CN111207641B - 一种确保数码-导爆管雷管混合网络安全的延时设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确保数码‑导爆管雷管混合网络安全的延时设计方法，适用于隧道或巷道爆破工程中采用数码雷管与导爆管雷管混合起爆时的爆破设计。包括以下步骤：基于混合起爆网络三个安全设计原则，建立混合起爆网路单一计算模型，对混合起爆网络中所使用的导爆管雷管延期时间序列进行分析，提出安全约束条件下雷管延期时间序列计算方程，通过方程得到孔外数码雷管的毫秒延期时间计算公式，最后确定数码雷管与导爆管孔外串联结点连接方式。本发明可避免混合起爆网络出现拒爆、“串段”和破坏网络等安全隐患，提出了孔内外数码雷管毫秒延期时间定量化计算依据，对于隧道或巷道爆破工程实现两种雷管混合起爆技术具有重要意义和应用价值。

Description

一种确保数码-导爆管雷管混合网络安全的延时设计方法

技术领域

本发明涉及一种确保数码-导爆管雷管混合网络安全的延时设计方法，该方法主要针对隧道爆破开挖工程，数码雷管与导爆管雷管混合起爆，合理计算孔外数码雷管毫秒延期时间，使孔外数码雷管产生延期提高雷管延期段别，同时避免混合起爆网络出现“串段”、“拒爆”等不安全现象。

背景技术

起爆网路对于隧道爆破减振非常重要。地形地质条件、距离相同时，爆破振速由同段药量决定，爆破设计时，雷管的段数越多，同段药量越小，爆破振动控制效果越好。在隧道工程中，利用数码雷管与非电雷管混合起爆技术可增加雷管段数，减小同段药量。根据混合起爆网络中数码雷管在炮孔内外的作用，混合起爆网络通常有两种设计方法，一是孔外数码雷管“不延期、只传爆”；二是孔外数码雷管“同时参与延期和传爆”。第一种设计方法不涉及孔外数码雷管毫秒延期时间计算，增加的雷管段数有限；孔外数码雷管同时参与延期和传爆可以大大增加雷管段别，其困难是混合起爆网络中孔外传爆雷管保护难度大，孔外数码雷管的毫秒延期时间计算是起爆网络设计的一项重要内容，合理的取值能有效降低爆破振动，并提高网络的安全性，而目前相关的应用研究较少。

发明内容

本发明公开了一种确保数码-导爆管雷管混合网络安全的延时设计方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

为了解决上述问题，本发明的一种确保数码-导爆管雷管混合网络安全的延时设计方法，是针对数码雷管与导爆管雷管混合起爆网络安全性加以研究，解决网路中存在的安全问题，该方法包括如下内容：

(1)确定混合起爆网路安全设计原则

通过分析两种雷管的延期结构和起爆特点，确定数码雷管孔外延时的可行性，建立数码雷管在孔外发生延期过程的混合起爆网络的三个安全设计原则，分别是：①避免混合起爆网络发生“串段”；②避免起爆过程飞石破坏网络产生拒爆；③混合起爆网络能增加雷管段别。设计原则均考虑导爆管雷管的延期时间误差。

(2)混合起爆网路单一计算模型的建立

假设混合起爆网路中，孔外和孔内数码雷管数量为a和b，数码雷管误差忽略不计，设计孔外数码雷管延期时间序列t_out＝{t_out(a)}；a＝1,2,3……和孔内数码雷管延期时间序列t_in＝{t_in(b)}；b＝1,2,3……，t_out(a)和t_in(b)均为具体数值。

假设孔内所使用导爆管雷管段别数为c，根据国产第一系列毫秒数码雷管标准，c≤20，且为正整数，形成导爆管雷管延期时间序列t＝{t(c)}；c＝1,2……20。同时，考虑导爆管雷管的设计误差，则t(c)取值为数值区间：

t(c)＝[t_e(c)-δt_d(c),t_e(c)+δt_u(c)] (1),

其中，t_e(c)表示为第c段导爆管雷管的名义延期时间，δt_d(c)表示为第c段导爆管雷管的设计误差下限，δt_u(c)表示为第c段导爆管雷管的设计误差上限。单段导爆管雷管延期时间误差范围δt为：

δt(c)＝δt_u(c)+δt_d(c) (2)

根据混合起爆网络中导爆管雷管由数码雷管传爆的设计要求，将第c段导爆管雷管与某个孔外数码雷管串联作为研究对象，称为混合雷管组，如图1所示，假设共形成混合雷管组数量为d，将每一个混合雷管组看作一个新的雷管段别，其误差范围不变，名义起爆时间增加，形成新的延期时间序列t'＝{t'(d)}；d＝1,2,3……。则有：

t'(d)＝[t_out(a)+t_e(c)-δt_d(c),t_out(a)+t_e(c)+δt_u(c)] (3),

(3)确定不同混合雷管组的孔外数码雷管延期时间t_out(a)

根据混合起爆网络不发生“串段”的设计原则，绘制混合雷管组延期时间逻辑图(如图2)，为避免各混合雷管组的延期时间出现交叉重叠，先后两次根据延期时间上下限误差对混合雷管组进行筛选。

①同段位导爆管雷管与不同延期时间数码雷管形成的混合雷管组不“串段”。第c段导爆管雷管形成的混合雷管组之间不“串段”，如图1所示，即横向比较同段位导爆管雷管形成的混合雷管组延期时间范围，避免相邻组之间的上下限时间发生交叉重叠，有：

t_e(c)+δt_u(c)≤t_o(a)+T_e(c)-δT_d(c)

即

t_out(a)≥δt(c)

为了增加同段位导爆管形成混合雷管组的数量，t_out(a)取其最小值δt(c)，由此可得同段位导爆管雷管串联数码雷管延期时间t_out(a)：

t_out(a)＝n·δt(c) (n＝1,2,3……) (4)

由此，得出所有混合雷管组的延期时间集合。

②相邻段位导爆管雷管与不同延期时间数码雷管形成的混合雷管组不“串段”。第c段导爆管雷管形成的混合雷管组和第c+1段导爆管雷管形成的混合雷管组之间不“串段”，如图6所示，即纵向比较混合雷管组延期时间范围，同理可得：

t_out(a)+t_e(c)+δt_u(c)≤t_e(c+1)-δt_d(c+1)

即：

t_out(a)≤t_e(c)-t_e(c+1)-δt_u(c)-δt_d(c+1) (5)，

{t_out(a)}₁和{t_out(a)}₂的取交集，推导出符合不同导爆管雷管组成混合雷管组设计要求的t_out(a)，形成延期时间序列t_out。经过此次筛选过程，得到混合雷管组的延期时间集合。

(4)确定孔外数码雷管延期时间最大值和孔内首爆雷管延期时间最小值的最优解

为避免混合网路起爆过程孔外接力雷管碎片或孔内雷管爆炸产生的飞石不破坏网路，因此，以“孔外数码雷管传爆过程结束后，孔内雷管开始起爆”为计算原则，则孔外数码雷管延期时间序列中的最大值t_out(max)应不大于孔内最小起爆时间。

当孔内首爆雷管为数码雷管时：

t_in(min)＝t_out(max)

当孔内首爆雷管为导爆管雷管时：

t_e(c)-δt_d(c)＝t_out(max)，

由于导爆管雷管的延期时间为取值区间，t_e(c)-δt_d(c)仅为参考值，实际延迟时间服从正态分布，当孔内首爆雷管为导爆管雷管时，其延期时间取值不可靠，无法达到精准控制的目的，因此在工程应用中，不予考虑。

根据t_out(a)的计算结果，列出所有符合要求的混合雷管组延期时间集合t'，绘出t_out(a)-d曲线，根据“增加雷管段别”的设计原则在不同混合雷管组中选择最优解，当混合雷管组数量达到最大值且d＞c时，对应的t_out(a)为t_out(max)。由此得到所有满足该最优解的混合雷管组集合及其孔外数码雷管延期时间序列t_out。

若上述筛选过程，t_out(max)得到多个最优解，比较t_out(max)与第一个混合雷管组延期时间下限值t'_e(1)-δt'_d(1)的时间差Δt，Δt越大，该时间区间内设置雷管数目越多；Δt越小，则该时间区间内设置雷管数目有限。

综上所述，通过三个混合起爆网路设计原则，分析混合雷管组的延期时间变化，得到孔内外数码雷管延期时间计算依据和混合雷管组筛选办法，具体流程如图3所示。

(5)两种雷管孔外串联结点连接方式

孔外数码雷管与导爆管采用簇连的方式，连接处使用电工胶带捆扎，缠绕层数不少于5层。连接处横截面示意图如图4所示，为保证导爆管与数码雷管管壳充分接触，两者相切排列，单个数码雷管传爆导爆管数量最大值(n)根据连接处横截面的几何关系可确定：

式中，R为数码雷管横截面半径；r为导爆管横截面半径。n为正整数。

与现有技术相比，本发明的优点为：提出两种雷管混合使用情况下的安全约束条件，在数码雷管毫秒延期时间的计算推导过程中，考虑导爆管雷管延期时间的上下限误差值对两种雷管串联后形成新的组合段位的影响，在此基础上，通过两种雷管串联前后延期时间的关系进行推导，建立混合起爆网络中数码雷管毫秒延期时间计算方程，在实际工程应用中验证混合起爆网路的可操作性和降振效果，切实解决混合起爆网路存在的安全问题。

附图说明

图1为混合雷管组计算模型。

图2为导爆管雷管与数码雷管串联使用延期时间逻辑图。

图3为混合起爆网路参数计算流程图。

图4为数码雷管导爆管在孔外串联结点处连接方式。

图5为深圳莲塘隧道小净距段后行隧道位置及开挖工法示意。

图6为深圳莲塘隧道小净距段后行隧道I区炮孔布置及起爆网路图。

图7为孔外数码雷管与导爆管施工现场接线方式图。

具体实施方式

本发明方法是一种确保数码-导爆管雷管混合网络安全的延时设计方法，下面结合实例和附图，根据具体的实施方法对其进行详细说明。以下实例用于说明本发明，但不限制本发明的使用范围。

本发明一种确保数码-导爆管雷管混合网络安全的延时设计方法，所述方法包括以下步骤：

S1)确定混合起爆网路安全设计原则；

S2)建立混合起爆网络单一计算模型；

S3)根据模型确定不同混合雷管组的孔外数码雷管延期时间；

S4)根据S3)得到确定不同混合雷管组的孔外数码雷管延期时间通过计算得到最终孔外数码雷管延期时间和孔内首爆雷管延期时间最小值；

S5)根据数码雷管和导爆雷管的传爆关系，确定数码-导爆管雷孔外串联结点连接方式，完成数码-导爆管雷管混合网络安全的延时设计。

所述S1)中混合起爆网路安全设计原则具体包括：①避免混合起爆网络发生“串段”；②避免起爆过程飞石破坏网络产生拒爆；③混合起爆网络能增加雷管段别。

所述S2)的具体步骤为：

S2.1)假设混合起爆网路中，孔外和孔内数码雷管数量为a和b，设计孔外数码雷管延期时间序列为t_out＝{t_out(a)}；a＝1,2,3……和孔内数码雷管延期时间序列为t_in＝{t_in(b)}；b＝1,2,3……；

S2.2)假设孔内所使用导爆管雷管段别数为c，c≤20，且为正整数，形成导爆管雷管延期时间序列t＝{t(c)}；c＝1,2……20，

其中，t(c)取值为数值区间：

t(c)＝[t_e(c)-δt_d(c),t_e(c)+δt_u(c)] (1),

式中，t_e(c)为第c段导爆管雷管的名义延期时间，δt_d(c)为第c段导爆管雷管的设计误差下限，δt_u(c)为第c段导爆管雷管的设计误差上限；

单段导爆管雷管延期时间误差范围δt为：

δt(c)＝δt_u(c)+δt_d(c) (2),

S2.3)根据混合起爆网络中导爆管雷管由数码雷管传爆的设计要求，将第c段导爆管雷管与某个孔外数码雷管串联称为混合雷管组，其延期时间表达式如下：

t'(d)＝[t_out(a)+t_e(c)-δt_d(c),t_out(a)+t_e(c)+δt_u(c)] (3)

其中，d为混合雷管组数量，形成新的延期时间序列为t'＝{t'(d)}；d＝1,2,3……。

所述S3)的具体步骤为：

S3.1)根据设计原则①，绘制混合雷管组延期时间上下限关系的逻辑图，得到相邻混合雷管组上下限的数学关系为混合雷管组的延期时间下限小于前一段位的混合雷管组延期时间上限；

S3.2)根据同段位导爆管雷管与不同数码雷管组成的混合雷管组之间不发生“串段”的设计要求，通过以下公式(4)得到同段位导爆管雷管与不同数码雷管组成混合雷管组的孔外数码雷管延期时间{t_out(a)}₁，公式如下：

{t_out(a)}₁＝n·δt(c) (4)，

式中，δt(c)表示为第c段导爆管雷管的设计误差范围，n为系数，n＝1,2,3……；

S3.3)根据相邻段位导爆管雷管与不同数码雷管组成的混合雷管组之间不发生“串段”的设计要求，通过以下公式(5)得到相邻段位导爆管雷管与不同数码雷管组成的混合雷管组的孔外数码雷管的延期时间{t_out(a)}₂，公式如下：

{t_out(a)}₂≤t_e(c)-t_e(c+1)-δt_u(c)-δt_d(c+1) (5)，

S3.4)将S3.2)得到的{t_out(a)}₁和S3.3)得到的{t_out(a)}₂做交集，得到孔外数码雷管延期时间{t_out(a)}₃。

所述S4)中具体步骤为：

S4.1)根据S3)确定的孔外数码雷管延期时间{t_out(a)}₃，列出所有符合要求的混合雷管组延期时间序列，绘制孔外数码雷管的延期时间范围与混合雷管组数量的关系曲线，根据设计原则③，从关系曲线中得出孔外数码雷管组延期时间最大值{t_out(a)}_max，将得到的孔外数码雷管组延期时间最大值{t_out(a)}_max与S3.4)得到的{t_out(a)}₃再次取交集，得到最终的孔外数码雷管延期时间t_out(a)；

S4.2)根据设计原则②，确定孔内首爆孔雷管延期时间的最小值{t_in(b)}_min，孔内首爆孔雷管延期时间的最小值{t_in(b)}_min大于或等于孔外数码雷管组延期时间最大值{t_out(a)}_max。

所述S5)的具体步骤为：

根据数码雷管和导爆雷管的传爆关系：数码雷管能够传爆导爆管雷管，反之则不能，确认连接方式为孔内数码雷管与导爆管“簇连”进行接力传爆。

所述数码雷管和导爆管雷管的两者连接处使用电工胶带捆扎，缠绕层数不少于5层。

所述单个数码雷管传爆导爆管数量最大值n，通过以下公式(6)求出：

式中，R为数码雷管横截面半径；r为导爆管横截面半径。

一种确保数码-导爆管雷管混合网络安全的延时设计方法，该方法适用于隧道或巷道爆破工程中采用数码雷管与导爆管雷管混合起爆时的爆破。

实施例：

本发明所依托的工程为深圳东部过境高速莲塘隧道小净距段后行隧道，先行隧道与后行隧道中夹岩柱最小厚度为0.5m，属于典型的小净距隧道，如图5所示，后行隧道爆破施工过程中，爆破设计难点在于保护小净距隧道双洞之间中夹岩和控制振动，设计文件要求严格控制第I部爆破开挖时，距掌子面20m中隔壁拱腰处爆破质点峰值小于2.0cm/s，由于现场所使用导爆管雷管段位少，同段起爆药量大，导致爆破振动超标严重，为了保证安全振速要求，降低同段起爆药量，就必须采用适当的方法，以改进起爆网路。本发明正是针对该问题所提出的一种方法。具体实施方式包括以下步骤：

(1)确定混合起爆网路形式

根据孔外数码雷管在混合网路中起到的作用，确定数码雷管与导爆管雷管混合起爆网路形式，通常，考虑采用以下两种混合起爆网路形式，一是孔外数码雷管“不参与延期、参与传爆”；二是孔外数码雷管“参与延期、参与传爆”。本发明针对第二种起爆网络进行分析。

(2)分析现有导爆管雷管可形成的混合雷管组

在施工现场，有MS1，MS3，MS5，MS7，MS9，MS11，MS13，MS15共计8个段位的导爆管雷管(国产第一系列毫秒延期雷管，标识为MS)和“隆芯1号”系列数码雷管可供使用。拟采用孔外数码雷管在网路中参与“延期和传爆”的混合起爆形式进行设计。

(3)确定首爆孔起爆时间和孔外数码雷管最大延期时间

根据公式(3)，分析现有导爆管雷管可形成的混合雷管组，列出所有符合条件的混合雷管组延期时间集合。根据公式(4)，进行第一次筛选，得到筛选后的混合雷管组延期时间集合，从图中可以得出，当t_out(max)＝90ms时，d达到最大值10，混合雷管组数量最多。基于此，对混合雷管组延期时间集合进行第二次筛选，得到最终的混合雷管组延期时间序列t'，其混合雷管组组合有(Ms5+30ms)、(Ms5+60ms)、(Ms5+90ms)、(Ms7+45ms)、(Ms7+90ms)、(Ms9+60ms)、(Ms11+0ms)、(Ms11+80ms)、(Ms13+0ms)、(Ms15+0ms)，共计10个段位。根据公式(5)，确定孔内首爆雷管延期时间最小值为90ms。得到孔外数码雷管毫秒延期时间序列t_o＝{0,30,45,60,90}。

(4)确定孔内、外数码雷管延期时间序列

孔外数码雷管毫秒延期时间序列t_o由步骤(3)获得，掏槽区逐孔起爆的数码雷管的孔间微差时间通过单孔爆破波形叠加计算法得出，在现场开展单孔爆破试验，获取与掏槽区药量相同的单孔爆破波形，进行叠加计算，得出3～5ms为微差时间最佳取值范围，本实例采用3ms作为掏槽区数码雷管的孔间微差时间。

(5)确定混合起爆网路连接方式

根据孔内、外数码雷管毫秒延期时间序列和炮孔布置，确定混合起爆网路段位设置和连线方法(图6)，孔外数码雷管与导爆管施工现场接线方式如图7所示。

本方法在深圳莲塘隧道小净距段后行隧道I部爆破开挖工程中已经成功应用，应用过程中，网路未出现拒爆现象，网路安全得到保障。同时，爆破效果良好，在距爆源20m的先行隧道拱腰处采用TC-4850测振仪进行爆破振动监测，测试结果表明，质点振动峰值均控制在2.0cm/s以下，相比全断面使用导爆管雷管起爆网路减振达81.5％，相比全断面使用数码雷管起爆网路减少数码雷管用量达60.3％，降振效果和节约成本明显。并将开挖进尺从1.5m提高到2.0m，从而提高了隧道掘进效率。

以上为本发明方法的一种具体实施案例，本发明并不仅局限于特定的实例，只要采用相同方法进行计算的，均应视为本发明方法的同一类型。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种确保数码-导爆管雷管混合网络安全的延时设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1)确定混合起爆网路安全设计原则；

混合起爆网路安全设计原则具体包括：①避免混合起爆网络发生“串段”；②避免起爆过程飞石破坏网络产生拒爆；③混合起爆网络能增加雷管段别；

S2)建立混合起爆网络单一计算模型；具体步骤为：

S2.1)假设混合起爆网路中，孔外和孔内数码雷管数量为a和b，设计孔外数码雷管延期时间序列为t_out＝{t_out(a)}；a＝1,2,3……和孔内数码雷管延期时间序列为t_in＝{t_in(b)}；b＝1,2,3……；

S2.2)假设孔内所使用导爆管雷管段别数为c，c≤20，且为正整数，形成导爆管雷管延期时间序列t＝{t(c)}；c＝1,2,……，20，

其中，t(c)取值为数值区间：

t(c)＝[t_e(c)-δt_d(c),t_e(c)+δt_u(c)] (1)

式中，t_e(c)为第c段导爆管雷管的名义延期时间，δt_d(c)为第c段导爆管雷管的设计误差下限，δt_u(c)为第c段导爆管雷管的设计误差上限；

单段导爆管雷管延期时间误差范围δt为：

δt(c)＝δt_u(c)+δt_d(c) (2)

S2.3)根据混合起爆网络中导爆管雷管由数码雷管传爆的设计要求，将第c段导爆管雷管与某个孔外数码雷管串联称为混合雷管组，其延期时间表达式如下：

t'(d)＝[t_out(a)+t_e(c)-δt_d(c),t_out(a)+t_e(c)+δt_u(c)] (3)，

其中，d为混合雷管组数量，形成新的延期时间序列为t'＝{t'(d)}；d＝1,2,3……；

S3)根据模型确定不同混合雷管组的孔外数码雷管延期时间；具体步骤为：

S3.1)根据设计原则①，绘制混合雷管组延期时间上下限关系的逻辑图，得到相邻混合雷管组上下限的数学关系为混合雷管组的延期时间下限小于前一段位的混合雷管组延期时间上限；

S3.2)根据同段位导爆管雷管与不同数码雷管组成的混合雷管组之间不发生“串段”的设计要求，通过以下公式(4)得到同段位导爆管雷管与不同数码雷管组成混合雷管组的孔外数码雷管延期时间{t_out(a)}₁，公式如下：

{t_out(a)}₁＝n·δt(c) (4)，

式中，δt(c)表示为第c段导爆管雷管的设计误差范围，n为系数，n＝1,2,3……；

S3.3)根据相邻段位导爆管雷管与不同数码雷管组成的混合雷管组之间不发生“串段”的设计要求，通过以下公式(5)得到相邻段位导爆管雷管与不同数码雷管组成的混合雷管组的孔外数码雷管的延期时间{t_out(a)}₂，公式如下：

{t_out(a)}₂≤t_e(c)-t_e(c+1)-δt_u(c)-δt_d(c+1) (5)，

S3.4)将S3.2)得到的{t_out(a)}₁和S3.3)得到的{t_out(a)}₂做交集，得到孔外数码雷管延期时间{t_out(a)}₃；

S4)根据S3)得到确定不同混合雷管组的孔外数码雷管延期时间通过计算得到最终孔外数码雷管延期时间和孔内首爆雷管延期时间最小值；具体步骤为：

S4.1)根据S3)确定的孔外数码雷管延期时间{t_out(a)}₃，列出所有符合要求的混合雷管组延期时间序列，绘制孔外数码雷管的延期时间范围与混合雷管组数量的关系曲线，根据设计原则③，从关系曲线中得出孔外数码雷管组延期时间最大值{t_out(a)}_max，将得到的孔外数码雷管组延期时间最大值{t_out(a)}_max与S3.4)得到的{t_out(a)}₃再次取交集，得到最终的孔外数码雷管延期时间t_out(a)；

S4.2)根据设计原则②，确定孔内首爆孔雷管延期时间的最小值{t_in(b)}_min，孔内首爆孔雷管延期时间的最小值{t_in(b)}_min大于或等于孔外数码雷管组延期时间最大值{t_out(a)}_max；

S5)根据数码雷管和导爆雷管的传爆关系，确定数码-导爆管雷孔外串联结点连接方式，完成数码-导爆管雷管混合网络安全的延时设计；具体步骤为：

根据数码雷管和导爆雷管的传爆关系：数码雷管能够传爆导爆管雷管，反之则不能，确认连接方式为孔内数码雷管与导爆管“簇连”进行接力传爆。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，单个数码雷管传爆导爆管数量最大值n，通过以下公式(6)求出：

式中，R为数码雷管横截面半径；r为导爆管横截面半径。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述数码雷管和导爆管雷管的两者连接处使用电工胶带捆扎，缠绕层数不少于5层。

4.一种根据权利要求1-3任意一项所述的确保数码-导爆管雷管混合网络安全的延时设计方法，其特征在于，该方法适用于隧道或巷道爆破工程中采用数码雷管与导爆管雷管混合起爆时的爆破。

Images