精确延时破岩机理综述

孟 彪，贾世杰，赵国强

（1.新疆雪峰科技（集团）股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆雪峰爆破工程有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

爆破被广泛应用于现代工程实践中，特别是近现代人类工程活动促使爆破理论不断发展完善，仅对常见爆破技术进行统计分类大概为14种[1],如下：（1）岩土爆破；（2）露天爆破；（3）地下爆破；（4）浅孔爆破；（5）深孔爆破；（6）复杂环境爆破；（7）掘进爆破；（8）硐室爆破；（9）水下爆破；（10）预裂爆破；（11）光面爆破；（12）延时爆破；（13）拆除爆破；（14）特种爆破。近年来随着电子技术发展应用于爆破领域，电子雷管的出现为精确延时爆破提供了前所未有的广阔空间，也为分析起爆时间对爆破效果的影响提供了基础。目前，国内外对精确延时破岩机理的研究主要集中在以爆炸性气体膨胀破碎岩石；冲击波反向拉伸破坏围岩；冲击波、压缩波与爆炸气体联合作用；还有学者从功能平衡角度探究与应用流体动力学基本观点等原理阐述爆破机理。

国内外对延时爆破破岩理论主要以爆炸气体膨胀压破理论、冲击波拉伸破坏理论、冲击波和爆破气体综合作用理论、功能平衡理论、流体动力学理论和能量理论等开展研究，并对延时爆破时间控制，岩石破碎效果，不同应力场应力条件以及应用数值模拟进行研究。

1 电子雷管精确延时

精确延时爆破主要有2类，一类是导爆管精确延时，起爆网络如图1所示；另一类是电子雷管精确延时，起爆网络如图2所示。导爆管精确延时全部由导爆管雷管组成，利用孔内外不同段位的雷管串联达到延时控制。电子雷管精确延时主要依靠数码电子雷管自身产品性能实现延时控制。

图1 导爆管雷管起爆网络

图2 电子雷管起爆网络

目前，大多数精确延时爆破多使用数码电子雷管，数码电子雷管通过安装PBC电路板专业集成芯片实现延时控制，其结构如图3所示，延时精度一般可达到1 ms。数码电子雷管精确延时爆破技术主要是利用电子雷管延时时间精度来控制相邻炮孔间起爆时间来减小爆破振动的危害，提高炸药利用率，达到爆破目的。目前合理的延时时间选择还没用公认的理论公式，多采用前人研究的经验公式和实地施工多次爆破的数据优化获得。电子雷管延期功能一般是通过拉拔式的拔铅方式和改动套管达到影响集成电子元件。药芯不同对延期元件的延时精度有不同的影响，每个电子雷管都具有唯一密匙，没有密匙，传统的电池、起爆器以及220 V交直流电均无法起爆电子雷管，只能使用专用设备起爆，并且通过指令可以对爆破时间、爆破区域、爆破单位体主动控制。

图3 数码电子雷管延期装置图

因为电子雷管在起爆控制延时时间精度高，安全性好，人为设置、优化爆破参数可控性强；同时，随着网络技术的应用部分电子雷管智能性不断提高，所以在精确延时爆破中电子雷管被广泛使用。精确延时爆破目的是通过延期爆破时间的间隔来优化爆破参数设置，实现高单耗、强力破碎，从而提高爆破效果、降低爆破成本，最终达到岩石良好破碎效果和较好的经济技术指标。

2 爆破岩体破碎机理

岩石在爆破过程中如何破碎，是什么因素导致破碎效果优劣一直是众多学者研究内容。岩石作为一种拉压比较低的材料，其在爆破破碎过程中诱因复杂，炸药能量释放与岩体破碎时间极短，静力学与岩石动力学从力的角度解释破岩机理具有广泛的认可性。当然岩石破碎过程极其复杂，众多学者从不同角度分析了破岩机理。

2.1 爆炸气体膨胀压力破坏理论

该理论用静力学解释了爆炸产生高温、高压气体通过膨胀作用到相邻围岩上，药包爆炸产生气体同时产生冲击作用，在岩体软弱结构面易产生冲击裂隙，在冲击波能量作用下膨胀气体压入裂隙，沿径向裂隙形成应力场到自由面产生破坏。吴介毅[2]研究表明爆炸冲击作用出现后炮孔围岩形成裂纹扩展圈，之后爆炸所产生的爆生气体随之挤入围岩形成裂纹扩展圈，微观裂纹快速扩展至宏观裂隙。在该理论中，岩体破坏过程归因于裂隙中受力不均和产生剪切应力引起岩体发生径向位移；与此同时高温、高压气体压缩岩石产生应变，应变速率增长对岩石强度有一定提高，当达到岩石抗压极限σe岩石破碎。爆炸气体贯通到自由面后能量急剧下降，气体残余压力对碎岩产生径向抛掷作用。

2.2 冲击应力波反射拉伸破坏理论

该理论认为爆炸后在岩石中生成的高温、高压气体和高速冲击波会剧烈冲击围岩引起应力波，一般情况下应力波强度会大大超过岩石抗压强度，引起围岩破碎。杨建华等[3]研究表明爆破应力波相互叠加使围岩环向拉应力提高，但在炮孔连线的垂直方向上拉应力降低。应力波传播过程中能量衰减，经过破碎圈后，由于应力波强度降低，岩石不能被直接破碎，应力波会继续向自由面传播。当它到达自由表面时，压应力波在岩体自由表面反射为拉应力波。此刻波的强度大幅降低，但仍能将岩石拉至断裂，直至漏斗范围内岩体全部拉裂。此观点认为导致岩石破碎的主要因素是应力波和反射波共同作用的结果；而高温、高压气体对破碎和碎裂岩石起到抛掷的辅助作用。张凤鹏等[4]研究了在节理处入射应力波分化为反射拉伸波和透射压应力波，节理内侧岩被拉伸应力波拉裂，裂纹扩展贯通至岩体表面，说明了在节理处应力波反射拉伸破坏机理。

2.3 冲击波和爆炸气体膨胀耦合作用拉伸破坏

由于对爆炸后的冲击波能量和爆炸气体膨胀能量的理解不同，提出了气体膨胀压力破坏理论和冲击波拉伸破坏理论。对这两者都有一定的研究基础，但因为爆炸的瞬发性、复杂性和模糊性对研究的制约使得这2种理论都有欠缺之处。两者各取所长结合各自研究成果，提出了冲击波和爆炸气体膨胀综合作用理论。

该理论认为，爆破过程中岩石的破坏是由爆炸性气体和应力波共同作用，两者在岩石破坏的不同阶段发挥各自作用。爆炸后，爆炸冲击波冲击围岩，当冲击波能量消耗达到一定程度后，冲击波衰减为应力波在自由面处产生径向裂隙。爆炸后气体膨胀导致“气楔效应”，使得岩石裂缝穿透形成碎岩，剩余能量使碎屑岩块向外抛掷。由于岩石性质不同，岩体内应力波峰值也会不同，膨胀气体与岩体作用时间长短等因素都影响爆破效果，可通过控制两者到达爆破目标。一般情况下装药方式和炸药猛度对岩石阻抗较为敏感，不同装药方式和使用不同猛度炸药都会影响爆破效果。邓永兴等[5]采用LS-DYNA进行了数值模拟和钻孔爆破试验相结合的方法，研究了岩石破碎机理。结果表明，孔壁附近的破岩是由压应力引起的，岩体孔间径向受压应力作用，垂直方向受拉应力作用，应力波和气楔作用使裂纹扩展传播，最终贯通导致岩体开裂脱落。

3 延时时间的确定

精确延时爆破时间的确定纷繁复杂，由于爆破的特性决定了爆破延时时间的精确，确定较为困难。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[6]。根据岩石爆破的破岩机理、爆破目的和爆破效果等机理不同又确立了不同的爆破延时时间理论，这些理论对确定延时时间提供了基础，众多学者在此基础上进行修正得出各自的延时时间确定方法。通过优化延期时间控制爆破震动，这种爆破振动控制技术改善了保护物的安全性，同时又提高了爆破破岩效果[7]。本文阐述以下4种较为公认延时时间确定方法。

3.1 按应力波叠加原理确定时间间隔

这种理论由苏联波克洛夫斯基提出，认为气楔效应和先产生的应力波与岩体相互作用共同使得岩石在自由面处产生应变，同时爆炸产生膨胀气体向外逸散，导致孔内压力压降，而此时岩体尚未破碎，处于岩体原始裂隙压密与弹性变形阶段，当压力降低后，岩石的弹性应力恢复，从孔内壁向围岩产生拉伸波。该时间段是后续爆炸获得较好爆破效果的最佳爆破时间。由此确定延迟时间的公式（1）：

式中：α-炮孔间距，m；CP-应力波传播速度，m/s；Q-单孔装药量，kg。

何理等[8]研究了不同延迟时间波形的叠加，通过爆炸应变波能量的叠加确定了可以延长相邻炮孔岩体的应力时间，从而提高岩体破碎效果。

3.2 按产生新自由面原理确定时间间隔

该方法由苏联学者哈努卡耶夫提出，认为爆破裂隙由最先爆炸的炸药产生，并能够让岩石与原岩脱形成1 cm左右宽度的贯穿裂隙，获得爆破效果最佳应以形成此裂缝的时间作为延时时间，由此得出计算公式（2）：

式中：t1-应力波传至自由面并返回的时间，ms；t2-形成裂隙所需的时间，ms；t3-碎岩脱离并产生裂隙宽度达到S=1.0 cm时，所需的时间。

楼晓明等[9]对哈努卡耶夫提出的微差爆破延迟时间经验公式进行了修正，从理论上得到了最佳延迟时间的数学模型；通过微差爆破试验，验证了所建立的延迟时间模型与试验结果的一致性。刘翔宇等[10]结合现场试验数据和数学方法拟合单孔波形，得到了单孔波形的波速和时间函数。通过对波速和时间函数的叠加计算，得到了延迟参数。

3.3 按增强碰撞作用原理确定间隔时间

这一观点是大量研究人员通过众多工程实践经验总结得出。他们认为，爆破延迟的延时时间与岩石材料性质密切相关，最小抵抗线和爆破参数对延时时间起决定性作用。由此波克罗夫斯基提出了最佳延迟时间公式（3）：

式中：α-炮孔间距，m；CP-岩石纵波传播速度，m/s；ω-最小抵抗线，m。

3.4 为改善爆破效果确定间隔时间

该方法是控制爆破均匀块度作为爆破目标。孔间延时对爆破效果有着十分重要的影响，不同孔间延时对应爆破后的岩石最大块度尺寸和大块率均不同[11]。瑞典通过工程实践兰格福斯总结得出，最小抵抗线在0.55～0.75 m的条件下，爆破块度与爆破效果较好，并且有较高的保证率，由此总结得出计算公式（4）与（5）：

式中：k-系数，ms/m；岩石f值较大时，取k=3；f值较小时，取k=6；ω-最小抵抗线，m。

式中：k-综合因素影响系数取（1～2）；通常取15～75 ms，自由面少，孔深时取100 ms。

ORICA公司通过试验和数据得出的爆破块度与孔间延时时间经验曲线如图4所示。可以得出，炮孔间最佳延期时间为每米孔距3～8 ms时破碎效果最佳，对于岩石硬度较低且岩性较软的岩石，孔间延期时间取大值，反之取小值。依照此孔距延期时间范围结合现场施工实际情况合理调整延期时间，可取得最佳爆破效果。

图4 爆破块度与孔间延时时间经验曲线

4 基于数值模拟等方法的研究现状

很多学者利用数值模拟来研究爆破机理相关问题。数值模拟在研究爆破机理上有其独特优势，在预测和分析上具有不可替代作用。在结合动静力学等理论衍生出各种各样的研究手段被用来分析应力应变本构关系，应力增长与岩石破坏的关系，应变增长对应力强度的影响以及应变变化规律和能耗损失等。Z.M.Zhu等[12]通过数值模拟研究引起岩石破裂现象产生的力学机理，在分析爆破裂缝在岩体中的起裂、扩展和贯通过程中，应用数值模拟软件研究结果表明，爆破孔附近破碎区产生的主要是由剪应力主导的；径向裂纹主要是拉应力引起的；圆周方向剥落裂纹主要是反射拉应力造成的。J.H.Yang等[13]在分析开挖过程原岩应力与破坏区的关系时，用LS-DYNA有限元软件进行研究，结果清晰阐述了地下工程中开挖破坏区主要由原岩应力控制。魏晨慧等[14]通过数值模拟揭示了当最大主应力垂直于切槽时，爆破裂纹扩展会被大幅度抑制。G.W.Ma和X.M.An[15]通过预加载方式研究爆生裂纹分布规律，研究结果表明爆生裂纹产生和发展主要沿着预加载方向。C.P.Yi等[16]通过原岩应力对岩体破碎影响的研究，数值模拟结果表明在炮孔周边裂纹产生、扩展主要受爆炸冲击荷载控制，而原岩应力主要影响远场的裂纹发展方向。L.X.Xie等[17]应用数值模拟软件研究结果表明高原岩应力对炮孔周围岩体的损伤程度有抑制作用。陈必港等[18]运用ANSYS/LS-DYNA软件建立“边坡岩体－潜在滑坡体－炮孔－炸药－堵塞”三维有限元分析模型，确立了露天台阶爆破延期时间的选择。Z.M.Zhu等[19]应用数值模拟解析了发生在爆破过程中的各种破坏机理。叶海旺等[20]应用机器学习的方法预测爆破岩石块度，将留一法（LOO）与极限梯度提升（XGboost）算法相结合，构建了LOO-XGboost爆破岩石块度预测模型。马力等[21]建立了IPSO－ELM模型用于研究露天矿爆破抛掷效果。通过优化参数建立了粒子群算法与极限学习相结合确立了爆破抛掷效果IPSOELM预测模型。施建俊等[22]应用BP神经网络对爆破振速进行预测，显示了高程差对爆破振动的作用影响。Jian Zhou等[23]通过对RF和BN模型对比，总结出FSRF新的爆破振动速度预测模型，预测结果的可靠度得到了很大提高。Abiodun Ismail Lawal等[24]应用GEP、ANFIS和SCA-ANN建立了预测模型，通过现场实验数据对爆破振动速度进行预测，得到的结果相比经验公式精确度大幅提高。岳中文等[25]建立了基于PCAGA－SVM的露天矿爆破振动速度预测新模型，该模型比SVM和GA-SVM模型收敛速度更快，准确率更高。郭双等[26]采用DDA方法对不同地应力条件下岩石的爆破破岩问题进行数值模拟，得到了地应力对爆生气体压力和爆破应力波破岩效果的影响。这些数值模拟方法的不同应用为研究精确延时破岩机理提供了更多手段，也为进一步深入研究复杂的破岩过程奠定基础。

5 结束语

爆破精确延时破岩机理和时间间隔一直是爆破领域研究的热点。当前对精确延时爆破机理还未能完全研究清楚，众多学者通过已有基础构建模型研究爆破机理。近年来，随着矿产资源开发深度不断加剧，高应力区精确延时破岩机理研究成为新的亟需解决的问题，但目前还尚未形成完整统一的精确延时破岩机理理论。精确延时时间的确定直接影响了工程爆破效果，怎样确定最优爆破时间，优化爆破参数设置的研究是一个较为复杂的过程，其涉及因素较多，参数的确定、提取、研究方法的选择等都会影响延时时间的确定。同时，采用数值模拟等新方法研究爆破领域问题也不断取得新进展，对理解破岩机理和精确延时有一定效果，对模型结果的预测与验证有一定优势，但数值模拟预测结果也具有一定不稳定因素。因此，系统性解决精确延时破岩机理已成为爆破领域研究的紧迫任务。