高壓氣體爆破與炸藥爆破振動(dòng)試驗(yàn)研究*

褚懷保,余夢飛，嚴(yán)少洋，王 昌，孫 博

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，焦作 454000)

炸藥爆破作為一種傳統(tǒng)破巖手段，因其成熟度高、經(jīng)濟(jì)和便捷等優(yōu)點(diǎn)在工程建設(shè)和礦山開采占主要地位。但是，爆破作業(yè)過程中可能會(huì)造成建(構(gòu))筑結(jié)構(gòu)破壞、邊坡滑移、地基基礎(chǔ)下沉等工程災(zāi)害問題，控制爆破振動(dòng)是解決這些工程爆破災(zāi)害問題的關(guān)鍵[1,2]。QIN Q H等在大斷面隧道開挖時(shí)嚴(yán)格控制單段裝藥量[3]，有效減小了爆破振動(dòng)速度；鐘冬望等為減小爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間造成的振動(dòng)累計(jì)和疲勞效應(yīng)[4]，基于地震波線性疊加原路，通過軟件編程，計(jì)算得到了毫秒微差爆破不同爆心距處合理延時(shí)區(qū)間；還有學(xué)者研究了設(shè)置減振溝、減振孔和預(yù)裂爆破等方法對于振動(dòng)波傳播的影響[5,6]。這些研究成果對于減小爆破振動(dòng)危害具有積極作用，但爆破振動(dòng)控制效果依然不能完全滿足工程安全需要。因此，相關(guān)學(xué)者開始探索能夠有效減小爆破振動(dòng)并能夠快速破巖的安全技術(shù)，以作為炸藥爆破的補(bǔ)充。

高壓氣體爆破技術(shù)是指通過機(jī)械壓縮的方式將氣體充進(jìn)指定容器中，待容器內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)瞬間釋放，高壓氣體以射流的形式作用到介質(zhì)上，達(dá)到破巖效果[7]。該技術(shù)起初主要應(yīng)用于地下煤礦開挖和瓦斯抽采，主要作用是對煤儲(chǔ)層進(jìn)行增透、提高瓦斯抽采了效率[8-10]。陶明等通過分析CO2相變和炸藥爆破破巖機(jī)理[11]，得出利用CO2相變產(chǎn)生高壓氣體對煤巖體致裂不產(chǎn)生任何有害氣體。褚懷保等通過高壓氣體沖擊試驗(yàn)[12]，得出高壓氣體沖擊作用下孔壁附近基本不出現(xiàn)粉碎區(qū)，且能量利用率高。彭懷德等通過現(xiàn)場試驗(yàn)[13]，對比分析了高壓氣體膨脹破巖和傳統(tǒng)鉆爆法的振動(dòng)測試結(jié)果，得出了高壓氣體膨脹破巖能夠有效減小隧道開挖過程中的振動(dòng)。以上研究得出了高壓氣體爆破過程中具有安全可靠、振動(dòng)和噪音小、不產(chǎn)生有毒有害氣體、能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)；因此高壓氣體爆破技術(shù)被認(rèn)為是一種安全高效、綠色環(huán)保的破巖方式。炸藥爆破破巖主要是爆轟波和應(yīng)力波共同作用的結(jié)果，而高壓氣體爆破破巖是以氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用為主，沖擊動(dòng)作用較小[14]。破巖機(jī)制的不同使這2種方式產(chǎn)生的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間、振動(dòng)速度和振動(dòng)信號(hào)能量在頻域上的分布特征也呈現(xiàn)明顯的區(qū)別。而有關(guān)高壓氣體爆破技術(shù)的研究主要是針對它的爆破破壞機(jī)理方面展開[15-17]，較少文獻(xiàn)是從振動(dòng)方面對比分析高壓氣體爆破與炸藥爆破的區(qū)別，導(dǎo)致該技術(shù)在減振方面的優(yōu)勢無法完全展現(xiàn)。

為此，開展了高壓氣體爆破與炸藥爆破振動(dòng)試驗(yàn)，對2種方式的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間和振動(dòng)速度進(jìn)行了對比分析，并基于小波包變換技術(shù)分析了2種方式的振動(dòng)信號(hào)能量在頻域上的分布特征。以期為現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)，同時(shí)為后期的更深入的理論研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 高壓氣體爆破試驗(yàn)裝置

參考?xì)怏w炮的工作原理，采用機(jī)械壓縮空氣產(chǎn)生高壓氣體，由于裝置內(nèi)外壓力差的存在，釋放后高壓氣體迅速膨脹擴(kuò)散，經(jīng)泄壓口以射流的形式作用到巖體上。試驗(yàn)設(shè)備包括：(1)空壓機(jī)，作用是對空氣進(jìn)行初次壓縮；(2)增壓泵，作用是對氣體進(jìn)行二次壓縮為試驗(yàn)提供符合試驗(yàn)的高壓氣體；(3)容積1 L的鋼制無縫氣瓶制成的壓力釜，作用是保證噴射過程中氣量充足、可控和試驗(yàn)安全；(3)數(shù)字壓力表，作用是設(shè)置試驗(yàn)時(shí)所需要的氣體壓力；(4)耐高壓電磁閥，作用是待增壓系統(tǒng)將壓力釜內(nèi)氣體壓力增至數(shù)字壓力表設(shè)定的壓力時(shí)，耐高壓電磁閥的閥門打開，實(shí)現(xiàn)高壓氣體的釋放。以上所有模塊經(jīng)高壓防爆管連接并進(jìn)行系統(tǒng)性調(diào)試，主要設(shè)備連接示意圖如圖1所示。

圖 1 高壓氣體爆破裝置及示意圖Fig. 1 High-pressure gas blasting device and schematic diagram

1.2 試驗(yàn)方案

因天然巖體開采、運(yùn)輸困難，節(jié)理裂隙發(fā)育具有隨機(jī)性，采用相似模擬試驗(yàn)可以嚴(yán)格控制變量且試驗(yàn)方便。因此，本試驗(yàn)采用相似模擬材料模擬天然巖體，根據(jù)相似模擬理論，對比各參數(shù)，本模型材料可看作是類砂巖材料。試件材料配比為：細(xì)沙∶水泥∶石膏∶水=3∶1.3∶0.15∶0.45。試件物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表 1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧蠀?shù)

炸藥爆破與高壓氣體爆破試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢?，?shí)驗(yàn)室內(nèi)制作30 cm∶60 cm∶30 cm的試塊，試塊在距一端12 cm處預(yù)留一個(gè)直徑1.6 cm，深20 cm的炮孔。振動(dòng)測試每個(gè)試塊布置4個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)位置距離炮孔為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm，試驗(yàn)過程中，試塊置于反力框架內(nèi)并利用千斤頂、鋼板和復(fù)合木板對試塊施加圍壓(復(fù)合木板在試塊與鋼板之間，用于吸收爆破過程中產(chǎn)生的反射拉伸波)，炸藥爆破與高壓氣體爆破測點(diǎn)一致，如圖2所示。

圖 2 測點(diǎn)示意圖及試驗(yàn)過程(單位：cm)Fig. 2 Schematic diagram of measuring points and test process(unit:cm)

由于2種方式的破巖機(jī)制和材料性質(zhì)的巨大差異，簡單地以材料質(zhì)量或破巖效率、效果作為比較標(biāo)準(zhǔn)是不合理的。一種實(shí)踐中常用的、簡單的方法是以含同等能量的高壓氣體和炸藥為基準(zhǔn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，即“壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量”法[15]。炸藥爆破試驗(yàn)使用黑索金炸藥，根據(jù)此方法確定本試驗(yàn)高壓氣體爆壓與對應(yīng)炸藥當(dāng)量，如表2所示。

表 2 高壓氣體爆壓與對應(yīng)炸藥當(dāng)量

振動(dòng)測試使用成都中科研發(fā)的 TC4850 爆破振動(dòng)采集儀，采樣率設(shè)置為4 kHz，該儀器的振動(dòng)測試量程從0.001～35.4 cm/s，頻響范圍從0～1000 Hz，其量程能充分滿足爆破振動(dòng)測試的需求并且能包含工程爆破所涉及的所有頻段，可以充分保障爆破試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將波形起跳點(diǎn)至波幅衰減為最大幅值1/e間的波形對應(yīng)的持續(xù)時(shí)間定義為爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間，根據(jù)測試結(jié)果可知垂向(Z向)和徑向(Y向)振動(dòng)速度較大，且大小接近，切向(X向)振速很小。根據(jù)工程實(shí)際，采用各測點(diǎn)的垂向速度(Z向)進(jìn)行分析。對2種爆破方式的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測，部分實(shí)測振動(dòng)波形如圖3、圖4所示，測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表 3 測試結(jié)果

圖 3 炸藥爆破振動(dòng)波Fig. 3 Explosive blast vibration wave

圖 4 高壓氣體爆破振動(dòng)波Fig. 4 Vibration wave of high-pressure gas cracking

2.1 振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分析

爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間是評價(jià)爆破危害的重要指標(biāo)，探究高壓氣體爆破與炸藥爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間規(guī)律具有重要的理論價(jià)值和工程意義。圖5給出了高壓氣體爆破與炸藥爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間變化規(guī)律。從圖中可以看出，高壓氣體爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間大約是炸藥爆破的10倍；隨著距離的增大，2種振動(dòng)持續(xù)時(shí)間都減小；隨著爆壓或當(dāng)量的增大，炸藥爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間逐漸增大、高壓氣體爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間逐漸減小。

圖 5 2種振動(dòng)持續(xù)時(shí)間變化規(guī)律Fig. 5 Variation rule of two kinds of vibration duration

炸藥爆破破巖以爆轟波和應(yīng)力波的共同作用為主。首先是爆轟波作用于孔壁，在巖體內(nèi)形成沖擊波并很快衰減為應(yīng)力波，沖擊波在孔壁周圍巖體中形成粉碎區(qū)，應(yīng)力波則使巖體產(chǎn)生徑向裂隙，隨著距離的增大應(yīng)力波衰減為振動(dòng)波，然后是爆生氣體對巖體中裂隙的楔入作用。在此過程中，幾μs內(nèi)孔壁壓力便達(dá)到幾千甚至幾萬MPa，因此，炸藥爆破引起的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短。炸藥當(dāng)量越大，炸藥爆轟時(shí)間越久，對孔壁的沖擊作用時(shí)間越長，引起的振動(dòng)波持續(xù)時(shí)間也越長。

高壓氣體爆破破巖可以分為2個(gè)階段，第一階段是高壓氣體以射流的形式作用到孔壁上，巖體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力波、孔壁產(chǎn)生初始裂紋，第二階段是高壓氣體楔入巖體裂紋中驅(qū)動(dòng)裂紋向前擴(kuò)展，這2個(gè)階段都會(huì)對巖體造成擾動(dòng)形成振動(dòng)波，但高壓氣體爆破破巖的第二階段是氣體準(zhǔn)靜態(tài)作用，作用時(shí)間較長。因此，高壓氣體爆破振動(dòng)波持續(xù)時(shí)間較長。高壓氣體爆壓越大，氣體射流出的速度越大，能在更短的時(shí)間內(nèi)將試塊裂紋貫通，試塊裂紋貫通后炮孔內(nèi)與裂紋內(nèi)高壓氣體迅速逸散，壓力迅速降低，無法對巖體造成擾動(dòng)。因此，高壓氣體爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間隨爆壓的增大而減小。

2.2 振動(dòng)速度對比分析

為揭示2種方式的振動(dòng)衰減規(guī)律差異，對測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行非線性擬合，擬合公式為y=kxα，擬合曲線和衰減系數(shù)見圖6。由圖6可以看出，高壓氣體爆破振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于炸藥爆破，且衰減較慢。

圖 6 峰值振速衰減規(guī)律Fig. 6 Attenuation law of peak vibration velocity

圖7給出了2種爆破方式的試件破碎形態(tài)。從圖中可以看出，高壓氣體爆破產(chǎn)生的碎塊塊度明顯比炸藥爆破大，且爆破過程中沒有出現(xiàn)碎塊崩飛現(xiàn)象，高壓氣體爆破作用下炮孔附近沒有出現(xiàn)粉碎區(qū)，宏觀裂紋只有2條，而炸藥爆破作用下炮孔出現(xiàn)了明顯的粉碎區(qū)，且出現(xiàn)了多條宏觀裂紋，由2種方式的試件破碎形態(tài)可知，炸藥爆破沖擊動(dòng)作用更強(qiáng)，而振動(dòng)速度是反應(yīng)沖擊響應(yīng)的重要參數(shù)。因此，炸藥爆破振動(dòng)速度遠(yuǎn)大于高壓氣體爆破。同一種巖體內(nèi)振動(dòng)頻率是影響振動(dòng)衰減速度的主要因素，對高頻振動(dòng)，介質(zhì)阻尼作用較大，即高頻部分能量更容易被吸收，由2.3節(jié)分析可知，高壓氣體爆破振動(dòng)信號(hào)相對于炸藥爆破而言屬于更加低窄頻的振動(dòng)，高壓氣體爆破振動(dòng)信號(hào)能量主要分布在低頻帶，炸藥爆破振動(dòng)信號(hào)能量主要分布在高頻帶。因此，高壓氣體爆破振動(dòng)衰減較慢。

圖 7 試塊破碎形態(tài)Fig. 7 Breakage morphology of test block

進(jìn)一步地，為量化高壓氣體爆破減振效果,圖8給出了不同爆壓下的炸藥爆破與高壓氣體爆破振動(dòng)速度比值PPVe/PPVg變化規(guī)律。從圖中可以看出，炸藥爆破振動(dòng)速度為高壓氣體爆破的2.72倍以上，隨距離的增大而減小。測點(diǎn)距離為0.4 m時(shí)，二者比例達(dá)到2.7以上，測點(diǎn)距離為0.1 m時(shí)，二者比例在5以上，說明高壓氣體爆破在近區(qū)減振效果更顯著。另一方面，觀察幾種爆壓之間的對比結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)二者比值隨爆壓的增大而減小，說明高壓氣體爆破更適合用于小規(guī)模破巖工程。

2.3 振動(dòng)信號(hào)能量分布規(guī)律對比分析

由圖3、圖4可知，2種方式的爆破振動(dòng)信號(hào)都是一種非周期性的瞬態(tài)隨機(jī)波形，其振動(dòng)時(shí)程曲線是時(shí)域信號(hào)，可以直觀地得到振速大小、持續(xù)時(shí)間等信息，但頻率也是評價(jià)爆破振動(dòng)危害的重要因素，因此其頻域信號(hào)同樣重要，為此采用小波包技術(shù)對2種振動(dòng)信號(hào)能量在頻域上的分布規(guī)律進(jìn)行分析。

振動(dòng)監(jiān)測時(shí)采樣頻率設(shè)為4 kHz，由Shannon采樣定理，其Nyquist頻率為2 kHz，進(jìn)行8層小波包分解，原信號(hào) Nyquist頻率區(qū)間被劃分為頻帶寬為7.812 Hz的256個(gè)子頻帶。為確定合適的小波基種類，分別采用與爆破振動(dòng)波相似且在爆破振動(dòng)信號(hào)分析領(lǐng)域中應(yīng)用較多的sym系列的sym5、sym6、sym7、sym8和db系列的db5、db6、db7、db8對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行8層分解與重構(gòu)，以10 MPa第1個(gè)測點(diǎn)為例，重構(gòu)后發(fā)現(xiàn)sym8的重構(gòu)信號(hào)與原信號(hào)的峰值誤差最小，波形也沒有發(fā)生畸變，因此選取小波基sym8小波包對此信號(hào)分解至第 8層。同理選擇合適的小波基對其他振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu)，利用matlab編程得到4.6 g炸藥爆破和10 MPa高壓氣體爆破各測點(diǎn)最大振速方向振動(dòng)信號(hào)的能量分布百分比，如圖9和圖10所示。

圖 8 炸藥爆破與高壓氣體爆破振動(dòng)速度比值Fig. 8 Ratio of vibration velocity between explosive blasting and high-pressure gas cracking

圖 9 炸藥爆破振動(dòng)信號(hào)能量分布百分比柱狀圖Fig. 9 Explosive energy distribution of blasting vibration signal percentage histogram

圖 10 高壓氣體爆破振動(dòng)信號(hào)能量分布百分比柱狀圖Fig. 10 High pressure gas energy distribution of cracking vibration signal percentage histogram

定義能量分布百分比峰值對應(yīng)的子頻帶為主頻帶，主頻帶能量比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。由表4可知，高壓氣體爆破與炸藥爆破振動(dòng)信號(hào)一樣，隨著距離的增大，主頻帶向低頻轉(zhuǎn)移并且能量比例逐漸降低。

表 4 振動(dòng)信號(hào)主頻帶及其對應(yīng)能量百分比

高壓氣體爆破振動(dòng)信號(hào)相對于炸藥爆破而言屬于更加低窄頻的振動(dòng)信號(hào)。由圖9和圖10可知，炸藥爆破振動(dòng)能量主要分布在0～500 Hz，而高壓氣體爆破主要分布在0～200 Hz；由小波包能量分析結(jié)果可知在0～10的低頻帶范圍內(nèi)，即0～78.125 Hz，高壓氣體爆破振動(dòng)信號(hào)能量達(dá)到總能量的59.04%～94.60%，而炸藥爆破只有1.92%～35.31%。

由圖9和圖10可知，炸藥爆破振動(dòng)信號(hào)有多個(gè)頻帶的能量比例接近主頻帶，主頻帶并不突出，例如圖9(c)中，主頻帶能量比例為13.7%，但第11頻帶為12.99%、第16頻帶為11.36%，而高壓氣體爆破振動(dòng)信號(hào)主頻帶能量比例與其他子頻帶相比具有明顯的優(yōu)勢；由表4可知炸藥爆破振動(dòng)信號(hào)主頻帶所占能量比例為11.58%～16.81%，小于高壓氣體爆破振動(dòng)信號(hào)主頻帶所占能量比例16.83%～30.98%。因此，高壓氣體爆破振動(dòng)信號(hào)能量在頻域上更為集中。

統(tǒng)計(jì)圖10中不同距離測點(diǎn)1～10子頻帶能量占總能量的比例：94.6%(R=0.1 m)、73.01%(R=0.2 m)、66.54%(R=0.3 m)、63.34%(R=0.4 m)，可以得出，隨距離的增大，高壓氣體爆破振動(dòng)信號(hào)的低頻能量比例逐漸降低。參考相關(guān)文獻(xiàn)可知，振動(dòng)能量作用于建(構(gòu))筑物時(shí)其能量成分與結(jié)構(gòu)固有頻率接近的部分會(huì)產(chǎn)生放大效應(yīng)，而一般建(構(gòu))筑物的自振頻率集中在低頻，因此高壓氣體爆破振動(dòng)隨距的增大低頻能量比例降低，有利于建筑安全。

3 結(jié)論

采用模擬巖體試塊，進(jìn)行了同等能量條件下的高壓氣體爆破與炸藥爆破振動(dòng)試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果分析了2種爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間和振動(dòng)速度，并利用小波包變換技術(shù)對2種振動(dòng)信號(hào)能量在頻域上的分布規(guī)律進(jìn)行了比較。主要結(jié)論如下：

(1)高壓氣體爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于炸藥爆破；2種爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間均隨距離的增大而減?。磺腋邏簹怏w爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間隨著爆壓的增大而減小，但炸藥爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間隨當(dāng)量大增大而增大。振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長，說明巖體或建構(gòu)筑物出現(xiàn)較大反應(yīng)的概率更大，因此分析高壓氣體爆破振動(dòng)安全時(shí)有必要充分考慮振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的影響。

(2)高壓氣體爆破振動(dòng)速度峰值較炸藥爆破振動(dòng)速度峰值小，隨著距離的增大，2種爆破振動(dòng)的峰值趨于接近，且高壓氣體爆破振動(dòng)速度較炸藥爆破振動(dòng)速度衰減緩慢，說明高壓氣體爆破在近區(qū)的減振效果更顯著，對于需要嚴(yán)格控制振動(dòng)速度的場合具有明顯優(yōu)勢。

(3)2種爆破振動(dòng)信號(hào)的主頻帶隨著距離的增大向低頻帶轉(zhuǎn)移，且主頻帶能量所占比例逐漸降低。高壓氣體爆破振動(dòng)信號(hào)屬于更加低窄頻的信號(hào)、能量在頻域上更集中、主頻帶能量占比高。高壓氣體爆破振動(dòng)信號(hào)低頻段能量比例較高，因此在作業(yè)時(shí)要注意避免與建構(gòu)筑物之間產(chǎn)生共振。