炸藥性能對爆破地震波傳播與能量衰減規(guī)律影響研究

譚 銘

（武鋼資源集團烏龍泉礦業(yè)有限公司，湖北 武漢 430213）

0 引 言

爆破施工在帶來極大經(jīng)濟效益的同時，也伴隨著一系列危害效應(yīng)[1]，如爆破振動、飛石、粉塵、有毒氣體等，其中，爆破振動被認為是工程爆破中最為常見的危害，嚴重時可造成周圍建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)破壞，極大地制約了礦山的安全生產(chǎn)。因此，深入研究爆破地震波能量衰減規(guī)律，對于更好地控制爆破振動具有重要意義。

爆破地震波的傳播及其能量衰減過程受巖石性質(zhì)、炸藥性能、爆破方式等多種因素的影響，這就導(dǎo)致了爆破振動產(chǎn)生危害的隨機性大大增加[2]。近年來，眾多專家學(xué)者從不同角度研究爆破振動的影響因素及控制爆破振動的手段和方法[3-7]。張西良等[8]開展了爆破振動現(xiàn)場試驗，探究了高程因素對爆破振動傳播規(guī)律的影響，研究結(jié)果表明高程差的存在增大了爆破振動危害，基于此提出了考慮高程放大效應(yīng)影響的薩道夫斯基修正公式。顧文彬等[9]從阻抗匹配角度對三種不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破能量傳遞進行了理論分析，結(jié)果表明以水作為不耦合介質(zhì)可以有效降低爆破振動能量。高啟棟等[10]對不同起爆位置下爆破振動場的分布規(guī)律進行了比較分析，通過現(xiàn)場試驗驗證，表明底部起爆時所引起的爆破振動峰值質(zhì)點速度最大，且隨著孔深的增大，爆破振動差異性也不斷增大。

同時，炸藥與巖石匹配的合理性也可有效地提高炸藥能量利用率，改善爆破效果，降低爆破振動。一般認為，炸藥與巖石波阻抗相匹配時，炸藥傳遞給巖石的能量最多，巖石破碎效果較好[11]。楊仁樹等[12]開展了三種炸藥類型的模型試驗，對試樣表面裂紋擴展及塊度分布特征進行了對比分析，結(jié)果表明選擇與礦巖波阻抗匹配程度高且爆熱合適的炸藥，可以有效改善爆破效果。王基禹等[13]基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了炸藥與巖石能量匹配預(yù)測模型，工程應(yīng)用結(jié)果顯示，通過該匹配模型選擇的炸藥有效改善了爆破效果，降低了炸藥單耗。張袁娟等[14-15]運用LSDYNA 非線性動力分析軟件對混裝乳化炸藥和混裝銨油炸藥兩種炸藥及石灰?guī)r和花崗巖兩種工況條件下的臺階爆破進行了數(shù)值模擬分析，并結(jié)合現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測試驗，論證了炸藥性能及巖性對爆破振動傳播與衰減規(guī)律有較大影響，為現(xiàn)場爆破振動控制提供了有效的理論依據(jù)。

目前，眾多學(xué)者對炸藥巖石合理匹配相關(guān)研究已取得了一定的成果，但針對炸藥性能對爆破地震波傳播及能量衰減規(guī)律的影響研究鮮有涉及，而當前炸藥混裝車的普遍應(yīng)用，使得探究炸藥性能對爆破振動的影響以期選擇更合適的炸藥來降低爆破振動成為可能。因此，本文通過探究巖石粉狀乳化炸藥、改性銨油炸藥兩種炸藥條件下爆破地震波傳播與能量衰減規(guī)律，從爆破振動峰值質(zhì)點速度及爆破地震波能量兩方面進行對比分析，探討炸藥性能對爆破振動傳播與衰減規(guī)律的影響，以提高炸藥能量利用率，豐富降振手段及方法。

1 爆破振動監(jiān)測

1.1 爆破參數(shù)

為了更好地闡明炸藥性能對爆破振動的影響，在某露天礦對巖石粉狀乳化炸藥、改性銨油炸藥兩種炸藥類型下的生產(chǎn)爆破進行爆破振動監(jiān)測，現(xiàn)場巖石類型為石灰石，通過現(xiàn)場取樣、室內(nèi)試驗，巖石波阻抗及炸藥波阻抗參數(shù)見表1。兩次生產(chǎn)爆破孔網(wǎng)參數(shù)相同，孔距為3.6 m，排距為2.7 m，孔深為12 m，堵塞長度為4 m，炮孔直徑為115 mm，采用連續(xù)耦合裝藥，起爆方式為數(shù)碼雷管逐孔起爆，延期時間為15 ms。現(xiàn)場裝藥參數(shù)見表2。

表1 巖石及炸藥波阻抗參數(shù)Table 1 Parameters of rock and explosive wave impedance

表2 裝藥參數(shù)Table 2 Charge parameters

1.2 爆破振動監(jiān)測結(jié)果

結(jié)合礦山實際，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》相關(guān)要求，在距爆破場地120 m 距離內(nèi)合適位置處布置爆破振動測試儀，每次試驗爆破中由爆破自由面從前往后布設(shè)5 個測點，為預(yù)防飛石的影響，將第一個測點布設(shè)在距爆源30 m 之外的合適位置，巖石粉狀乳化炸藥試驗傳感器測點布置示意圖如圖1 所示。將所有傳感器安裝在一條直線上，并保持X方向均指向爆心，現(xiàn)場安裝如圖2 所示。

圖1 試驗1-1 傳感器測點布設(shè)示意圖Fig.1 Layout schematic of test 1-1 sensor measurement point

圖2 爆破振動測試儀現(xiàn)場安裝Fig.2 Blasting vibration tester installed on site

本次試驗爆破振動信號采集所用儀器為中科測控TC-4580 爆破振動測試儀，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，使用地插聯(lián)結(jié)振動速度傳感器，或在堅硬巖石地基上通過石膏粉將傳感器與巖石地基粘結(jié)。采集并記錄下兩次試驗爆破振動數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)見表3。其中一個測點的爆破振動時程曲線如圖3 所示。

圖3 爆破振動時程曲線圖Fig.3 Time history graph of blasting vibration

表3 爆破振動數(shù)據(jù)Table 3 Data of blasting vibration

2 爆破振動峰值質(zhì)點速度衰減規(guī)律

2.1 薩道夫斯基公式回歸分析

在我國的爆破工程實踐中，一般采用薩道夫斯基公式來預(yù)測爆破振動峰值質(zhì)點速度[16]，見式（1）。

式中：v為爆破振動峰值質(zhì)點速度，cm/s；K為與巖石性質(zhì)、地形條件有關(guān)的系數(shù)；Q為最大一段起爆藥量，kg；β為衰減系數(shù)。

將式（1）兩邊進行對數(shù)運算，見式（2）。

令y=lnv，x=ln（），a=?α，b=lnK，則式（1）可以看作一次函數(shù)，見式（3）。

根據(jù)現(xiàn)場2 次生產(chǎn)爆破采集的爆破振動數(shù)據(jù)，利用最小二乘法原理使用SPSS 軟件對薩道夫斯基公式進行線性回歸擬合分析，切向、徑向、垂向及矢量和振速擬合對比分析結(jié)果如圖4 所示。由回歸擬合結(jié)果得到巖石粉狀乳化炸藥、改性銨油炸藥兩種炸藥類型下爆破振動峰值質(zhì)點速度衰減系數(shù)，結(jié)果見表4。由表4 可知，2 次爆破振動峰值質(zhì)點速度衰減公式擬合相關(guān)系數(shù)R2均高于0.85，擬合效果較好。

圖4 薩道夫斯基公式回歸擬合曲線Fig.4 Fit curves of Sadovsky Formula regression

表4 爆破振動峰值質(zhì)點速度擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of peak particle velocity of blasting vibration

2.2 結(jié)果分析

由圖4（a）～（c）可知，再結(jié)合2 次生產(chǎn)爆破振動擬合回歸結(jié)果分析，兩種類型炸藥水平切向的爆破振動峰值質(zhì)點速度高于水平徑向及垂向的爆破振動峰值質(zhì)點速度；隨著比例距離的增加，在水平切向、水平徑向及垂向上，兩種炸藥類型條件下爆破振動峰值質(zhì)點速度均嚴格衰減，且在同一比例距離、波阻抗較大的巖石粉狀乳化炸藥條件下爆破振動峰值質(zhì)點速度明顯低于改性銨油炸藥；巖石粉狀乳化炸藥條件下爆破振動峰值質(zhì)點速度在水平切向方向上的衰減系數(shù)為1.780，稍高于改性銨油炸藥條件下爆破振動峰值質(zhì)點速度衰減系數(shù)1.386，巖石粉狀乳化炸藥條件下在水平徑向及垂向兩個方向上的衰減系數(shù)高于改性銨油炸藥。由圖4（d）可知，兩種炸藥類型條件下，改性銨油炸藥所產(chǎn)生的爆破振動峰值質(zhì)點速度相對較大，衰減系數(shù)相對較小，但兩者相差不大，這表明在同一巖石類型爆破中，不同炸藥類型爆破振動峰值質(zhì)點速度衰減系數(shù)近乎相同。

由此可以得出，兩種性能炸藥所產(chǎn)生的爆破振動峰值質(zhì)點速度隨爆心距的增大嚴格衰減，使用波阻抗較大的炸藥爆破生產(chǎn)所產(chǎn)生的爆破振動峰值質(zhì)點速度相對較小；爆破振動峰值質(zhì)點速度衰減系數(shù)與傳播介質(zhì)相關(guān)性較大，炸藥類型對其影響較小。因此，在對爆破振動較為敏感的區(qū)域進行生產(chǎn)爆破時，可選擇更適合的炸藥類型，以便更好地控制爆破振動，提升爆破規(guī)模。

3 爆破地震波能量衰減規(guī)律

3.1 小波包分析

小波包分析可以對信號的低頻部分和高頻部分同時進行分解，彌補了小波變換不能表征爆破信號高頻部分所含信息的不足，克服了多分辨率分析在高頻段頻率分辨率差、低頻段時間分辨率差的缺點。將頻帶進行多層次劃分，對多分辨率分析沒有細分的高頻部分進一步分解，從而提高信號的時頻分辨率，是一種更為精細的信號分析方法[17]。

設(shè)小波包分解爆破振動信號為x（t）。將信號x（t）投影到小波包基上，通過各個小波包系數(shù)反映爆破振動信號的不同特征。x（t）表達式見式（4）。

式中，xi,j（tj）為振動信號小波包分解到節(jié)點（第i層第j頻帶）上的重構(gòu)信號。

爆破振動信號的頻率一般集中在200 Hz 以內(nèi)，爆破振動采樣頻率設(shè)置為1 kHz，根據(jù)小波包分析原理，本文采取db8 小波基、5 層小波包對各測點爆破振動信號進行分解。

將爆破振動信號分解至第5 層，設(shè)x5,j所對應(yīng)的能量為E5,j，見式（5）。

式中：vj,m為重構(gòu)信號離散點對應(yīng)的幅值；m為離散點個數(shù)，且m=1,2,···,n；n為離散點采樣數(shù)。

設(shè)爆破振動總能量為Es，見式（6）。

3.2 爆破地震波能量回歸分析

在對爆破地震波能量傳播過程中衰減規(guī)律問題的研究上，有關(guān)學(xué)者認為，在一定條件下，爆破地震波能量衰減與其經(jīng)過的路程距離成正比，相關(guān)系數(shù)成為衰減系數(shù)[8]，設(shè)為λ，見式（7）。

式中，dEs為在傳播路程dx上的能量增量。根據(jù)式（7）可得爆破地震波能量衰減公式，見式（8）。

式中，E0為一次爆破炸藥轉(zhuǎn)化為爆破地震波的初始能量。

根據(jù)式（4）～式（6），通過MATLAB 相應(yīng)的小波包分析程序，計算得出各測點x方向、y方向、z方向上的爆破振動能量及爆破地震波總能量[18]，結(jié)果見表5。

表5 各測點爆破振動能量Table 5 Blasting vibration energy of each measurement point

查閱《爆破手冊》，取標準乳化炸藥及銨油炸藥的爆熱分別為4.5 MJ/kg、3.5 MJ/kg，根據(jù)各組試驗爆破的總藥量求得4 次爆破的炸藥總能量。根據(jù)式（8），將表5 中的數(shù)據(jù)進行線性擬合回歸分析，擬合相關(guān)系數(shù)R2分別為0.969、0.992，擬合效果較好。得到各組試驗爆破的爆破地震波總能量衰減公式，分別見式（9）和式（10），求得各組爆破中炸藥轉(zhuǎn)化為爆破地震波的初始能量E0及炸藥總能量轉(zhuǎn)換成爆破地震波初始能量的百分比η，結(jié)果見表6。將式（8）兩邊同時取對數(shù)，lnEs隨爆心距R 的衰減曲線如圖5 所示。

圖5 爆破地震波能量衰減Fig.5 Energy attenuation curves of blasting seismic wave

表6 爆破地震波能量回歸擬合結(jié)果Table 6 Regression fitting results of blasting seismic wave energy

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)爆破地震波能量計算結(jié)果及其擬合回歸結(jié)果可知，與爆破振動峰值質(zhì)點速度衰減規(guī)律不同，在近乎相同條件下，巖石粉狀乳化炸藥條件下爆破地震波能量高于改性銨油炸藥，隨著距離的增加，兩者之間的差值在減小。這表明在相同的介質(zhì)條件下，爆破地震波能量與爆破振動峰值質(zhì)點速度不一定成正比，且與炸藥性能有較大的相關(guān)性。

由表6 和圖5 可知，巖石粉狀乳化炸藥條件下爆破地震波能量衰減系數(shù)0.024 稍高于改性銨油炸藥條件下衰減系數(shù)0.019，這表明在同一傳播介質(zhì)下，不同炸藥類型條件下爆破振動峰值質(zhì)點速度衰減系數(shù)及爆破地震波能量衰減系數(shù)均相差不大；巖石粉狀乳化炸藥條件下炸藥能量轉(zhuǎn)換成爆破振動初始能量的百分比為6.701%，高于改性銨油炸藥條件下的5.079%，這說明爆熱高、爆速大的巖石粉狀乳化炸藥所傳遞的爆破地震波能量相對較高，炸藥能量利用率相對較低。

4 結(jié) 論

1）炸藥性能是爆破振動的主要影響因素之一，波阻抗較高的炸藥所產(chǎn)生的爆破振動峰值質(zhì)點振速相對較低，爆破地震波能量相對較高，隨著距離的增大，在爆破遠區(qū)兩者均相差不大，爆破振動影響較小。

2）爆破振動峰值質(zhì)點速度及爆破地震波能量衰減系數(shù)與炸藥性能相關(guān)性較小，傳播介質(zhì)對其影響較大，同一傳播介質(zhì)下兩者衰減系數(shù)相差不大。

3）從爆破地震波能量的角度分析，性能相對較高的巖石粉狀乳化炸藥總能量轉(zhuǎn)化為爆破振動能量的百分比相對較高，能量利用率相對較低。