爆破振動技術的研究

馬建興,馬 強

(1.內蒙古科技大學礦業工程學院，內蒙古 包頭 014010；2. 浙江中醫藥大學分析測試中心， 浙江 杭州 310053)

從理論上研究爆破振動的影響是個十分復雜的問題, 這主要是由于爆破介質的復雜性、炸藥性能、爆破方式選擇和邊界條件影響所致。雖然以波動理論和爆炸力學為基礎，建立了不同的力學模型和擬合公式形式, 但難以直接用于爆破設計。實際用于施工和設計的，是以理論分析結論指導下提出的各種經驗公式。經過試驗或現場測試，得出一定條件下的裝藥量、距離、裝藥結構、起爆方式等與質點振動速度(或加速度) 的關系, 便可以確定經驗公式中的參數。這些參數在同一個場地往往比較穩定，并可用于工程中的振動監測，然后對參數不斷進行調整。爆破振動效應常以地面質點運動速度來表征, 這是因為介質結構經受爆破振動破壞與質點振動速度的相關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構；二是決定于它的加工工藝；三是決定于它的裝藥狀態和使用條件。

1.1 炸藥的密度

密度是炸藥，特別是實際使用的裝藥形式炸藥的一個很重要的性質。機械力學性能、爆炸性能和起爆傳爆性能等均與密度有密切的關系。

1)理論密度

對于爆炸化合物，理論密度指炸藥純物質的晶體密度，或稱最大密度。

對于爆炸混合物，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，等于各組分體積分數乘以各自密度的加權平均值，其表達式為：

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到的最大裝藥密度。實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為裝藥的實際密度；ε為空隙率；V為裝藥的實際體積。

1.2 炸藥的爆速

炸藥的爆速是重要爆轟參數之一，它與其他性能，如爆轟壓、猛度等密切相關，因此，爆速是衡量炸藥爆炸能力的重要指標之一。炸藥爆轟過程，是爆轟波沿炸藥裝藥一層一層地進行自動傳播的過程。從本質上講，爆轟波就是沿炸藥傳播的強沖擊波。爆轟波與一般沖擊波的區別，主要在于爆轟波傳播時，炸藥受到高溫高壓作用而產生高速爆轟化學反應，放出巨大能量，放出的部分能量又支持爆轟波對下一層未反應的炸藥進行強烈沖擊壓縮，因而爆轟波可以不衰減地穩定地傳播下去。在一定條件下，爆轟波以一定的速度進行傳播。一般所說的爆速，就是在穩定條件下的爆速。對于混合炸藥，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，所以其爆速的影響因素比單體炸藥要復雜得多。

2 爆破地震與天然地震區別

爆破地震與天然地震主要區別在于頻率特征差異。天然地震振動時間較長，一次振動能持續幾秒至幾十秒，而爆破地震持續時間很短，一次振動只有幾十毫秒至幾秒，常用的毫秒延期雷管段數為15段以內，15段雷管延時為1s。但爆破震動波持續時間大多數在3s以內完成，以幅頻特性來看，爆破地震的單次記錄時間不會很長。另外從振動次數上來看，天然地震常伴有多次余震，而爆破震動大多數是一次完成，在爆破工程中，多次爆破或長期生產爆破，地震波作用造成的危害會不斷累加，產生疲勞破壞。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)筑物對各頻率振動的動力響應關系與振動危害性密切相關。資料分析表明，一方面爆破地震波隨著傳播距離的增加，其振動主頻不斷降低；另一方面爆破地震波主頻受爆破類型、裝藥結構、地形地質條件等多種因素影響。為了獲得真實的爆破振動信號，在爆破振動檢測前，應當初步估計爆破地震波的主振頻率特征，從而更好地設定記錄儀的采樣頻率、選擇合理的傳感器響應頻率滿足爆破振動測試的要求。

3 測振傳感器選擇

3.1 傳感器頻率要求

爆破地震頻率范圍在5～150Hz。選用的振動速度傳感器頻率響應范圍，一般宜在3～500Hz，國產振動速度傳感器頻率范圍較窄，大多數傳感器低頻域高于10 Hz，低頻域小于10 Hz的傳感器高頻域又只能到500 Hz，這類傳感器基本能用于完整的爆破振動測試。通常爆破振動波頻域較廣，頻率成分復雜，在傳感器安裝方面，一定要和被測點緊密接觸，否則測得的低頻域數據會嚴重失真。最好在實測前，在振動臺上標定測試系統后，用于爆破振動測試中。

3.2 傳感器的安裝

一般的振動測試中，因振動幅值不大，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，在測量三向振動分量時，應注意傳感器的方向性。現國外提供有三向速度或加速度傳感器，一個傳感器可同時測試出X、Y、Z三個方向的振動分量，能方便準確地求出合速度。

4 爆破振動分析

爆破振動衰減規律回歸分析：根據經驗公式

V=K(Q1/3/R)a

(4)

爆破振動速度衰減規律分析，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

爆破振動波形的特征是短間隔多次振動，因為一次爆破通常都是分段起爆，每段爆破將根據藥量和爆破條件的變化(如夾制條件、炮孔分散性、裝藥結構等不同)而產生不同的振動峰值。因此，在波形分析中，根據不同時刻的峰值變化，首先將不同起爆段分別對應的峰值振速查找出，這樣一次爆破測振可獲得更多的比例距離條件下的峰值振速信息，增加了振動數據統計分析的可靠性、準確性，也提高了振動測試的效率。

4.2 主振頻率

爆破振動測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。選取所關心的振動波形段進行頻譜分析，是測試結果分析的重要部分，頻譜分析需要作統一規定。

4.3 振動持續時間

爆破振動持續時間分為一段振波持續時間和全部爆破振動持續時間。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，主振波歷時為段振波持續時間。根據爆破振動波持續時間可確定合理微差起爆間隔時間。

4.4 地震波傳播速度(Vw)

利用地震波波形時標，可以讀出地振波初至該測點的時刻，計算出不同測點初至波的時差(tW=tB-tA)，以及不同測點至爆源的距離差(RW=RB-RA)，地震波波速VW=RW/tW。當測點距離太近時，由于時差太小，若采樣頻率過低，地震波波速計算精度低、誤差大。因此，需作波速計算時，應使兩點間距加大，并且保證兩測點同時觸發記錄。由于地震波在傳播過程中遇到不同的地質條件，它將影響地震波的傳播速度，因此通過計算地震波波速，還能推測不同地質條件的改變。

5 結論

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

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