最短列内孔间延时爆破方法及爆破和延时工具

摘要

本申请公开了一种短列内延时爆破方法，用该方法可以在0.1ms～4.5ms的最短列内孔间延时时间内起爆爆破孔，使得在已被起爆的邻近爆破孔里传播出来的应力场中的下一个爆破孔的应力场传播。这样可以显著改善大量爆破气和爆破声所引起的爆破能损失以及环境冲击。本发明的最短列内孔间延时时间由包括并联起爆系统“火化”的非电式双向起爆系统提供，其中最短列内孔间延时时间以用于在列内爆破孔之间传达起爆信号所需要的塑料管道爆线的长度来确保。这样就可以提供精密而低成本的爆破工具兼延时工具，从而可减少以前列内爆破孔里利用9、17、25、42ms延时雷管所产生的巨大经济损失，并能将炸药能量效果提高大于1.5倍。最短列内孔间延时时间可以由电子起爆系统提供，但此时爆破工具的成本高达5倍以上。本发明基于50多年的实践经验而且已应用在20多年的爆破实践中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种爆破方法，具体而言，涉及在很短的列内延时时间间隔里起爆爆破孔的爆破方法。本发明又跟爆破工具以及延时工具有关系。

背景技术

在岩石爆破领域，一般利用凿岩机或钻孔机在岩石上打爆破孔并在爆破孔里装炸药进行爆破。在这些爆破孔中至少局部装满炸药，而且将一个以上的起爆工具连接到每个爆破装药部位。起爆信号被传输到起爆区域的一个以上的起爆工具而引起爆破。

至今为止，研究开发出了许多爆破方法，然而爆破气体的喷出和巨大的爆破声被认为是露天爆破的不可避免的伴随物。这种现象明显意味着装满在爆破孔里的炸药能量的损失，并且对周围环境造成巨大的恐怖和冲击。

爆破的效果最终决定于岩石的破碎粒度。

在露天台阶爆破时以预定时间间隔延时爆破的延时爆破方法具有提高岩石的破碎质量、针对结构物的振动破坏少和爆破效率得到改善等优点。

目前列间延时爆破方法在本技术领域上广泛地被应用，但列内孔间延时爆破还处在研发阶段，其可以影响所以为获得合理的列内延时时间进行着很多实验和研究。

在此，最重要的因素是在露天台阶爆破时的，沿一个列内孔间爆破孔延时时间的合理选择，该因素影响着每爆破孔中通过爆炸装药爆破所传播的应力场的合成。

确定能够保障最佳破碎质量的列间、列内延时时间范围并且开发可保证这些延时时间的爆破工具兼延时装置是非常重要的问题。

本领域中已公开了不包含过大的炸药消费而可以以调整装药布置和相对延时时间的方式实现岩石破碎最优化的很多爆破方法。

作为一例，一种爆破方法在1975年9月5日发表的美国专利US 3,903,79上被提出。在该专利中，裂缝在起爆后0～10ms内发生并且此后裂缝的扩展在大约10ms到60ms的时间内进行，空气的遗漏和岩石的移动从起爆大约过100ms以后开始进行。

很多装药在列内以10ms或者其以上的延时时间间隔被起爆，且在列间以25ms到150ms的时间间隔被起爆。

在2005年12月29日由ORICA集团发表的WO 2005/124272国际专利上可以看到另一个事例，该专利公开中用5ms的时间间隔起爆爆破孔，从而在2到7个爆破孔所组成的近邻爆破孔之间引发应力波冲突以改善破碎质量和减少爆破震动。

如在“爆破工程手册(Blasting engineering hand book),kyorits-pub.co.jp,2001.8.1.日本印刷”所发表，可保证有效破碎粒度的列内起爆时间间隔可以用下述公式(1)决定。

t＝k×w(1)

k：实验参数.ms/m，w：最小阻抗线.m

k＝3～5(兰格福斯,1967),5～8(古斯塔夫松,1981),3.3～10(斯塔格,1987)

欧洲的U.兰格福斯提出将延时时间定为每米最小阻抗线3～5ms/m是最为合理，如果按照上式计算延时时间，阻抗线为(W)3～12m时的延时时间(t)在9ms～60ms的范围内。

R.古斯塔夫松提出将延时时间定为5～8ms/m是最为合理，此时阻抗线为W＝3～12m时延时时间在t＝15ms～96ms的范围。

M.S.斯塔格和S.A.Rholl建议将每列中列内延时时间定为每米最小阻抗线3.3～10ms/m是最为合理，阻抗线W＝3～12m时，延时时间在t＝9.9ms～120ms的范围。

依照露天台阶爆破的列内延时时间为9ms～120ms和列间延时时间为25ms～120ms，延时时间范围没多大差别。

在奥斯订公司(Austin)所发表的“非电启动系统用户指南2014.1.印刷”上提出，地表连接器的延时时间可定为9ms、17ms、25ms、33ms、42ms、67ms、100ms、200ms。

奥利科公司在2014年的网页上介绍了延时时间为9ms、17ms、25ms、42ms、65ms、100ms、150ms、200ms的非电式地表连接器，并提出带有电子雷管及数字爆破系统并喷出大量爆破气的露天台阶爆破。

代诺诺波尔公司2014年介绍9ms、17ms、25ms、42ms、67ms地表连接器作为自己的产品。

美国等国家所开发的用于露天及地下开采场爆破的塑料管道爆线连接器为9ms、17ms、25ms、33ms、42ms、50ms、67ms、72ms、100ms、150ms、200ms、250ms。然而这些连接器都用作为串联连接方式的所谓“NONEL”方式的单向起爆方式而且其可信度很低。为了提高爆破回路中连接器的可信度，40年来代诺诺波尔公司的专利WO 2008/039484(2008年4月3日发表)和多贝别克福特的专利WO 2010/046596(2010年4月29日发表)等各种专利陆续被发表，但是在多量开采的露天爆破中该类爆破回路连接器的起爆可靠性永远达不到双向起爆(并联)方式的水平。关于上述方式在专利发明家发表的国际专利WO 20008/146954(2008年12月4日)上明确叙述。

美国专利US 7406918(2008年8月5日)提出有关爆破孔布置和电子雷管的精密时间控制的爆破方法，在该专利中利用列内爆破孔之间延时时间可以沿着目标方向延长岩石堆移动，而且每列垂直于移动方向，列内爆破孔之间的延时时间在列内每1m的第一爆破孔间距中为4ms。

用于强化沿着特别方向的岩石堆移动的特定的爆破几何形状包括如下的优选的爆破孔布置模式的利用：爆破孔爆破孔间距(a)对列间垂直距离(W)(垂直于所要求移动方向的爆破孔列)的比例为1:2～3:2，优选采用7:10～6:5，最优选采用7:10～1:1的比例爆破孔。

此外还提出在爆破场以改变爆破孔排列和爆破孔之间的时间可以增加或减少所要求岩石堆移动。

奥利科ORICA公司在2011年11月20日公开的专利文献WO 2011/127540上公开高露天台阶爆破，在此，普通的列内延时时间爆破孔延时时间为150ms，其中，将列内孔间延时时间定为在1列时为10ms，在2～6列时为5ms，在7列时为15ms，在8列时为25ms。

这显示，通过改变露天台阶的爆破孔布置因素特别是列内爆破孔之间延时时间间隔，可控制转交给岩石的能量。

这些年提出的爆破方法中有一些进展，但是还需要研发出不需要过量的炸药的先进的爆破方法、爆破工具和装置，并保证高效率岩石破碎粒度。

尤其，还需要开发更先进的爆破方法，以废除以前被认为是露天爆破的一般现象和特征的，例如，大量爆破气喷出、巨大爆破声和过大地表震动等环境破坏，从而提高岩石的破碎质量。

发明内容

发明家们专注于防止在露天台阶爆破中用毫秒延时雷管所导致的经济损失，和由爆破气及巨大爆破声所引起的环境破坏而公开本发明，并公开了本发明。

本发明的一个目的在于，提供没有爆破气喷出和巨大爆破声所导致的炸药能损失的岩石爆破方法。

本发明的另一个目的在于提供一种岩石爆破方法，其在最短的列内孔间延时时间间隔起爆炸药，使得向岩石里传达最大能量和形成最大疲劳破坏，从而获得显著改进的岩石破碎质量。

本发明的又一个目的在于，提供能够以低成本和高精密性来保证最短列内孔间延时时间间隔的延时装置和爆破工具。

附图说明

图1露天台阶最短的列内孔间延时爆破回路与每爆破孔延时时间(列内孔间2.5ms、列间45ms的间隔)。

图2露天台阶短孔间延时爆破的岩石破碎过程。

图3隧道下部短列内延时爆破回路与每爆破孔延时时间(列内孔间0.1ms、列间25ms的间隔)。

图4露天及地下开采场的最短孔间延时爆破回路与每爆破孔延时时间(列内1ms、列间30ms的间隔)。

图5露天台阶最短孔间延时爆破回路与每爆破孔延时时间(列内孔间2ms、列间45ms的间隔)。

图6露天台阶最短孔间延时爆破回路与每爆破孔延时时间(列内孔间3ms、列间45ms的间隔)。

图7露天台阶最短孔间延时爆破回路与每爆破孔延时时间(列内孔间3.5ms、列间45ms的间隔)。

符号说明

1：双向起爆的塑料管道爆线2：双向列间延时连接器

3：并联连接器4：延时时间

具体实施方式

1)露天台阶最短的孔间(列内)延时爆破方法

本发明提供了一种短列内延时爆破方法，是无爆破气及炮声并可改善破碎质量的爆破方法，本发明基于50多年的实践经验而且已应用在20多年的爆破实践中，其方法由如下步骤组成：

-在延时中钻出两列或两列以上的爆破孔，其中每列包括2～25个爆破孔，这些爆破孔在列内和列间彼此相邻；

-向每一个炮眼进行装药；

-将各个炸药连接到每个爆炸装置。

--利用所连接的爆破起爆工具，以最短延时时间间隔使每一个装药起爆，从而使从前一个起爆的爆破孔传递的应力场中的下一个爆破孔起爆。

为了减少露天台阶爆破中爆破气喷出和炮声所引起的炸药损失而提出了很多爆破方法，但这些方法只可迟缓爆破气喷出并不能完全废除。

发明家们表明，以前有过很多爆破试验就是为了减少爆破气喷出，但是再强的充填物(急结混凝土)、封锁炸药和空间分离装药也没法阻挡爆破气的喷出。他们经过长时间的研究发现如果合理选择列内爆破孔之间延时时间，可以完全阻挡爆破气的喷出。

从此，发明家们就认为爆破气喷出原因在于列内爆破孔之间应力波的冲突现象，即如果互相邻近的两个爆破孔的应力波在连接两个孔的直线上碰撞，在该部位引起应力集中并且裂缝的形成早于其它部位。爆破孔里的高压爆破气扩张此裂缝并在岩石被破坏而进行移动之前被喷出到大气中。

发明家们通过对利用引爆线作为爆破工具的露天台阶爆破过程进行摄影和分析，证明爆破气喷出接连于引爆线的爆轰而陆续开始。

通过引爆线、岩坂的特性和爆破因素的考察，可知在露天台阶爆破中列内爆破孔之间应力波陆续进行合成(冲突)。

露天台阶爆破的第一、第二列中爆破孔间距对列间垂直距离的比例为1:2(m＝a/w＝0.5)、1:1(m＝a/w＝1)，爆破孔间距(a)为5～7m(炮孔的直径为265mm)的条件下，从爆破孔里传播出来的应力波较密集，因此随着应力波的连续合成(冲突)而进行爆破。

应力波的合成(冲突)随着爆破孔的排列而增大，例如，从第一爆破孔和第二爆破孔传播的两个应力场在第二爆破孔的墙壁的0.5m附近处合成(冲突)，而且从第三爆破孔和第四爆破孔传播的两个应力场在第三爆破孔的墙壁的0.5m、1m附近处分别合成(冲突)合成(冲突)。

假设在列内有n个爆破孔时，因为n-1个入射应力和n-5个反射应力场的连续合成(冲突)而引起局部应力集中，同时伴随着疲劳破坏。

通常，如果疲劳破坏作用到材料，材料的强度降低到1/2～1/5。在爆破孔壁附近出现疲劳破坏的集中，并且在该部位附近形成比其他任何部位都更深的裂缝，随着引爆线的起爆，爆破气立即从爆破孔中产生并开始连续地喷出，其爆破气排放的高度达到25m～35m。

所以发明家们指出，为了减少大量的爆破气喷出，应该消除应力波冲突。

应力波的冲突是银两个爆破孔中所发生的反方向应力波的互相碰撞而发生的现象，因此一个爆破孔起爆所形成的应力波经过邻近爆破孔后起爆下一个爆破孔即可防止应力波集中。

为了在爆破孔之间的间距对列间的垂直距离之比为1:2～6:5(m＝a/w＝0.5～1.2)的爆破孔布置中完全消除大量爆破气的喷出和巨大爆破声所引起的爆破能损失而获得最佳岩石破碎，就应该应用最短列内爆破孔之间的延时时间间隔。

最短延时时间间隔应根据岩石种类、条件和爆破孔的几何排列等因素而选定。

在优选实施例中，对于大多数岩石类型，最典型的爆破孔间延时时间范围在每米的爆破孔间距离中为0.182ms～0.334ms，而该范围内的列内延时时间是能够将最大能量传递给岩石破碎中而不提供巨大炮声或爆破能量损失的最短延时时间。

爆破孔间距为0.5m～7m时最短列内延时时间为0.1ms～2.5ms。

在每米的爆破孔间距内从0ms到0.181ms～0.333ms的延时时间会引起巨大爆破气的喷出和炮声等环境冲击，而此时即使利用充填塞、空间分离装药和封锁装药等方式也不能完全阻挡爆破气喷出，只能将其迟缓几微秒到几十毫秒。

利用，例如非电式“火花”起爆系统或电子起爆系统等，就能将这些延时控制在0.1ms公差的范围中。

在本发明的针对岩石破碎性强化的地区的另一方面，利用1～3个或者以上的高精密雷管，并且在爆破孔内的起爆雷管之间的延迟控制在1.5微秒或者其以下，优选为0。

根据本发明的爆破方法中，即使在爆炸装药柱的上部分利用起爆剂或起爆用雷管也不发生起爆破气喷出和巨大爆破声所导致的爆破能损失。

优选地，起爆雷管之一位于爆破孔底部或上部附近，而其它就可以以预定的间隔布置于装药柱。

此外，还发现了如下实时：岩石的破碎性可以根据列内延时时间对列间延时时间的预定比例而可以提高。通常，该比例为6:1以上，最好是30:1以上。

为达到提高岩石破碎性和最优化岩石堆移动的目的，可根据岩石类型和爆破孔位置将列间延时时间定为t_row＝25ms～65ms，但是如果不考虑岩石破碎性而最小化岩石堆移动，则t_row＝65ms～300ms。

列内爆破孔之间的延时时间通常在每列内为是一个恒定的值，但可以变。

形成于岩石的阻抗线每米的列间延时时间可以是恒定的值，也可根据每列破碎性的要求而变化，

并且爆破孔里的起爆雷管的位置和雷管之间的延时可以根据所需要的碎片而在爆破期间内改变。

当列内孔间延时时间为(0.182～0.334)ms/m×a时，可避免列内爆破孔之间发生的应力场的冲突，并且在已形成的应力场中产生新的应力场的传播。例如，具体看，第一爆破孔起爆发生的应力场经过第二爆破孔后，第二爆破孔被起爆，从而由其产生的应力场在第一爆破孔的应力场中被传播。

第二爆破孔的应力场经过第三爆破孔后第三爆破孔被起爆，第三爆破孔的入射应力场在第一爆破孔和第二爆破孔的应力场中被传播。

同样第n个爆破孔的入射应力场在第n-1个入射和反射应力场中被传播。

通过如上所述地消除应力场的冲突，可以减少爆破气的喷出和炮声，还可除去应力冲突部位上的应力集中，使得炸药能量更均匀地分布在岩石，从而可提高岩石的破碎。

此外，在预传播的应力场中的新的应力场的发生会加大对岩石强度的影响。

力学角度上看，如果将随时间变化的负荷或循环负荷作用到材料，材料的强度急剧降低(降低大约2～5倍)，从而发生强大的破坏。

如果岩石中列内爆破孔被起爆而各种大小的应力场随着时间变化而在应力场中连续传播，则岩石强度会急剧下降，这样可以以同样的炸药能量获得更好的破碎效果。

应力场在预传播的应力场内的传播可以提供以下的优点：

·防止应力波的冲突，从而消除爆破气的喷出和炮声而减少炸药能量的损失；

·防止应力的集中，炸药能量就均匀地分布在被破碎岩石的各部位；

·将可变动态负荷作用到岩石上，从而降低岩石的强度；

·最大限度地利用比压应力破碎性更强的的拉应力，从而提高破碎质量。

发明家们通过20年的露天台阶爆破实践而确定了在上述(0.182～0.334)ms/m的所有延时时间里几乎没有爆破气的喷出和炮声。

如上所述可提高岩石破碎质量的最佳延时时间范围如下。

由循环作用的邻近爆破孔应力所重叠的合成应力会作用在露天台阶面的最小阻抗线的一个点0上。

在爆破条件(炸药量、装药距离、爆破孔形态、爆破孔位置、阻抗线、爆破孔之间距离和充填距离)不变的情况下，作用到0点的应力场的数目越多，岩石破碎质量越高。

列内第二个爆破孔的相对应力的大小为67％，第九个爆破孔的相对应力为3.1％，从而可以看到从爆破孔到0点的距离越大，作用到0点的应力越小。

此外，列内爆破孔之间延时时间越短，作用到0点的应力场的数目越多，合成应力的大小就越大。例如，列内延时时间为1.5ms时，作用到0点的爆破孔的数目为7个，5ms时是3个，17ms时是1个，那说明5ms时具有比17ms大1.5倍以上的爆破能量，1.5ms时与17ms时相比有2倍以上的爆破能量。

为了用同样的炸药量获得更好的破碎效果，应该将更多的炸药能量分布在岩石的各部分。

通常，岩石在压应力的(1/1CM/15)倍的拉应力的作用下就会更容易破碎，所以高效利用反射应力场的列内爆破孔间延时时间，在爆破孔之间的距离对列间垂直距离的比例为1:1时，对大多数类型的岩石而言，在每米岩石堆或爆破孔之间内为0.43ms～0.8ms。

对所有类型的岩石，在从自由面反射出来的反射应力场到达2号爆破孔的时间(0.43～0.8)ms/m×a m内，1号和2号爆破孔破碎面积的100％会落在从1号爆破孔里传播的入射应力和反射应力场中。

从而，虽然反射应力场比入射应力场小，但可以对岩石的破碎造成很大的影响。

利用高效利用反射应力场即可获得优秀的破碎质量的事实也可以通过宽孔间距爆破而知道。

发明家们通过宽间距爆破中应力传播过程的研究提出，在应力波的干涉合成时爆破孔间距对列间垂直距离的比例从1:1增加到4:1的情况下，只有在每爆破孔的破碎面积中入射应力和反射应力会增大，从而破碎质量得到改善。

欧洲的U.兰格弗斯通过实验确定宽间距爆破中具有更好的破碎效果，这说明利用发射应力场即可提高破碎效果。

列内孔间延时时间的最大限度可以认为是从岩石破碎到开始移动的时间。

如果岩石破碎而其间隙宽度达到10mm以上的话，其间隙可以看成是自由面，实际上在岩石里应力就不可能传播。

根据高速摄影而得出，从第一个爆破孔被起爆后17ms时露天台阶的45％的岩磐的被破碎移动、33ms时为70％、50ms时为和90％根据以上结果(采矿管理(quarry management)1992.3 25～27印刷)和其他资料，发明家门将最大延时时间确定为17ms。

即不含任何爆破气喷出和炮声而可提高破碎质量的列内延时时间范围是对大多数类型的岩石：

t＝(0.182～0.334),(0.43～0.80)ms/m×a m

2)延时工具和爆破工具

最近有很多事实说明露天爆破中进行孔间(列内)延时爆破就可以提高岩石破碎质量，此法未能广泛应用的主要原因在于还没有可信度高、实用性好和价格合理的爆破工具兼延时装置来保证精密的延时时间。

带有9ms、17ms、25ms、42ms、67ms的延时雷管的非电式起爆系统NONEL、EXEL、SHOCK★STAR和SINB系统都是爆破回路可信度不高的单向起爆方式，所以没能像双向“导爆线”并联连接方式那样广泛地被利用。

列内孔间延时可以通过电子起爆系统而被提供，其中电子起爆系统可以被编程而控制精确的延时时间。然而，这种电子起爆系统的成本比非电式起爆系统高5倍，还有可能受到电场和电磁场等外界条件的影响。

发明家们基于50多年露天爆破经验，在非电式“火花”起爆系统等双向起爆系统里利用塑料管道起爆线的长度简单解决此问题并将其实用化。非电式“火花”起爆系统是像导爆线一样被允许提供引爆信号的双向传输的系统。

导爆线的爆轰传播速度6000～6500m/s比在岩石里比纵向应力波传播速度3000～5500m/s快1.2^2倍，所以如果不用延时雷管就不能阻挡从爆破孔传播的应力波的冲突所引起的爆破气的喷出，此外，爆破工具的成本高2倍以上。

塑料管道爆线的爆轰传播速度达1600～2000m/s，其偏差率为1.09％，因而对于所有类型的岩石，它可成为在应力场中应力波能够传播的爆破工具兼延时工具。

随着塑料管道爆线的爆轰传播速度(D)的变化，塑料管道每米中延时时间(t_延时)如下：

D＝1631±17.7m/s时 t_延时＝0.613±0.0063ms；

D＝2000±21.7m/s时 t_延时＝0.50±0.0051ms

在隧道和开采场的爆破中，每0.5m的孔间的优选的延时时间范围是0.1～0.4ms。

塑料管道爆线长度为0.5m时的延时时间为0.25～0.30ms。

露天台阶爆破中列内爆破孔间距为2m～7.5m时，塑料管道爆线长度的范围也是2m～7.5m，从而孔间延时时间间隔为1.0～4.5ms。

如上所述，在爆破孔之间传达起爆信号的塑料管道爆线可成为爆破工具，根据其长度所保障的最精密的延时时间偏差为±0.006ms。

电子雷管的延时时间偏差为±0.1ms以下。

为了提高爆破回路的可靠性，在列内7～20个爆破孔中可以连接双向列内延时连接器(如附图)。所述双向列内延时连接器提供反向顺发工作，并在露天爆破回路中，在前方回路被切断的情况下可使起爆信号从后方传递至前方。此时，将列间延时连接器布置成，使起爆信号到达前方最后爆破孔的时间为100ms以下。

发明家们利用上述原理，利用不带有雷管的并联连接器和由塑料管道爆线组成的多重换算回路，在他们的专利WO2008/146954(2008.12.04)中公开了新的一种起爆系统，并从1995年将其应用到大量开采的露天台阶爆破上。这种双向起爆系统的成本是非电式NONEL、EXEL的75％，还具有露天爆破回路的可信度高等优点。利用非电式“火花”双向起爆系统的最短列内孔间延时爆破方法已被引入到很多矿山的大规模的露天爆破现场，并生产了15亿t以上的矿石和岩石。

与以往利用延时雷管进行列内孔间延时爆破的非电式起爆系统(NONEL,EXEL,SHOCK★STAR,SINB)相比，本发明利用塑料管道爆线所保障的最短延时时间间隔0.1ms～4.5ms来消除爆破气损失和巨大炮声而且其爆破能的产出比利用列内9、17、25、42、67ms延时雷管时候高1.5倍从而显著改善爆破破碎效果。