二氧化碳相變爆破中的振動信號特征分析

陶 明，吳英杰，趙 瑞，趙明生，商武鋒

(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083；2.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴陽 550000；3.中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519070)

爆破是一種十分高效的開挖方式，廣泛用于采礦，道路開挖等工程中[1-2]。而在爆破中，爆破振動是應(yīng)力波傳播過程中的衰減而引起的彈性振動[3]。傳統(tǒng)的化學(xué)爆破是通過化學(xué)變化向外釋放能量達(dá)到破巖效果，在實(shí)際應(yīng)用中爆破會產(chǎn)生地震效應(yīng)、空氣沖擊波效應(yīng)、爆破飛石、噪音、有毒氣體以及爆破誘發(fā)地震等等[1]。在爆破中質(zhì)點(diǎn)振動速度是爆破安全的重要指標(biāo)，通過質(zhì)點(diǎn)速度的分析可以得到關(guān)于爆破中產(chǎn)生的能量等重要數(shù)據(jù)。而二氧化碳爆破技術(shù)是美國朗艾爾·道克斯八十年代新興發(fā)展起來的爆破技術(shù)[4]，自發(fā)展以來被廣泛用于城市爆破和煤炭的致裂開采[5]。二氧化碳?xì)怏w在一定的高壓下可轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，在高壓電流作用下快速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，并伴隨能量的釋放，具有無振動、無粉塵等優(yōu)點(diǎn)。雖然二氧化碳相變爆破的發(fā)展已經(jīng)有數(shù)十年之久，周科平等[6]人對二氧化碳爆破的能量進(jìn)行了深入分析，并得出關(guān)于二氧化碳相變爆破中的能量計算公式。但對二氧化碳爆破的一些技術(shù)參數(shù)的研究卻很少，也尚未出現(xiàn)關(guān)于二氧化碳相變爆破相關(guān)的安全規(guī)范。因此，本文通過現(xiàn)場試驗，對4根4 kg、7 MPa充裝壓力下的二氧化碳致裂管進(jìn)行爆破振動數(shù)據(jù)監(jiān)測采集。分析了二氧化碳相變爆破產(chǎn)生的振動信號特性在時間上和空間上的衰減規(guī)律，對確定合理的二氧化碳相變爆破安全距離和安全規(guī)程具有重要意義，同時對推進(jìn)二氧化碳的工程應(yīng)用也具有一定意義。

1 二氧化碳相變爆破

二氧化碳在常溫常壓下為氣態(tài)，但在低溫和高壓狀態(tài)下會呈現(xiàn)液態(tài)和固態(tài)，如圖1所示。

圖1 二氧化碳三相轉(zhuǎn)化

當(dāng)在高壓下二氧化碳成為液態(tài)，此時利用高壓電流，瞬間通過液態(tài)二氧化碳使二氧化碳迅速氣化，體積急速膨脹從而產(chǎn)生能量達(dá)到破巖效果，二氧化碳在氣化過程中能量釋放可由式(1)計算[7]：

(1)

式中：V為致裂管容積，m3；p為氣體膨脹后絕對壓力，MPa；K為圍絕熱系數(shù)取1.295。致裂管本次采用90型，容積為2 L。由于二氧化碳致裂在相變過程中沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生不產(chǎn)生除二氧化碳之外的其他氣體，因此被廣泛運(yùn)用于城市爆破。

2 二氧化碳相變爆破現(xiàn)場試驗

隨州市城南區(qū)綜合管廊工程位于隨州市城南新區(qū)，管廊西起迎賓大道繞城南路路口，東至編鐘大道繞城南路，全長4.15 km。通過現(xiàn)場踏勘，并結(jié)合繞城南路(迎賓大道～編鐘大道)施工設(shè)計圖，發(fā)現(xiàn)沿線有下穿道路的箱涵以及2處西氣東輸燃?xì)夤艿馈Ｊ┕み^程應(yīng)保證石方開挖無根底，無開挖引起的工程地質(zhì)災(zāi)害隱患；石方開挖塊度、大塊率不能太高，堆集中，便于裝運(yùn)。最重要的一點(diǎn)是確保天然氣線路和基坑內(nèi)人員設(shè)備的安全。由于巖石開挖部分區(qū)域分布均為較硬和堅硬的中風(fēng)化花崗巖，巖石強(qiáng)度高，機(jī)械破除難度高，鉆爆法引起的地表振動較大，對既有管網(wǎng)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的動態(tài)擾動，危害到管網(wǎng)的安全與穩(wěn)定性，因此決定采用液態(tài)二氧化碳相變致裂巖體技術(shù)進(jìn)行基坑的開挖。對此，預(yù)先進(jìn)行了二氧化碳相變爆破現(xiàn)場試驗，試驗現(xiàn)場巖體條件以及爆破參數(shù)和傳感器的布置如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場試驗

炮孔深度為4 m，炮孔間距2 m，單根致裂管直徑90 mm、長1 200 mm，單次充裝二氧化碳?xì)怏w約4 kg，充裝壓力7 MPa?，F(xiàn)場試驗中爆破振動測試采用3臺三通道爆破測振儀分別對x，y，z方向的振動進(jìn)行監(jiān)測?，F(xiàn)場試驗步驟如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場試驗步驟

現(xiàn)場安裝完畢后，采用10 kV高壓電起爆，4根致裂管同時起爆，起爆后待安全人員確認(rèn)安全后進(jìn)入檢測儀區(qū)域讀取數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)

采用拓普測控的unbox-308多通道爆破振動測試儀對現(xiàn)場進(jìn)行振動監(jiān)測，測點(diǎn)分別選在距離爆心5、8、12 m處，測振儀的安裝如圖3所示，其中x方向垂直于四個炮孔的連線中點(diǎn)。現(xiàn)場測試得到的3個監(jiān)測點(diǎn)在x，y，z方向上的振動數(shù)據(jù)經(jīng)過低通濾波后得到數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 5 m處測點(diǎn)數(shù)據(jù)

從圖中可以看出，爆破振動的質(zhì)點(diǎn)振動信號均有2個波包組成。這是由于4個炮孔同時起爆，但是在它們的中點(diǎn)連線上出現(xiàn)了應(yīng)力波的疊加作用，中間2個孔產(chǎn)生的應(yīng)力波形成了第1次疊加，隨后4個孔產(chǎn)生的應(yīng)力波再次疊加形成更大的應(yīng)力，這也是第2個波包比第1個波包峰值更大的原因，從圖中來看這個時差約為30 ms。對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計得到不同測點(diǎn)和方向上的峰值質(zhì)點(diǎn)振動速度(PPV)和主振頻率如表1所示。

表1 不同測點(diǎn)上的PPV與主頻

PPV和距爆源之間的距離關(guān)系如圖5所示，由圖中可知隨著距離的增大，x方向PPV的減小趨近于線性關(guān)系，z方向的衰減比y方向上快。最終在12 m處3個方向上的質(zhì)點(diǎn)振動速度均接近0.2 cm/s，按這個趨勢，x方向上將在約14 m處降到0。而主振頻率在x方向上先增大后減小。

圖5 不同方向PPV隨距離衰減關(guān)系

液態(tài)CO2相變致裂裝置的近似炸藥當(dāng)量WT可以利用式(2)計算[8]：

(2)

式中：Eg為氣體的爆破能量，kJ；QT為1 kg炸藥爆炸能，取4 250 kJ/kg。經(jīng)過計算，該型號的液態(tài)CO2相變致裂管的當(dāng)量為440 g炸藥。對比相同當(dāng)量的炸藥，利用薩道夫斯基公式[9]計算PPV：

(3)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)爆破振動速度峰值，cm/s；K為地形條件系數(shù)取150；WT為齊爆炸藥量，kg；R為測點(diǎn)與爆心的直線距離，m；α為地質(zhì)條件系數(shù)，取α=1.5。

經(jīng)過計算，二氧化碳爆破產(chǎn)生的PPV比傳統(tǒng)化學(xué)爆破降低了80%左右，這表明二氧化碳相變爆破在爆破震動的控制上具有優(yōu)良的特性。在x和y方向上質(zhì)點(diǎn)振動速度的衰減接近線性，而z方向的衰減更加接近薩道夫斯基公式所得的衰減規(guī)律。

3.2 FFT分析

FFT技術(shù)全稱為快速傅里葉變換，是一種離散數(shù)據(jù)的傅里葉變換技術(shù)，被廣泛用于爆破振動信號分析[3]，對于一個連續(xù)的具有明確表達(dá)式的函數(shù)其傅里葉變換可以表示為[3]

(4)

傅里葉逆變換表示為

(5)

F(ω)、f(t)分別叫做象函數(shù)和原函數(shù)。傅里葉變換可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的時域到頻域的轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)據(jù)的頻譜特征，對于一系列離散的數(shù)據(jù)X(N)，表示有N個數(shù)據(jù)點(diǎn)。其傅里葉變換可以表示為

(6)

式中：N為采樣點(diǎn)數(shù)，對于一個特定的序列，其采樣頻率為采樣點(diǎn)數(shù)與采樣時間的比值。通過離散傅里葉變換技術(shù)，將現(xiàn)場測得的爆破振動信號進(jìn)行處理。在本文中，x方向為爆破振動的主要傳播方向，我們通過FFT技術(shù)對x方向振動信號進(jìn)行分析，得到不同距離上x方向振動信號的頻域分布如圖6所示。

圖6 x方向不同距離振動信號的頻譜分布

從圖中可以看出爆破振動信號中，低頻段占主導(dǎo)地位，而由于地球構(gòu)造和大地成分的原因。地球是一個低通的濾波系統(tǒng)，所以隨距離的增加低頻段衰減比高頻段慢。由圖中可知在5～8 m距離內(nèi)低頻段的衰減很少，波形穩(wěn)定，能量耗散小，而在8～12 m的距離內(nèi)低頻段和高頻段都有大幅度的衰減。

3.3 功率譜分析

功率譜能反映振動信號在不同頻段上的能量分布情況，根據(jù)現(xiàn)場所得信號利用unbox-308數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到在x方向上不同距離上的爆破振動信號的功率譜分布如圖7所示。

圖7 x方向不同距離功率譜分布

從圖中可以看出，振動信號的能量主要集中分布在低頻段，而隨著距離的增加，高頻段的能量衰減快，而低頻段的能量衰減較慢，同時對比FFT頻域圖譜，功率譜的分布和頻譜分布具有相同的規(guī)律，也即低頻段所具有的能量高于高頻段所具有的能量。在爆破中低頻段振動衰減慢，而高頻段振動信號衰減快，這表明在破巖作用中，高頻段能量主要用于近場巖石的破碎，也即壓碎區(qū)的破碎，而低頻段多作用于遠(yuǎn)場彈性區(qū)產(chǎn)生爆破振動。而在本次試驗中，低頻和高頻均在12 m距離范圍內(nèi)衰減到0.2 cm/s左右。不同距離上和頻段的功率分布如表2所示。

表2 不同頻段信號功率分布

4 討論

通過現(xiàn)場試驗，對二氧化碳相變爆破中的振動信號進(jìn)行監(jiān)測，通過爆破振動產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動速度信號，進(jìn)行FFT，在頻域上分析了二氧化碳相變爆破產(chǎn)生的振動信號。結(jié)果表明在頻譜的分布上二氧化碳相變爆破和傳統(tǒng)鉆爆法的總體規(guī)律一致，通過時域和頻域分析得出爆破振動信號在時間空間上的衰減規(guī)律。在時間上二氧化碳爆破的壓力上升出現(xiàn)分段現(xiàn)象，排除起爆誤差，我們認(rèn)為這是因為二氧化碳在膨脹過程中出現(xiàn)的壓力平衡段，當(dāng)爆破壓力大小和圍巖強(qiáng)度大小相差不大時，管內(nèi)壓力和管外壓力出現(xiàn)平衡段；隨后管內(nèi)壓力繼續(xù)增加，當(dāng)爆破壓力使得圍巖出現(xiàn)裂紋時，氣體體積得到進(jìn)一步的膨脹，于是壓力繼續(xù)上升直到整個管內(nèi)氣體膨脹完成達(dá)到爆破峰值壓。在頻域上二氧化碳相變爆破振動信號總體分布和鉆爆法相差不大，但二氧化碳爆破產(chǎn)生的中等頻段(50 Hz

二氧化碳相變爆破在爆破信號的特征分布上，低頻部分少，傳播距離短，在進(jìn)行安全距離計算時建議采用薩道夫斯基公式進(jìn)行折減計算。關(guān)于二氧化碳爆破的壓力時程曲線的研究尚少，此外，對于二氧化碳相變爆破的數(shù)值模擬方面還需要更多的深入研究。

5 結(jié)論

1)二氧化碳相變爆破產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動速度隨距離的增加成線性衰減規(guī)律，傳播距離較傳統(tǒng)爆破短，振動衰減快，建議在二氧化碳相變爆破的安全距離確定中采用當(dāng)量炸藥計算所得距離進(jìn)行折減。

2)二氧化碳相變爆破產(chǎn)生的PPV較同等當(dāng)量的炸藥小，但在中等距離(5～8 m)范圍內(nèi)衰減小，10 m以外衰減較大。

3)二氧化碳爆破產(chǎn)生的振動信號中低頻段部分占比大，除幅值的衰減外，總體波形在距離上的變化不大，振動的波形穩(wěn)定向外傳播。