精確延時破巖機理綜述

孟 彪，賈世杰，趙國強

（1.新疆雪峰科技（集團）股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆雪峰爆破工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

爆破被廣泛應用于現代工程實踐中，特別是近現代人類工程活動促使爆破理論不斷發展完善，僅對常見爆破技術進行統計分類大概為14種[1],如下：（1）巖土爆破；（2）露天爆破；（3）地下爆破；（4）淺孔爆破；（5）深孔爆破；（6）復雜環境爆破；（7）掘進爆破；（8）硐室爆破；（9）水下爆破；（10）預裂爆破；（11）光面爆破；（12）延時爆破；（13）拆除爆破；（14）特種爆破。近年來隨著電子技術發展應用于爆破領域，電子雷管的出現為精確延時爆破提供了前所未有的廣闊空間，也為分析起爆時間對爆破效果的影響提供了基礎。目前，國內外對精確延時破巖機理的研究主要集中在以爆炸性氣體膨脹破碎巖石；沖擊波反向拉伸破壞圍巖；沖擊波、壓縮波與爆炸氣體聯合作用；還有學者從功能平衡角度探究與應用流體動力學基本觀點等原理闡述爆破機理。

國內外對延時爆破破巖理論主要以爆炸氣體膨脹壓破理論、沖擊波拉伸破壞理論、沖擊波和爆破氣體綜合作用理論、功能平衡理論、流體動力學理論和能量理論等開展研究，并對延時爆破時間控制，巖石破碎效果，不同應力場應力條件以及應用數值模擬進行研究。

1 電子雷管精確延時

精確延時爆破主要有2類，一類是導爆管精確延時，起爆網絡如圖1所示；另一類是電子雷管精確延時，起爆網絡如圖2所示。導爆管精確延時全部由導爆管雷管組成，利用孔內外不同段位的雷管串聯達到延時控制。電子雷管精確延時主要依靠數碼電子雷管自身產品性能實現延時控制。

圖1 導爆管雷管起爆網絡

圖2 電子雷管起爆網絡

目前，大多數精確延時爆破多使用數碼電子雷管，數碼電子雷管通過安裝PBC電路板專業集成芯片實現延時控制，其結構如圖3所示，延時精度一般可達到1 ms。數碼電子雷管精確延時爆破技術主要是利用電子雷管延時時間精度來控制相鄰炮孔間起爆時間來減小爆破振動的危害，提高炸藥利用率，達到爆破目的。目前合理的延時時間選擇還沒用公認的理論公式，多采用前人研究的經驗公式和實地施工多次爆破的數據優化獲得。電子雷管延期功能一般是通過拉拔式的拔鉛方式和改動套管達到影響集成電子元件。藥芯不同對延期元件的延時精度有不同的影響，每個電子雷管都具有唯一密匙，沒有密匙，傳統的電池、起爆器以及220 V交直流電均無法起爆電子雷管，只能使用專用設備起爆，并且通過指令可以對爆破時間、爆破區域、爆破單位體主動控制。

圖3 數碼電子雷管延期裝置圖

因為電子雷管在起爆控制延時時間精度高，安全性好，人為設置、優化爆破參數可控性強；同時，隨著網絡技術的應用部分電子雷管智能性不斷提高，所以在精確延時爆破中電子雷管被廣泛使用。精確延時爆破目的是通過延期爆破時間的間隔來優化爆破參數設置，實現高單耗、強力破碎，從而提高爆破效果、降低爆破成本，最終達到巖石良好破碎效果和較好的經濟技術指標。

2 爆破巖體破碎機理

巖石在爆破過程中如何破碎，是什么因素導致破碎效果優劣一直是眾多學者研究內容。巖石作為一種拉壓比較低的材料，其在爆破破碎過程中誘因復雜，炸藥能量釋放與巖體破碎時間極短，靜力學與巖石動力學從力的角度解釋破巖機理具有廣泛的認可性。當然巖石破碎過程極其復雜，眾多學者從不同角度分析了破巖機理。

2.1 爆炸氣體膨脹壓力破壞理論

該理論用靜力學解釋了爆炸產生高溫、高壓氣體通過膨脹作用到相鄰圍巖上，藥包爆炸產生氣體同時產生沖擊作用，在巖體軟弱結構面易產生沖擊裂隙，在沖擊波能量作用下膨脹氣體壓入裂隙，沿徑向裂隙形成應力場到自由面產生破壞。吳介毅[2]研究表明爆炸沖擊作用出現后炮孔圍巖形成裂紋擴展圈，之后爆炸所產生的爆生氣體隨之擠入圍巖形成裂紋擴展圈，微觀裂紋快速擴展至宏觀裂隙。在該理論中，巖體破壞過程歸因于裂隙中受力不均和產生剪切應力引起巖體發生徑向位移；與此同時高溫、高壓氣體壓縮巖石產生應變，應變速率增長對巖石強度有一定提高，當達到巖石抗壓極限σe巖石破碎。爆炸氣體貫通到自由面后能量急劇下降，氣體殘余壓力對碎巖產生徑向拋擲作用。

2.2 沖擊應力波反射拉伸破壞理論

該理論認為爆炸后在巖石中生成的高溫、高壓氣體和高速沖擊波會劇烈沖擊圍巖引起應力波，一般情況下應力波強度會大大超過巖石抗壓強度，引起圍巖破碎。楊建華等[3]研究表明爆破應力波相互疊加使圍巖環向拉應力提高，但在炮孔連線的垂直方向上拉應力降低。應力波傳播過程中能量衰減，經過破碎圈后，由于應力波強度降低，巖石不能被直接破碎，應力波會繼續向自由面傳播。當它到達自由表面時，壓應力波在巖體自由表面反射為拉應力波。此刻波的強度大幅降低，但仍能將巖石拉至斷裂，直至漏斗范圍內巖體全部拉裂。此觀點認為導致巖石破碎的主要因素是應力波和反射波共同作用的結果；而高溫、高壓氣體對破碎和碎裂巖石起到拋擲的輔助作用。張鳳鵬等[4]研究了在節理處入射應力波分化為反射拉伸波和透射壓應力波，節理內側巖被拉伸應力波拉裂，裂紋擴展貫通至巖體表面，說明了在節理處應力波反射拉伸破壞機理。

2.3 沖擊波和爆炸氣體膨脹耦合作用拉伸破壞

由于對爆炸后的沖擊波能量和爆炸氣體膨脹能量的理解不同，提出了氣體膨脹壓力破壞理論和沖擊波拉伸破壞理論。對這兩者都有一定的研究基礎，但因為爆炸的瞬發性、復雜性和模糊性對研究的制約使得這2種理論都有欠缺之處。兩者各取所長結合各自研究成果，提出了沖擊波和爆炸氣體膨脹綜合作用理論。

該理論認為，爆破過程中巖石的破壞是由爆炸性氣體和應力波共同作用，兩者在巖石破壞的不同階段發揮各自作用。爆炸后，爆炸沖擊波沖擊圍巖，當沖擊波能量消耗達到一定程度后，沖擊波衰減為應力波在自由面處產生徑向裂隙。爆炸后氣體膨脹導致“氣楔效應”，使得巖石裂縫穿透形成碎巖，剩余能量使碎屑巖塊向外拋擲。由于巖石性質不同，巖體內應力波峰值也會不同，膨脹氣體與巖體作用時間長短等因素都影響爆破效果，可通過控制兩者到達爆破目標。一般情況下裝藥方式和炸藥猛度對巖石阻抗較為敏感，不同裝藥方式和使用不同猛度炸藥都會影響爆破效果。鄧永興等[5]采用LS-DYNA進行了數值模擬和鉆孔爆破試驗相結合的方法，研究了巖石破碎機理。結果表明，孔壁附近的破巖是由壓應力引起的，巖體孔間徑向受壓應力作用，垂直方向受拉應力作用，應力波和氣楔作用使裂紋擴展傳播，最終貫通導致巖體開裂脫落。

3 延時時間的確定

精確延時爆破時間的確定紛繁復雜，由于爆破的特性決定了爆破延時時間的精確，確定較為困難。精確延時逐孔起爆技術具有良好的實際應用效果，不僅能夠有效提高巖石的破碎效率，降低爆破振動效應，而且可以減少炸藥用量，提高爆破工程的安全性和環保性[6]。根據巖石爆破的破巖機理、爆破目的和爆破效果等機理不同又確立了不同的爆破延時時間理論，這些理論對確定延時時間提供了基礎，眾多學者在此基礎上進行修正得出各自的延時時間確定方法。通過優化延期時間控制爆破震動，這種爆破振動控制技術改善了保護物的安全性，同時又提高了爆破破巖效果[7]。本文闡述以下4種較為公認延時時間確定方法。

3.1 按應力波疊加原理確定時間間隔

這種理論由蘇聯波克洛夫斯基提出，認為氣楔效應和先產生的應力波與巖體相互作用共同使得巖石在自由面處產生應變，同時爆炸產生膨脹氣體向外逸散，導致孔內壓力壓降，而此時巖體尚未破碎，處于巖體原始裂隙壓密與彈性變形階段，當壓力降低后，巖石的彈性應力恢復，從孔內壁向圍巖產生拉伸波。該時間段是后續爆炸獲得較好爆破效果的最佳爆破時間。由此確定延遲時間的公式（1）：

式中：α-炮孔間距，m；CP-應力波傳播速度，m/s；Q-單孔裝藥量，kg。

何理等[8]研究了不同延遲時間波形的疊加，通過爆炸應變波能量的疊加確定了可以延長相鄰炮孔巖體的應力時間，從而提高巖體破碎效果。

3.2 按產生新自由面原理確定時間間隔

該方法由蘇聯學者哈努卡耶夫提出，認為爆破裂隙由最先爆炸的炸藥產生，并能夠讓巖石與原巖脫形成1 cm左右寬度的貫穿裂隙，獲得爆破效果最佳應以形成此裂縫的時間作為延時時間，由此得出計算公式（2）：

式中：t1-應力波傳至自由面并返回的時間，ms；t2-形成裂隙所需的時間，ms；t3-碎巖脫離并產生裂隙寬度達到S=1.0 cm時，所需的時間。

樓曉明等[9]對哈努卡耶夫提出的微差爆破延遲時間經驗公式進行了修正，從理論上得到了最佳延遲時間的數學模型；通過微差爆破試驗，驗證了所建立的延遲時間模型與試驗結果的一致性。劉翔宇等[10]結合現場試驗數據和數學方法擬合單孔波形，得到了單孔波形的波速和時間函數。通過對波速和時間函數的疊加計算，得到了延遲參數。

3.3 按增強碰撞作用原理確定間隔時間

這一觀點是大量研究人員通過眾多工程實踐經驗總結得出。他們認為，爆破延遲的延時時間與巖石材料性質密切相關，最小抵抗線和爆破參數對延時時間起決定性作用。由此波克羅夫斯基提出了最佳延遲時間公式（3）：

式中：α-炮孔間距，m；CP-巖石縱波傳播速度，m/s；ω-最小抵抗線，m。

3.4 為改善爆破效果確定間隔時間

該方法是控制爆破均勻塊度作為爆破目標。孔間延時對爆破效果有著十分重要的影響，不同孔間延時對應爆破后的巖石最大塊度尺寸和大塊率均不同[11]。瑞典通過工程實踐蘭格福斯總結得出，最小抵抗線在0.55～0.75 m的條件下，爆破塊度與爆破效果較好，并且有較高的保證率，由此總結得出計算公式（4）與（5）：

式中：k-系數，ms/m；巖石f值較大時，取k=3；f值較小時，取k=6；ω-最小抵抗線，m。

式中：k-綜合因素影響系數取（1～2）；通常取15～75 ms，自由面少，孔深時取100 ms。

ORICA公司通過試驗和數據得出的爆破塊度與孔間延時時間經驗曲線如圖4所示。可以得出，炮孔間最佳延期時間為每米孔距3～8 ms時破碎效果最佳，對于巖石硬度較低且巖性較軟的巖石，孔間延期時間取大值，反之取小值。依照此孔距延期時間范圍結合現場施工實際情況合理調整延期時間，可取得最佳爆破效果。

圖4 爆破塊度與孔間延時時間經驗曲線

4 基于數值模擬等方法的研究現狀

很多學者利用數值模擬來研究爆破機理相關問題。數值模擬在研究爆破機理上有其獨特優勢，在預測和分析上具有不可替代作用。在結合動靜力學等理論衍生出各種各樣的研究手段被用來分析應力應變本構關系，應力增長與巖石破壞的關系，應變增長對應力強度的影響以及應變變化規律和能耗損失等。Z.M.Zhu等[12]通過數值模擬研究引起巖石破裂現象產生的力學機理，在分析爆破裂縫在巖體中的起裂、擴展和貫通過程中，應用數值模擬軟件研究結果表明，爆破孔附近破碎區產生的主要是由剪應力主導的；徑向裂紋主要是拉應力引起的；圓周方向剝落裂紋主要是反射拉應力造成的。J.H.Yang等[13]在分析開挖過程原巖應力與破壞區的關系時，用LS-DYNA有限元軟件進行研究，結果清晰闡述了地下工程中開挖破壞區主要由原巖應力控制。魏晨慧等[14]通過數值模擬揭示了當最大主應力垂直于切槽時，爆破裂紋擴展會被大幅度抑制。G.W.Ma和X.M.An[15]通過預加載方式研究爆生裂紋分布規律，研究結果表明爆生裂紋產生和發展主要沿著預加載方向。C.P.Yi等[16]通過原巖應力對巖體破碎影響的研究，數值模擬結果表明在炮孔周邊裂紋產生、擴展主要受爆炸沖擊荷載控制，而原巖應力主要影響遠場的裂紋發展方向。L.X.Xie等[17]應用數值模擬軟件研究結果表明高原巖應力對炮孔周圍巖體的損傷程度有抑制作用。陳必港等[18]運用ANSYS/LS-DYNA軟件建立“邊坡巖體－潛在滑坡體－炮孔－炸藥－堵塞”三維有限元分析模型，確立了露天臺階爆破延期時間的選擇。Z.M.Zhu等[19]應用數值模擬解析了發生在爆破過程中的各種破壞機理。葉海旺等[20]應用機器學習的方法預測爆破巖石塊度，將留一法（LOO）與極限梯度提升（XGboost）算法相結合，構建了LOO-XGboost爆破巖石塊度預測模型。馬力等[21]建立了IPSO－ELM模型用于研究露天礦爆破拋擲效果。通過優化參數建立了粒子群算法與極限學習相結合確立了爆破拋擲效果IPSOELM預測模型。施建俊等[22]應用BP神經網絡對爆破振速進行預測，顯示了高程差對爆破振動的作用影響。Jian Zhou等[23]通過對RF和BN模型對比，總結出FSRF新的爆破振動速度預測模型，預測結果的可靠度得到了很大提高。Abiodun Ismail Lawal等[24]應用GEP、ANFIS和SCA-ANN建立了預測模型，通過現場實驗數據對爆破振動速度進行預測，得到的結果相比經驗公式精確度大幅提高。岳中文等[25]建立了基于PCAGA－SVM的露天礦爆破振動速度預測新模型，該模型比SVM和GA-SVM模型收斂速度更快，準確率更高。郭雙等[26]采用DDA方法對不同地應力條件下巖石的爆破破巖問題進行數值模擬，得到了地應力對爆生氣體壓力和爆破應力波破巖效果的影響。這些數值模擬方法的不同應用為研究精確延時破巖機理提供了更多手段，也為進一步深入研究復雜的破巖過程奠定基礎。

5 結束語

爆破精確延時破巖機理和時間間隔一直是爆破領域研究的熱點。當前對精確延時爆破機理還未能完全研究清楚，眾多學者通過已有基礎構建模型研究爆破機理。近年來，隨著礦產資源開發深度不斷加劇，高應力區精確延時破巖機理研究成為新的亟需解決的問題，但目前還尚未形成完整統一的精確延時破巖機理理論。精確延時時間的確定直接影響了工程爆破效果，怎樣確定最優爆破時間，優化爆破參數設置的研究是一個較為復雜的過程，其涉及因素較多，參數的確定、提取、研究方法的選擇等都會影響延時時間的確定。同時，采用數值模擬等新方法研究爆破領域問題也不斷取得新進展，對理解破巖機理和精確延時有一定效果，對模型結果的預測與驗證有一定優勢，但數值模擬預測結果也具有一定不穩定因素。因此，系統性解決精確延時破巖機理已成為爆破領域研究的緊迫任務。