底部空氣柱裝藥爆破減振理論和實(shí)驗(yàn)研究

曹 祺，王林桂，馬宏昊，張中雷，陳亞建，沈兆武，王奕鑫，鄧永興

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 232006；2.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源工程系，安徽 淮南 232001；3.大昌建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 舟山 316021)

近幾年，大型水利、礦山和化工等建設(shè)工程得到快速發(fā)展，深孔爆破作為土石方開(kāi)挖最常用的技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。但是，在大型建設(shè)基地，多采用流水施工，爆破作業(yè)與其他建設(shè)施工同步進(jìn)行時(shí)，爆破作業(yè)產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)會(huì)對(duì)其他在建施工產(chǎn)生一定影響，故必須采取合理技術(shù)及安全防護(hù)措施，將爆破負(fù)面效應(yīng)控制在安全允許范圍以?xún)?nèi)。爆破振動(dòng)是露天土石方爆破工程常見(jiàn)的負(fù)面效應(yīng)，利用炮孔內(nèi)空氣柱減振理論和技術(shù)，可以有效地降低爆破振動(dòng)效應(yīng)。

在炮孔空氣柱裝藥中，空氣柱的作用主要有兩個(gè)方面。第一，對(duì)沖擊波有很強(qiáng)的衰減作用。根據(jù)爆轟波理論，“炸藥-空氣”界面上的爆轟波在透射進(jìn)入空氣時(shí)強(qiáng)度會(huì)迅速衰減，空氣對(duì)沖擊波的傳播衰減效果顯著，沖擊波進(jìn)入巖石內(nèi)形成彈性波引發(fā)振動(dòng)，故空氣柱減振原理實(shí)質(zhì)是沖擊波衰減作用。這樣一方面改變了炸藥爆炸能量在巖石中的分布，縮小了粉碎圈的范圍，避免部分巖石過(guò)度粉碎，提高炸藥能量利用率；另一方面由于降低了沖擊波峰值壓力，由彈性波引發(fā)的振動(dòng)也隨之減小。第二，延長(zhǎng)爆生氣體的作用時(shí)間，可以獲得更大的爆破沖量[1]。同時(shí)沖擊波在孔底和填塞方向形成反射，增強(qiáng)了途經(jīng)孔壁的破碎，改善了巖石的破碎塊度。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。張晶瑤等[2]利用底部空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)首次在平莊礦務(wù)局西露天煤礦巖石臺(tái)階進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)，取得爆破塊度均勻，不留根底，爆堆規(guī)整的爆破效果；呂淑然[3]通過(guò)對(duì)頂部、中部和底部3種不同裝藥間隔爆破振動(dòng)幅值在時(shí)域內(nèi)的比較，得出三分量振動(dòng)幅值最大者為中部空氣間隔，其次為頂部空氣間隔，最小者為孔底空氣間隔；辜大志等[4]在中鋁公司某礦采用0.8 m孔底空氣柱裝藥方法控制爆破振動(dòng)，取得較好效果，平均降振率為10.55%，同時(shí)還具一定的降低大塊率的作用；曹寄梅等[5]在炮孔底部裝填稻殼、鋸木粉等密度較小、可壓縮的柔性物質(zhì)，裝填高度為炮孔直徑的5～8倍，其減振率達(dá)到3.23%～35.19%；池恩安等[6]利用小波分析與AOK分布相結(jié)合的方法，對(duì)不同空氣柱比例的實(shí)測(cè)爆破地震波質(zhì)點(diǎn)峰值振速、主頻、主頻持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨著空氣柱比例的增加，爆破地震波質(zhì)點(diǎn)峰值振速降低、主頻降低、主頻持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)；張?jiān)甑萚7]運(yùn)用非線性動(dòng)力分析軟件LS-DYNA分別對(duì)耦合裝藥、孔底空氣柱比例分別為10%和20%的臺(tái)階爆破進(jìn)行數(shù)值模擬，得出適合該工況的最佳空氣柱比例為20%。

但國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究方向主要集中在礦山和工程爆破效果上，對(duì)空氣墊層減振效果缺乏比較系統(tǒng)的應(yīng)用研究。舟山綠色石化基地建設(shè)項(xiàng)目的一次起爆藥量大，離大魚(yú)山西側(cè)綠色石化土建、安裝區(qū)域較近，對(duì)爆破振動(dòng)等負(fù)面效應(yīng)須嚴(yán)格控制，本文對(duì)該項(xiàng)目的爆破減振措施的闡述可為以后爆破施工提供參考。

1 礦區(qū)概況

舟山市岱山縣大小魚(yú)山促淤?lài)抗こ潭诔申懝こ獭V山開(kāi)采爆破工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“二期礦山開(kāi)采爆破工程”)主要是為石化基地陸域形成及圍堤工程供應(yīng)石料，同時(shí)也為石化基地提供建設(shè)用地。礦區(qū)為發(fā)育單一的火山碎屑巖，巖性為流紋質(zhì)含角礫玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，呈青灰色，塑變結(jié)構(gòu)，假流動(dòng)構(gòu)造。主要組份為塑變玻屑，其次為晶屑、角礫。二期礦山爆破開(kāi)采總工程量約4 678萬(wàn)m3，爆破工程共由七個(gè)開(kāi)山區(qū)域組成，其中開(kāi)山一、二、三、四、七區(qū)(1#～7#山體)位于大魚(yú)山島，開(kāi)山五、六區(qū)位于小魚(yú)山島。采用深孔臺(tái)階爆破，臺(tái)階平均高度13 m，超深1 m，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。因此，擬在臨近綠色石化施工區(qū)需保護(hù)的建(構(gòu))筑物及重要裝置100 m范圍內(nèi)實(shí)施爆破作業(yè)時(shí)，采用底部空氣裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)。

2 空氣柱裝藥條件下爆破振動(dòng)的計(jì)算

炮孔中空氣柱裝藥是不耦合裝藥，不耦合裝藥分為徑向不耦合裝藥和軸向不耦合裝藥。兩種不耦合裝藥的作用原理一樣，即當(dāng)炸藥爆炸后，產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)炸藥周?chē)目諝?不耦合介質(zhì)為空氣)緩沖后，壓力峰值降低，作用時(shí)間延長(zhǎng)，其下降幅度與正壓作用時(shí)間及空氣介質(zhì)有關(guān)。

炸藥爆轟完成后，在一次近似下可以假設(shè)CJ面后爆轟產(chǎn)物滿(mǎn)足膨脹規(guī)律，則壓力p和密度ρ符合理想氣體方程關(guān)系式，不過(guò)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，等熵指數(shù)n是一個(gè)變量，因此在計(jì)算空氣中沖擊波的初始參數(shù)不能應(yīng)用。

考慮到特性函數(shù)γ(p)十分復(fù)雜，Ландау和Станюквич[8]建議，在分析爆轟產(chǎn)物向空氣膨脹過(guò)程中，可用分段的兩條絕熱線代替真實(shí)的膨脹絕熱線。

(1)

(2)

式中：γ=3;k=1.2～1.4;pH和vH為爆轟波陣面上的爆轟壓力和速度;pK與vK為共軛點(diǎn)的爆轟壓力和速度。

通過(guò)爆轟的Hugoniot方程來(lái)確定pK與vK的值。

(3)

式中：Qv為爆熱；ΔQ為共軛點(diǎn)處剩余的熱能。

(4)

假設(shè)ΔQ是純粹的熱能(ΔQ=CvTk)，當(dāng)p≤pK時(shí)爆轟產(chǎn)物的行為遵從理想氣體方程,則有

(5)

這樣可以由式(1)和式(5)構(gòu)成方程組，計(jì)算pK與vK,其中γ取3，k取1.3。

單質(zhì)炸藥的爆熱可以用蓋斯定律求得。舟山綠色石化基地深孔爆破采用2號(hào)巖石乳化炸藥，其TNT當(dāng)量為0.933[9]，則Q=4.23×0.933 MJ/kg=3.95 MJ/kg。

令pm為爆生氣體的平均爆轟壓力，pm=0.5pH；Vc為炮孔裝藥體積。由于爆轟反應(yīng)的快速性，爆轟所產(chǎn)生的氣體來(lái)不及擴(kuò)散，其體積被控制在裝藥體積Vc內(nèi)。

由于pm>pK，爆生氣體按由高壓到低壓兩階段的膨脹方式計(jì)算，則先由式(1)得

(6)

再由式(2)得

(7)

(8)

(9)

(10)

根據(jù)柱面波理論、長(zhǎng)柱狀裝藥中的子波理論以及短柱狀藥包激發(fā)的應(yīng)力波場(chǎng)Heelan解的分析，盧文波，Hustrulid W[10]對(duì)巖石爆破中質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度衰減公式做出了改進(jìn)，則有

(11)

式中：R為爆源到測(cè)點(diǎn)的距離，m；ρ為巖石密度，kg/m3；Cp為巖石縱波速度，cm/s。

結(jié)合式(10)和式(11)得

(12)

式(12)為巖石爆破中質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和不耦合系數(shù)的關(guān)系式。

3 空氣柱裝藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

為了體現(xiàn)空氣柱裝藥中空氣柱長(zhǎng)度對(duì)爆破效果的影響，將柱狀藥包在水下水平放置，壓力傳感器正對(duì)著藥包底部，這樣炸藥在水中爆炸的爆轟波先通過(guò)空氣柱的作用再傳播到藥柱和水交界面，此時(shí)爆轟波會(huì)轉(zhuǎn)化為沖擊波在水中傳播。沖擊波信號(hào)可以通過(guò)水中壓力傳感器捕捉，在固定水深和測(cè)點(diǎn)距離的情況下，測(cè)點(diǎn)處的沖擊波形和壓力時(shí)程因空氣柱長(zhǎng)度不同而變化。同時(shí)，為了避免柱狀裝藥側(cè)向爆轟波對(duì)壓力傳感器的影響，盡可能的將壓力傳感器放置在柱狀裝藥底部較近的位置，并采用小劑量裝藥保護(hù)傳感器。水中沖擊波壓力[11]隨時(shí)間近似為指數(shù)衰減，可以表示為

p(t)=pme-t/θ

(13)

式中：θ為指數(shù)衰減的時(shí)間常數(shù)，取壓力從峰值pm衰減到pm/e所需的時(shí)間間隔，s。

所以，可以通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)獲得壓力時(shí)程計(jì)算θ值。在確定θ值后，計(jì)算出評(píng)價(jià)炸藥水下爆炸能量輸出的另外兩個(gè)重要參數(shù)：比沖量I和比沖擊波能Es，Cole[12]建議I和Es積分上限分別取5θ和6.7θ。則比沖量I的計(jì)算公式取為

(14)

Bjarnholt[13]指出測(cè)點(diǎn)在距炸藥3.5w1/3～7.0w1/3(其中w為炸藥的質(zhì)量，kg)范圍內(nèi)，長(zhǎng)徑比小于10的柱狀炸藥爆炸沖擊波可以看作球形爆炸沖擊波。所以Es計(jì)算公式為

(15)

式中：Es為比沖擊波能，J/kg；R為距裝藥中心的距離，m；ρw為水的密度，取1 000 kg/m3；cw為水中聲速，取1 460 m/s；p(t)為距裝藥中心R處沖擊波壓力隨時(shí)間變化的值，Pa；t為沖擊波在距裝藥中心為R處的作用時(shí)間，s。

最后，通過(guò)壓力測(cè)試系統(tǒng)獲得不同試樣的水下爆炸壓力時(shí)程，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得各試樣的峰值壓力pm、時(shí)間常數(shù)θ、比沖擊波能Es等參數(shù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本次水下爆炸實(shí)驗(yàn)均在圓形鋼結(jié)構(gòu)水下爆炸容器中進(jìn)行，壁厚26 mm，高2.5 m，內(nèi)徑2 m。壓力測(cè)試儀器主要有美國(guó)PBC公司生產(chǎn)的W138A25長(zhǎng)型電氣石水下沖擊波壓力傳感器(ICP)，以及美國(guó)派克公司的DP07054型示波器和482A22型恒流源(見(jiàn)圖1)。

藥卷為牛皮紙卷制而成，內(nèi)徑8 mm，一端用AB膠封口，封口高度10 mm，紙卷外層涂有一層環(huán)氧樹(shù)脂做防水層(見(jiàn)圖2)。藥卷內(nèi)裝有φ0.7 cm×4 cm鋁殼雷管，PETN裝藥，藥高3.5 cm，裝藥量1 g，裝藥密度0.9 g/cm3，采用飛片起爆。藥卷分為3組，空氣柱長(zhǎng)度分別為0、1、2 cm。藥卷裝藥中心到傳感器的距離為700 mm，水平固定在2根鋼絞線上，水平固定裝置如圖3所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置
Fig.1 Experimental device

圖2 紙制藥卷
Fig.2 Paperroll explosive charge

圖3 水平固定裝置
Fig.3 Horizontal fixing device

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于空氣柱長(zhǎng)度不同，水下爆炸后紙質(zhì)藥卷所呈現(xiàn)出的形態(tài)也不相同(見(jiàn)圖4～圖5)。水下壓力傳感器測(cè)到的不同空氣柱長(zhǎng)度爆炸沖擊波壓力時(shí)程如圖6所示。

圖4 爆炸后的0 cm空氣柱藥卷
Fig.4 0 cm air column charging after explosion

圖5 爆炸后的2 cm空氣柱藥
Fig. 5 2 cm air column charging after explosion

圖6 不同長(zhǎng)度空氣柱壓力時(shí)程
Fig.6 Pressure-time of air columns with different lengths

在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試系統(tǒng)上方存在高壓線干擾電壓信號(hào)，使得觸發(fā)壓力值在低于20 mV的情況下，示波器易被誤觸發(fā)，導(dǎo)致1 cm空氣柱試樣只有一個(gè)數(shù)據(jù)。所以，在測(cè)量2 cm空氣柱試樣時(shí)，將觸發(fā)電壓設(shè)為25 mV，采樣率設(shè)為50 M/s，結(jié)果示波器未被觸發(fā)。各次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示，峰值壓力pm、沖量I、比沖擊波能Es與空氣柱長(zhǎng)度的關(guān)系如圖7所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各試樣的沖擊波參數(shù)

圖7 峰值壓力、沖量、比沖擊波能與空氣柱長(zhǎng)度的關(guān)系
Fig.7 Relationships between peak pressure, impulse, specific shock energy and air column length

由表1和圖7可知，隨著空氣柱長(zhǎng)度的增加，沖擊波峰值壓力逐漸降低，結(jié)合質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和不耦合系數(shù)關(guān)系式可知，沖擊波所引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度也隨之減小。同時(shí)，空氣柱的存在延長(zhǎng)了沖擊波的作用時(shí)間，其沖量和比沖擊波能均有所增加，提高了炸藥的能量利用率。其次，空氣柱長(zhǎng)度增加，雖然提高了沖擊波作用時(shí)間，但沖擊波沖量增加的趨勢(shì)降低，結(jié)合沖擊波峰值壓力降低對(duì)巖石爆破效果的影響，可以推斷在此區(qū)間，即空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)軸向不耦合系數(shù)在1.28～1.57之間時(shí)，存在一個(gè)合理的空氣柱長(zhǎng)度，使得爆破效果最優(yōu)。

4 爆破工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

舟山綠色石化二期礦山整體開(kāi)采區(qū)周邊環(huán)境復(fù)雜，東側(cè)有待遷移的采石場(chǎng)臨時(shí)用房和破碎系統(tǒng)，南側(cè)有魚(yú)山客運(yùn)碼頭和浙江石化滾裝碼頭，西、北側(cè)有大量臨建設(shè)施和浙江石化安裝設(shè)備，作業(yè)人員及基礎(chǔ)設(shè)施多，爆破施工作業(yè)難度大。而且浙江石化土建安裝工程中有很多高架管廊及煉化裝置，需嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)。本次實(shí)驗(yàn)在3#山體進(jìn)行，炮孔布置如圖8所示。

圖8 炮孔布置
Fig.8 Layout of blasthole

本次實(shí)驗(yàn)臺(tái)階高度為13 m，空氣柱采用直徑90 mm的PVC管制作。炮孔直徑115 mm，孔距4 m，5個(gè)不同長(zhǎng)度空氣柱炮孔為一組，空氣柱長(zhǎng)度以180、135、90、45、0 cm遞減，孔深以17、16.5、16、15.5、15 m遞減。2#巖石乳化炸藥裝藥，藥卷直徑90 mm，84 kg/孔，炮孔填塞長(zhǎng)度均為5.5 m，孔內(nèi)2發(fā)MS10雷管，孔外MS3雷管實(shí)現(xiàn)組內(nèi)逐孔起爆。這樣形成填塞長(zhǎng)度、裝藥量相同，空氣柱長(zhǎng)度遞減的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以通過(guò)逐孔爆破清楚地看到空氣柱長(zhǎng)度對(duì)爆破振動(dòng)的影響，且只要孔間起爆間隔時(shí)間足夠長(zhǎng)，對(duì)于爆破振動(dòng)來(lái)說(shuō)，炮孔間相互的影響可以忽略不計(jì)，每個(gè)炮孔都可以看成獨(dú)立起爆。

測(cè)點(diǎn)布置在臺(tái)階下部，采用TC-4850和TC-3850測(cè)振儀，以每組爆區(qū)的幾何中心作為爆源中心，徑向成直線排列選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，并盡量保持在同一水平內(nèi)，其中A、B、C測(cè)點(diǎn)使用的是TC4850測(cè)振儀，E、F測(cè)量使用的是TC3850測(cè)量測(cè)振儀。逐孔起爆不同長(zhǎng)度空氣柱峰值振動(dòng)速度如表2所示。

表2 逐孔起爆不同長(zhǎng)度空氣柱的峰值振動(dòng)速度

由于地形條件及振測(cè)儀安裝牢固程度影響，部分?jǐn)?shù)據(jù)呈現(xiàn)的規(guī)律性不是特別明顯。這里選取E點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析(見(jiàn)圖9)，隨著空氣柱的減小，爆破振動(dòng)的速度相應(yīng)增加。底部空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)有效的降低爆破引起的振動(dòng)，且爆破效果良好，根底、大塊率無(wú)明顯改變。

圖9 逐孔起爆質(zhì)點(diǎn)垂直方向的振動(dòng)趨勢(shì)(E點(diǎn))
Fig.9 Particle vertical vibration trend of hole-by-hole initiation (Point E)

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大型露天礦山爆破工程，采用底部空氣柱裝藥技術(shù)降低爆破振動(dòng)，通過(guò)公式推導(dǎo)，得到巖石爆破中質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和不耦合系數(shù)的關(guān)系式。研究表明，隨空氣柱長(zhǎng)度增加，沖擊波峰值壓力降低，有效降低爆破振動(dòng)，為類(lèi)似大型露天爆破工程減振施工提供借鑒。