爆破振動(dòng)技術(shù)的研究

馬建興,馬 強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 浙江中醫(yī)藥大學(xué)分析測(cè)試中心， 浙江 杭州 310053)

從理論上研究爆破振動(dòng)的影響是個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題, 這主要是由于爆破介質(zhì)的復(fù)雜性、炸藥性能、爆破方式選擇和邊界條件影響所致。雖然以波動(dòng)理論和爆炸力學(xué)為基礎(chǔ)，建立了不同的力學(xué)模型和擬合公式形式, 但難以直接用于爆破設(shè)計(jì)。實(shí)際用于施工和設(shè)計(jì)的，是以理論分析結(jié)論指導(dǎo)下提出的各種經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出一定條件下的裝藥量、距離、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式等與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度(或加速度) 的關(guān)系, 便可以確定經(jīng)驗(yàn)公式中的參數(shù)。這些參數(shù)在同一個(gè)場(chǎng)地往往比較穩(wěn)定，并可用于工程中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，然后對(duì)參數(shù)不斷進(jìn)行調(diào)整。爆破振動(dòng)效應(yīng)常以地面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度來(lái)表征, 這是因?yàn)榻橘|(zhì)結(jié)構(gòu)經(jīng)受爆破振動(dòng)破壞與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的相關(guān)性比位移和加速度更為密切。

1 炸藥性能的影響

炸藥的性能，一是決定于它的組成和結(jié)構(gòu)；二是決定于它的加工工藝；三是決定于它的裝藥狀態(tài)和使用條件。

1.1 炸藥的密度

密度是炸藥，特別是實(shí)際使用的裝藥形式炸藥的一個(gè)很重要的性質(zhì)。機(jī)械力學(xué)性能、爆炸性能和起爆傳爆性能等均與密度有密切的關(guān)系。

1)理論密度

對(duì)于爆炸化合物，理論密度指炸藥純物質(zhì)的晶體密度，或稱最大密度。

對(duì)于爆炸混合物，理論密度則取決于組成該混合炸藥各原料的密度。定義混合炸藥的理論密度，等于各組分體積分?jǐn)?shù)乘以各自密度的加權(quán)平均值，其表達(dá)式為：

ρT=∑mi∕∑vi= ∑Viρi∕∑mi/ρi

(1)

式中：ρT為炸藥的理論密度；mi為第i組分的質(zhì)量；Vi為第i組分的體積；ρi為第i組分的理論(或最大)密度。

炸藥的理論密度是指理論上炸藥可能達(dá)到的最大裝藥密度。實(shí)際上所得到的炸藥裝藥密度，不論采用何種裝藥工藝，均小于理論密度。

2)實(shí)際裝藥密度和空隙率

炸藥裝藥中總存在一定的空隙，空隙率可由式(2)定義：

ε=(1-ρo∕ρT)×100%

(2)

而裝藥的實(shí)際密度可由式(3)求得：

ρo=∑mi∕V=∑mi∕∑vi(1-ε) =ρT(1-ε)

(3)

式中：ρo為裝藥的實(shí)際密度；ε為空隙率；V為裝藥的實(shí)際體積。

1.2 炸藥的爆速

炸藥的爆速是重要爆轟參數(shù)之一，它與其他性能，如爆轟壓、猛度等密切相關(guān)，因此，爆速是衡量炸藥爆炸能力的重要指標(biāo)之一。炸藥爆轟過(guò)程，是爆轟波沿炸藥裝藥一層一層地進(jìn)行自動(dòng)傳播的過(guò)程。從本質(zhì)上講，爆轟波就是沿炸藥傳播的強(qiáng)沖擊波。爆轟波與一般沖擊波的區(qū)別，主要在于爆轟波傳播時(shí)，炸藥受到高溫高壓作用而產(chǎn)生高速爆轟化學(xué)反應(yīng)，放出巨大能量，放出的部分能量又支持爆轟波對(duì)下一層未反應(yīng)的炸藥進(jìn)行強(qiáng)烈沖擊壓縮，因而爆轟波可以不衰減地穩(wěn)定地傳播下去。在一定條件下，爆轟波以一定的速度進(jìn)行傳播。一般所說(shuō)的爆速，就是在穩(wěn)定條件下的爆速。對(duì)于混合炸藥，特別是由較大比例的惰性添加劑組成的混合炸藥，以及絕大部分工業(yè)炸藥，它們的極限直徑和臨界直徑都較大。在一般使用條件下，炸藥裝藥或藥包的直徑大多處于極限直徑以下、臨界直徑以上的范圍。炸藥的爆轟處于非理想爆轟狀態(tài)，所以其爆速的影響因素比單體炸藥要復(fù)雜得多。

2 爆破地震與天然地震區(qū)別

爆破地震與天然地震主要區(qū)別在于頻率特征差異。天然地震振動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，一次振動(dòng)能持續(xù)幾秒至幾十秒，而爆破地震持續(xù)時(shí)間很短，一次振動(dòng)只有幾十毫秒至幾秒，常用的毫秒延期雷管段數(shù)為15段以內(nèi)，15段雷管延時(shí)為1s。但爆破震動(dòng)波持續(xù)時(shí)間大多數(shù)在3s以內(nèi)完成，以幅頻特性來(lái)看，爆破地震的單次記錄時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)。另外從振動(dòng)次數(shù)上來(lái)看，天然地震常伴有多次余震，而爆破震動(dòng)大多數(shù)是一次完成，在爆破工程中，多次爆破或長(zhǎng)期生產(chǎn)爆破，地震波作用造成的危害會(huì)不斷累加，產(chǎn)生疲勞破壞。爆破地震波的頻域特性上，主振頻率較高，一般爆破振動(dòng)主頻在5～150Hz，爆破地震頻率受多種因素影響，而礦山邊坡、建(構(gòu))筑物對(duì)各頻率振動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)關(guān)系與振動(dòng)危害性密切相關(guān)。資料分析表明，一方面爆破地震波隨著傳播距離的增加，其振動(dòng)主頻不斷降低；另一方面爆破地震波主頻受爆破類(lèi)型、裝藥結(jié)構(gòu)、地形地質(zhì)條件等多種因素影響。為了獲得真實(shí)的爆破振動(dòng)信號(hào)，在爆破振動(dòng)檢測(cè)前，應(yīng)當(dāng)初步估計(jì)爆破地震波的主振頻率特征，從而更好地設(shè)定記錄儀的采樣頻率、選擇合理的傳感器響應(yīng)頻率滿足爆破振動(dòng)測(cè)試的要求。

3 測(cè)振傳感器選擇

3.1 傳感器頻率要求

爆破地震頻率范圍在5～150Hz。選用的振動(dòng)速度傳感器頻率響應(yīng)范圍，一般宜在3～500Hz，國(guó)產(chǎn)振動(dòng)速度傳感器頻率范圍較窄，大多數(shù)傳感器低頻域高于10 Hz，低頻域小于10 Hz的傳感器高頻域又只能到500 Hz，這類(lèi)傳感器基本能用于完整的爆破振動(dòng)測(cè)試。通常爆破振動(dòng)波頻域較廣，頻率成分復(fù)雜，在傳感器安裝方面，一定要和被測(cè)點(diǎn)緊密接觸，否則測(cè)得的低頻域數(shù)據(jù)會(huì)嚴(yán)重失真。最好在實(shí)測(cè)前，在振動(dòng)臺(tái)上標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)后，用于爆破振動(dòng)測(cè)試中。

3.2 傳感器的安裝

一般的振動(dòng)測(cè)試中，因振動(dòng)幅值不大，頻率不高，只需將傳感器直接置于地表，用石膏黏附即可。傳感器有豎向和橫向之分，在測(cè)量三向振動(dòng)分量時(shí)，應(yīng)注意傳感器的方向性。現(xiàn)國(guó)外提供有三向速度或加速度傳感器，一個(gè)傳感器可同時(shí)測(cè)試出X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)分量，能方便準(zhǔn)確地求出合速度。

4 爆破振動(dòng)分析

爆破振動(dòng)衰減規(guī)律回歸分析：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式

V=K(Q1/3/R)a

(4)

爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律分析，通常采用式 (4) 回歸，求出K、α值，其中的Q為最大一段裝藥量。

4.1 波形分析

爆破振動(dòng)波形的特征是短間隔多次振動(dòng)，因?yàn)橐淮伪仆ǔ６际欠侄纹鸨?，每段爆破將根?jù)藥量和爆破條件的變化(如夾制條件、炮孔分散性、裝藥結(jié)構(gòu)等不同)而產(chǎn)生不同的振動(dòng)峰值。因此，在波形分析中，根據(jù)不同時(shí)刻的峰值變化，首先將不同起爆段分別對(duì)應(yīng)的峰值振速查找出，這樣一次爆破測(cè)振可獲得更多的比例距離條件下的峰值振速信息，增加了振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的可靠性、準(zhǔn)確性，也提高了振動(dòng)測(cè)試的效率。

4.2 主振頻率

爆破振動(dòng)測(cè)試儀配套有分析工具軟件，今后需要提供小波分析、HHT分析等多種分析方法。選取所關(guān)心的振動(dòng)波形段進(jìn)行頻譜分析，是測(cè)試結(jié)果分析的重要部分，頻譜分析需要作統(tǒng)一規(guī)定。

4.3 振動(dòng)持續(xù)時(shí)間

爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分為一段振波持續(xù)時(shí)間和全部爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。波形可分成主振段，從初至波到幅值衰減到A=Amax/e以為主振波，主振波歷時(shí)為段振波持續(xù)時(shí)間。根據(jù)爆破振動(dòng)波持續(xù)時(shí)間可確定合理微差起爆間隔時(shí)間。

4.4 地震波傳播速度(Vw)

利用地震波波形時(shí)標(biāo)，可以讀出地振波初至該測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻，計(jì)算出不同測(cè)點(diǎn)初至波的時(shí)差(tW=tB-tA)，以及不同測(cè)點(diǎn)至爆源的距離差(RW=RB-RA)，地震波波速VW=RW/tW。當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離太近時(shí)，由于時(shí)差太小，若采樣頻率過(guò)低，地震波波速計(jì)算精度低、誤差大。因此，需作波速計(jì)算時(shí)，應(yīng)使兩點(diǎn)間距加大，并且保證兩測(cè)點(diǎn)同時(shí)觸發(fā)記錄。由于地震波在傳播過(guò)程中遇到不同的地質(zhì)條件，它將影響地震波的傳播速度，因此通過(guò)計(jì)算地震波波速，還能推測(cè)不同地質(zhì)條件的改變。

5 結(jié)論

炸藥爆炸性能及爆炸能量是影響爆破振動(dòng)的主要因素，它與巖體性質(zhì)、節(jié)理裂隙及地質(zhì)構(gòu)造等有關(guān)，爆破振動(dòng)的大小與炸藥波阻抗及巖石波阻抗間相互匹配有關(guān)，兩者相等傳遞能量就大，反之傳遞能量就小。爆破測(cè)振儀器的幅頻特性，對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)的采集有很大的關(guān)系，通常爆破振動(dòng)波頻域較廣，頻率成分復(fù)雜，我們要選擇儀器頻帶帶寬盡量大，以免丟失有用信號(hào)。

[1] 張學(xué)亮,黃樹(shù)棠.爆破地震效應(yīng)[M]. 北京：地震出版社,1981.

[2] 孟吉復(fù),董振華.爆破震動(dòng)反應(yīng)譜的測(cè)試與分析[M]. 武漢：湖北科技出版社,1984.

[3] 霍永基.工程爆破文集[M]. 第五輯.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,1993.

[4] 孟吉復(fù)，惠鴻斌.爆破測(cè)試技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

[5] 馬建興，馬強(qiáng)，韓萬(wàn)東.爆破振動(dòng)對(duì)壕瀨梁煤礦建筑物影響的研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2009，18(6)：96-97.

[6] 馬建興，馬強(qiáng)，王文才.爆破振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2009(3)：82-84.

[7] 李夕兵，凌同華，張義平.爆破振動(dòng)信號(hào)分析理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.