工業(yè)電子雷管在小斷面隧道中的應(yīng)用效果分析

金小淳，馬志剛，楊 波，張勤彬

(1.四川省公安廳治安管理總隊(duì)，成都 610000； 2.雅化集團(tuán)綿陽(yáng)實(shí)業(yè)有限公司， 四川 綿陽(yáng) 621000；3. 中國(guó)中鐵爆破安全技術(shù)研發(fā)中心，成都 610031)

電子雷管是一種安全性高、精度準(zhǔn)、可靠性好的起爆器材，在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)可以任意設(shè)置時(shí)間間隔并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)起爆和數(shù)據(jù)回傳，其本質(zhì)是采用微電子芯片替代化學(xué)延時(shí)元件，能夠抵抗靜電、射頻、雜散電流以及控制振動(dòng)、撞擊等外部因素的影響[1]，可實(shí)現(xiàn)信息化管控的一種智能型起爆器材，對(duì)社會(huì)公共安全管控具有重要意義。

隨著工業(yè)信息化部、公安部對(duì)電子雷管的推廣力度的不斷增大，近幾年來(lái)，電子雷管已在露天爆破工程中取得了成熟的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果，并且已在公路、鐵路、水利水電工程及礦山等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但在地下爆破工程諸如小斷面隧道、樁井(工作面面積≤10 m2)等地質(zhì)條件惡劣、作業(yè)面狹小的工程應(yīng)用中，因人的操作不規(guī)范、雷管特點(diǎn)不同、地質(zhì)條件不良及孔網(wǎng)參數(shù)不合理等原因出現(xiàn)電子雷管拒爆、盲炮以及爆破效果不理想等問(wèn)題，工程技術(shù)人員常報(bào)怨并拒絕使用電子雷管，認(rèn)為電子雷管可靠性不高，不適合在小斷面隧道等地下工程中進(jìn)行應(yīng)用及推廣，給電子雷管在地下工程中的推廣應(yīng)用帶來(lái)了較大困擾及不便。因此，探索電子雷管在小斷面隧道中出現(xiàn)相應(yīng)問(wèn)題的具體原因及改進(jìn)措施尤為必要。

1 工程概況

四川省康定縣竹林金礦位于川西高原與四川盆地相接連地段，礦區(qū)地形地貌變化較大，平均坡度達(dá)35°，屬于高山切割地貌，爆破施工環(huán)境較差。該礦山的采掘工作面形狀為上拱直墻式，斷面尺寸2.5 m×3.0 m，片麻花崗巖，設(shè)計(jì)炮孔深度為2.5 m，前期采用導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路時(shí)循環(huán)進(jìn)尺僅達(dá)到80%左右，一般單循環(huán)可掘進(jìn)2 m左右，采用電子雷管起爆網(wǎng)路后，循環(huán)進(jìn)尺低于70%，單循環(huán)進(jìn)尺不足1.8 m，且盲炮多、爆破振動(dòng)大，不利于現(xiàn)場(chǎng)安全管控。

2 盲炮及爆破效果原因分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)盲炮情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果顯示，該金礦巷道掘進(jìn)爆破盲炮率一般都在5.5%左右，個(gè)別情況下達(dá)12.5%～16.6%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及理論分析，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)拒爆及盲炮的原因主要如下：

1)起爆信號(hào)發(fā)出后，孔內(nèi)雷管未被起爆，炸藥未起爆，但雷管取出孔外后可在安全地帶進(jìn)行正常的銷毀作業(yè)，如圖1a所示；

2)起爆信號(hào)發(fā)出后，孔內(nèi)雷管已被起爆，但炸藥未完全爆轟，炮孔內(nèi)殘留部分未爆炸藥，如圖1b所示；

3)起爆信號(hào)發(fā)出后，孔內(nèi)雷管未被起爆，炸藥未起爆，雷管取出孔外后網(wǎng)路檢測(cè)不正常，芯片損壞，如圖1c所示；

4)起爆信號(hào)發(fā)出后，雷管正常起爆，孔內(nèi)未見(jiàn)起爆后的雷管殘片，但炸藥未被起爆[2]，如圖1d所示。

圖1 常見(jiàn)的盲炮現(xiàn)象

2.2 盲炮原因分析

在實(shí)際使用過(guò)程管控中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生盲炮的原因主要有現(xiàn)場(chǎng)人員操作不當(dāng)、雷管特點(diǎn)不同、隧道地質(zhì)條件差、孔網(wǎng)參數(shù)不合理。

2.2.1 人的因素

1)部分爆破作業(yè)人員對(duì)電子雷管的特性及使用方法認(rèn)識(shí)不足，將電子雷管作為普通雷管使用，網(wǎng)路中使用鐵芯線作為連接母線，線路電阻大，同時(shí)由于隧道地下工程作業(yè)環(huán)境相對(duì)潮濕，操作人員手掌粘有泥土及水，進(jìn)行網(wǎng)路連接時(shí)常常造成網(wǎng)路虛接，在組網(wǎng)檢測(cè)時(shí)電流正常、信號(hào)正常，但起爆時(shí)由于虛接或受潮等因素導(dǎo)致局部電阻增大，充電電流不足，進(jìn)而造成雷管未被正常起爆，但雷管芯片未被破壞，可重新起爆。

2)網(wǎng)路聯(lián)接不可靠也會(huì)產(chǎn)生盲炮、拒爆現(xiàn)象，即使起爆器檢測(cè)結(jié)果正常，但也會(huì)因母線電阻過(guò)大(未使用銅線)、線卡與網(wǎng)路線聯(lián)接不匹配等現(xiàn)象導(dǎo)致盲炮發(fā)生。

2.2.2 雷管特點(diǎn)

1)國(guó)內(nèi)電子雷管所采用的電子模塊(芯片)大體分為鉭電容型和電解電容型，相對(duì)而言，鉭電容產(chǎn)品質(zhì)量更為穩(wěn)定，抗振性能優(yōu)越，但成本較電解電容產(chǎn)品高，電解電容產(chǎn)品在惡劣條件下發(fā)生盲炮及拒爆的幾率大于鉭電容產(chǎn)品。

2)雖然電子雷管的直徑及殼體材料大致與普通導(dǎo)爆管雷管相同，但由于電子雷管內(nèi)含電子控制模塊，電子雷管總長(zhǎng)度為90 mm左右，導(dǎo)爆管雷管長(zhǎng)60～70 mm，電子雷管比普通導(dǎo)爆管雷管長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)爆破作業(yè)人員按照傳統(tǒng)雷管的裝藥習(xí)慣，將電子雷管從炸藥側(cè)面插入藥卷內(nèi)部時(shí)(見(jiàn)圖2)，電子雷管的聚能穴大概率偏離藥卷的軸線位置，這使得起爆后藥卷被激發(fā)產(chǎn)生完全爆轟的可能性降低，導(dǎo)致雷管正常起爆而藥卷未充分爆轟，進(jìn)而產(chǎn)生盲炮。

圖2 不同雷管長(zhǎng)度及裝藥對(duì)比

3)電子雷管腳線一般采用雙芯絕緣護(hù)套腳線，延米質(zhì)量為15～18 g，普通導(dǎo)爆管雷管導(dǎo)爆管延米質(zhì)量?jī)H為5～8 g，進(jìn)行組網(wǎng)并線時(shí)，腳線、線卡加上母線質(zhì)量將增加，加上隧道爆破炮孔填塞質(zhì)量不佳，腳線未與藥卷捆扎牢固，雷管腳線拉力集中的炮孔極其容易將其從藥卷中拉出，導(dǎo)致藥卷爆轟不充分，產(chǎn)生相應(yīng)盲炮[3]。

2.2.3 地質(zhì)條件

在小斷面隧道爆破工程中，由于施工環(huán)境較差，常常存在掌子面滲水、炮孔內(nèi)積水的現(xiàn)象，在裝藥過(guò)程中炮桿一旦搗壞電子雷管的端頭卡口塞后產(chǎn)生裂縫，將容易滲水進(jìn)入雷管內(nèi)部導(dǎo)致電容、控制模塊及主裝藥受潮損壞，常常導(dǎo)致拒爆及盲炮的發(fā)生。此外，部分區(qū)域存在裂隙、空洞位置，裝藥時(shí)常常導(dǎo)致主裝藥起爆藥卷與起爆雷管脫離，造成拒爆及盲炮。

2.2.4 孔網(wǎng)參數(shù)

在小斷面隧道爆破作業(yè)中，由于工作面狹小且為單自由面，巖石夾制作用很大，而電子雷管控制芯片的抗沖擊性及抗振性能較差，由于炮孔間的孔間距及排間距較小，當(dāng)孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)，先爆炮孔產(chǎn)生的巨大沖擊力及質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度較大，造成電子雷管內(nèi)外部結(jié)構(gòu)被破壞，也可致使未爆炮孔內(nèi)的藥卷與藥卷、藥卷與雷管、起爆藥包與藥卷發(fā)生分離，進(jìn)而產(chǎn)生盲炮。

另外，由于孔間間隔時(shí)間設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，延時(shí)時(shí)間設(shè)置不當(dāng)，炮孔填塞不嚴(yán)，加之電子雷管采用并聯(lián)組網(wǎng)的方式，雷管腳線與母線聯(lián)結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，先爆炮孔直接將延時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)而未起爆的雷管拉出起爆藥包甚至拉出炮孔外，進(jìn)而導(dǎo)致孔內(nèi)殘留部分未爆炸藥。

2.3 爆破效果分析

未進(jìn)行孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化前，該金礦隧道掘進(jìn)爆破實(shí)施方案如圖3所示，本實(shí)施方案中，包含不裝藥空孔6個(gè)，第1層掏槽孔1個(gè)，孔深2.8 m，第2層掏槽孔2.6 m，掏槽孔線裝藥密度取0.7 kg/m，起爆時(shí)間為0 ms；輔助孔為5個(gè)，孔深2.5 m，裝藥系數(shù)為0.5 kg/m；周邊孔5個(gè)，孔深2.5 m，裝藥系數(shù)為0.3 kg/m；底板孔3個(gè)，孔深2.5 m，裝藥系數(shù)為0.4 kg/m，詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖3 優(yōu)化參數(shù)前爆破實(shí)施方案

表1 優(yōu)化前孔網(wǎng)參數(shù)

爆破后塊度不均勻，炮孔掛口嚴(yán)重，隧道爆后輪廓面不平整，超欠挖嚴(yán)重，相鄰20 m的同樁號(hào)段的爆破振動(dòng)峰值速度達(dá)到了5.60 cm/s，爆破振動(dòng)主頻為49 Hz，振動(dòng)監(jiān)測(cè)值偏大(見(jiàn)圖4)，不利于圍巖的穩(wěn)定，且常常存在盲炮現(xiàn)象，爆破效果較差。

圖4 優(yōu)化前相鄰20 m同樁號(hào)段巷道爆破振動(dòng)波形

2.4 爆破效果差的原因分析

通過(guò)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出，爆破效果差的原因主要集中于孔網(wǎng)參數(shù)不合理，主要體現(xiàn)如下：

1)炮孔數(shù)量布置不合理，炮孔數(shù)量偏少，特別是周邊及底板孔數(shù)量偏小，導(dǎo)致爆破后壁面不平整，爆破后塊度不均勻；

2)采用電子雷管起爆網(wǎng)路時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)爆破作業(yè)人員仍然按照傳統(tǒng)導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行段間延時(shí)，而未利用電子雷管精確延時(shí)的有利優(yōu)勢(shì)，造成先爆炮孔與后爆炮孔間隔時(shí)間設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，延時(shí)時(shí)間設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致破碎不均勻，爆破振動(dòng)過(guò)大；

3)采用的段間延時(shí)網(wǎng)路不合理，各炮孔間產(chǎn)生的振動(dòng)波疊加效應(yīng)明顯，先爆炮孔對(duì)后爆炮孔的沖擊破壞及振動(dòng)效應(yīng)明顯，不利于后爆炮孔中的電子雷管正常工作，通過(guò)調(diào)整延時(shí)時(shí)間發(fā)現(xiàn)，盲炮率大大得到降低，上述幾項(xiàng)因素均非影響盲炮率的關(guān)鍵要素，而合理的孔網(wǎng)參數(shù)對(duì)降低盲炮率具有顯著效果，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，采用10 ms孔間間隔對(duì)稱逐孔起爆技術(shù)盲炮率降低至1.04%。

因此，合理調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)是解決盲炮率高及爆破效果差的關(guān)鍵措施[4]。

3 對(duì)策措施

3.1 減小人為因素影響

加強(qiáng)對(duì)爆破作業(yè)人員的培訓(xùn)教育，規(guī)范進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破作業(yè)的炮孔驗(yàn)收、裝藥、填塞及連線工序；嚴(yán)格按照要求使用配套的銅芯線連接母線，嚴(yán)禁采用鐵芯線進(jìn)行代替，預(yù)防線卡與網(wǎng)路線聯(lián)接不匹配的現(xiàn)象發(fā)生；進(jìn)行網(wǎng)路連接時(shí)應(yīng)將手洗凈擦干，預(yù)防因手上的水、土等污染連接件，造成網(wǎng)路虛接。

3.2 正確掌握電子雷管特性

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)及實(shí)操考核，加深現(xiàn)場(chǎng)爆破作業(yè)人員對(duì)電子雷管特性的掌握程度，糾正其采用傳統(tǒng)的導(dǎo)爆管雷管裝藥時(shí)的雷管角度設(shè)置習(xí)慣，確保起爆藥包中的電子雷管的裝藥如圖2c所示，電子雷管須從藥卷的端面斜插入藥卷的中軸線位置，以使雷管聚能穴處于藥卷中心位置，確保正常起爆[5]。

2)應(yīng)正確分析處理先爆炮孔引起孔外腳線與連接母線對(duì)后爆炮孔拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)在裝藥過(guò)程中采用反向起爆的雷管安裝方式，保證各炮孔的填塞質(zhì)量，以預(yù)防后爆炮孔腳線拉應(yīng)力集中位置的雷管在起爆前被拉出起爆藥包甚至是炮孔外。

3.3 克服地質(zhì)條件影響

炮孔鉆鑿?fù)瓿珊?，及時(shí)對(duì)炮孔進(jìn)行驗(yàn)收，對(duì)于存在裂隙、空洞位置的炮孔進(jìn)行補(bǔ)打，預(yù)防裝藥破乳、藥卷不連續(xù)、雷管脫落、起爆藥包滑入空洞的現(xiàn)象發(fā)生；同時(shí)，在爆破作業(yè)前對(duì)各炮孔采用高壓風(fēng)進(jìn)行清吹，預(yù)防孔內(nèi)積水對(duì)電子雷管的影響；此外，裝藥作業(yè)時(shí)應(yīng)對(duì)電子雷管進(jìn)行輕微搗固密實(shí)，嚴(yán)禁用力戳捅起爆藥包及其他藥卷，進(jìn)一步克服潮濕環(huán)境下爆破作業(yè)的負(fù)面影響。

3.4 優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)

通過(guò)上述分析可以得出，爆破作業(yè)時(shí)，盲炮產(chǎn)生的原因中，孔網(wǎng)參數(shù)不合理為主要影響因素，筆者通過(guò)理論分析結(jié)合爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)波形后得出：優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)前，同段藥量過(guò)大，先爆孔產(chǎn)生的沖擊破壞及振動(dòng)效應(yīng)對(duì)電子雷管內(nèi)部控制模塊具有較大的負(fù)面影響，進(jìn)而導(dǎo)致盲炮率較高，同時(shí)也影響了爆破后的效果。

根據(jù)爆破振動(dòng)估算的相關(guān)理論，爆破振動(dòng)波及沖擊波能量隨著最大同段藥量的減小呈指數(shù)形式下降。根據(jù)波動(dòng)理論，爆破振動(dòng)波可認(rèn)為是先爆炮孔與后爆炮孔矢量合成的結(jié)果，因此，存在波的干涉原理，但波峰與波谷相遇時(shí)，干涉相消，爆破振動(dòng)波的能量被削弱，破壞效應(yīng)減弱，形成錯(cuò)峰減振的效果。根據(jù)波的疊加理論，A1、A2兩波相遇時(shí)，合成波的振幅A可以用式(1)表示。

(1)

式中：A、A1、A2、φ分別為合成波振幅、波1振幅、波2振幅、兩波相位差。

當(dāng)Δφ=(2k+1)π，A=|A1-A2|，合成振幅最小，合成的爆破振動(dòng)速度最小，兩波相遇點(diǎn)的爆破振動(dòng)波的能量最小。因此，起爆網(wǎng)路設(shè)置時(shí)，只要2個(gè)爆破振動(dòng)源相隔半個(gè)周期的整數(shù)倍進(jìn)行對(duì)稱起爆，即可獲得錯(cuò)峰減振的相應(yīng)效果[6]。

根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，爆破振動(dòng)主頻為49 Hz，根據(jù)式(2)波的周期與頻率間的關(guān)系，得出t=0.02 s。

f=1/t

(2)

根據(jù)錯(cuò)峰減振原理，為了保證爆破效果，采用半個(gè)周期(0.01 s)的孔間間隔時(shí)間進(jìn)行對(duì)稱設(shè)置起爆網(wǎng)路，相應(yīng)孔網(wǎng)參數(shù)調(diào)整如圖5及表2所示[7]。

圖5 優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)后爆破實(shí)施方案

表2 優(yōu)化后孔網(wǎng)參數(shù)

通過(guò)調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)，對(duì)起爆網(wǎng)路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，同樣在與爆破巷道相平行間隔20 m的巷道底板進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，爆破振動(dòng)峰值速度為2.97 cm/s，爆破振動(dòng)波形如圖6所示，爆破后塊度較為均勻，巷道壁面光整，半孔率達(dá)到68%。采用改進(jìn)后的10 ms孔間間隔對(duì)稱逐孔起爆技術(shù)，爆破振動(dòng)減小46%，近15次爆破日志數(shù)據(jù)顯示使用電子雷管960發(fā)，產(chǎn)生盲炮10發(fā)，盲炮率下降至1.04%，該技術(shù)的成功應(yīng)用可以有效地提高小斷面隧道中電子雷管的準(zhǔn)爆率，也可以大大改善爆破效果，炮孔利用率達(dá)92%，循環(huán)進(jìn)尺2.3 m，孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化前后爆破效果對(duì)比如圖7所示。

圖6 優(yōu)化后相鄰20 m同樁號(hào)段巷道爆破振動(dòng)波形

圖7 孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化前后爆破效果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

1)電子雷管在小斷面隧道應(yīng)用中盲炮率較高的原因主要有人為因素、電子雷管特點(diǎn)、環(huán)境地質(zhì)條件及孔網(wǎng)參數(shù)的影響4大方面，其中孔網(wǎng)參數(shù)為核心影響因素。

2)孔間采用半個(gè)振動(dòng)波的周期為孔間間隔時(shí)間，進(jìn)行對(duì)稱起爆，可以有效地削弱爆破振動(dòng)波的能量，進(jìn)而減小先爆炮孔對(duì)后爆炮孔的沖擊及振動(dòng)影響。

3)本工程中采用10 ms孔間間隔對(duì)稱逐孔起爆技術(shù)后，最大同段起爆藥量顯著降低，相鄰20 m同樁號(hào)段的巷道底板振動(dòng)峰值速度從5.60 cm/s降低至2.97 cm/s，減振率達(dá)46%。

4)通過(guò)孔網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化，盲炮率從5.50%降低至1.04%，大大降低了小斷面隧道掘進(jìn)中的盲炮發(fā)生率，還進(jìn)一步改善了爆破效果，循環(huán)進(jìn)尺由1.8 m提升為2.3 m，炮孔利用率達(dá)到了92%。