonation network for the second test


图5为第二次试验爆破振动波形，图6为第二次试验爆破振动矢量合成图。根据图6，可以计算出第1、2、3、4、5簇波形的峰值振动速度分别为0.181，0.130，0.159，0.175，0.169 cm/s。由图5和图6可知，由于各个炮孔装药量一致，组内延时皆为25 ms，组间延时各不相同，时程曲线呈现５簇振动波形，每簇振动波形持续时间有所差异。这是因为1、2组合并为一个爆破振动波形，3、4组同样合并为一个振动波形，5、6、7组各自成为一个波形。其中，第1簇波形叠加干扰最为严重，波峰与波峰之间相遇叠加占据波形中较大部分；第1、3、4、5簇爆破振动速度峰值基本一致；通过不同的速度峰值，以第3簇波形峰值振速除以其他波形峰值振速，便可以得出不同簇之间的速度比值，再转换为百分比表示。所以第2簇波形峰谷相遇比例较大，爆破振动速度峰值较小，依次为第1、3、4、5簇振动速度峰值的72%、82%、74%和77%；第1簇和第5簇波形中峰峰相遇和峰谷相遇均存在，第3簇和第4簇波形叠加干扰较为严重，且峰峰相遇叠加占据主导。但随着孔间延期时间的增加，叠加程度逐渐降低。当排间延时为75 ms时，最大振速依次在25 ms、125 ms和200 ms的基础上降低了28%、22%和23%，表明延期时间以75 ms最优。

图5

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图5   第二次爆破振动波形

Fig.5   Blasting vibration waveform of the second test


图6

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图6   第二次爆破振动矢量合成图

Fig.6   Synthesis diagram of blasting vibration vector of the second test


（3）第三次试验

选择15个炮孔进行试验，共分为10组。组内孔间延期时间为25 ms，组间（排间）延期时间为75 ms。起爆网路如图7所示。

图7

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图7   第三次试验起爆网路示意图

Fig.7   Schematic diagram of detonation network for the third test


图8为第三次试验爆破振动波形，图9为第三次试验爆破振动矢量合成图。由图8和图9可知，各排炮孔之间的振动速度和幅度几乎在同一水平，幅度约为0.18 cm/s，相较于第一次爆破试验（幅度为0.4~0.8 cm/s），其幅度已经降低了一大半，５簇振动波形的振动速度时程曲线图几乎合并为一个波形，且每簇振动波形持续时间基本相同，均在0.25 s之内。说明当组内孔间延期时间为25 ms，组间（排间）延期时间为75 ms时，爆破振动最小，岩石破碎效果最佳，不会出现明显的振动速度变化，爆破后峰值振动速度为0.275 cm/s，相较于第一次爆破试验（峰值振速为1.217 cm/s），有了明显的降低。

图8

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图8   第三次试验爆破振动波形图

Fig.8   Blasting vibration waveform of the third test


图9

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图9   第三次试验爆破振动矢量合成图

Fig.9   Synthesis diagram of blasting vibration vector of the third test


对日常爆破进行记录，选取爆破地点和爆破药量与试验相一致的一次日常爆破进行对比分析。通过对比日常爆破和本次爆破试验后的岩石破碎效果（图10），可以看出，本次爆破试验后岩石破碎的块度分布更加均匀，基本无大块，在同等药量与爆破参数条件下对井下构筑物及附近地表民房的影响最小。

图10

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图10   爆破效果图

（a） 日常爆破；（b） 第三次爆破

Fig.10   Effect diagram of blasting


3 结论

（1）爆破振动测试分析软件体现了爆破振动三要素中振动速度和振动持续时间的作用，能够很好地分析精确延时逐孔起爆干扰降振的效果。试验结果表明，通过设置合理的孔间延期时间，采用逐孔起爆方式，能够实现振动干扰相消、错峰降振的目的。

本试验条件下，数码电子雷管采用孔间25 ms、排间75 ms的延期时间进行精确延时逐孔起爆，减震效果和爆破效果最优。

（2）精确延时逐孔起爆技术具有良好的实际应用效果，不仅能够有效提高岩石的破碎效率，降低爆破振动效应，而且可以减少炸药用量，提高爆破工程的安全性和环保性。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2021/1005-2518/1005-2518-2021-29-3-401.shtml

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