爆破振动技术的研究

马建兴,马 强

(1.内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014010；2. 浙江中医药大学分析测试中心， 浙江 杭州 310053)

从理论上研究爆破振动的影响是个十分复杂的问题, 这主要是由于爆破介质的复杂性、炸药性能、爆破方式选择和边界条件影响所致。虽然以波动理论和爆炸力学为基础，建立了不同的力学模型和拟合公式形式, 但难以直接用于爆破设计。实际用于施工和设计的，是以理论分析结论指导下提出的各种经验公式。经过试验或现场测试，得出一定条件下的装药量、距离、装药结构、起爆方式等与质点振动速度(或加速度) 的关系, 便可以确定经验公式中的参数。这些参数在同一个场地往往比较稳定，并可用于工程中的振动监测，然后对参数不断进行调整。爆破振动效应常以地面质点运动速度来表征, 这是因为介质结构经受爆破振动破坏与质点振动速度的相关性比位移和加速度更为密切。

1 炸药性能的影响

炸药的性能，一是决定于它的组成和结构；二是决定于它的加工工艺；三是决定于它的装药状态和使用条件。

1.1 炸药的密度

密度是炸药，特别是实际使用的装药形式炸药的一个很重要的性质。机械力学性能、爆炸性能和起爆传爆性能等均与密度有密切的关系。

1)理论密度

对于爆炸化合物，理论密度指炸药纯物质的晶体密度，或称最大密度。

对于爆炸混合物，理论密度则取决于组成该混合炸药各原料的密度。定义混合炸药的理论密度，等于各组分体积分数乘以各自密度的加权平均值，其表达式为：

ρT=∑mi∕∑vi= ∑Viρi∕∑mi/ρi

(1)

式中：ρT为炸药的理论密度；mi为第i组分的质量；Vi为第i组分的体积；ρi为第i组分的理论(或最大)密度。

炸药的理论密度是指理论上炸药可能达到的最大装药密度。实际上所得到的炸药装药密度，不论采用何种装药工艺，均小于理论密度。

2)实际装药密度和空隙率

炸药装药中总存在一定的空隙，空隙率可由式(2)定义：

ε=(1-ρo∕ρT)×100%

(2)

而装药的实际密度可由式(3)求得：

ρo=∑mi∕V=∑mi∕∑vi(1-ε) =ρT(1-ε)

(3)

式中：ρo为装药的实际密度；ε为空隙率；V为装药的实际体积。

1.2 炸药的爆速

炸药的爆速是重要爆轰参数之一，它与其他性能，如爆轰压、猛度等密切相关，因此，爆速是衡量炸药爆炸能力的重要指标之一。炸药爆轰过程，是爆轰波沿炸药装药一层一层地进行自动传播的过程。从本质上讲，爆轰波就是沿炸药传播的强冲击波。爆轰波与一般冲击波的区别，主要在于爆轰波传播时，炸药受到高温高压作用而产生高速爆轰化学反应，放出巨大能量，放出的部分能量又支持爆轰波对下一层未反应的炸药进行强烈冲击压缩，因而爆轰波可以不衰减地稳定地传播下去。在一定条件下，爆轰波以一定的速度进行传播。一般所说的爆速，就是在稳定条件下的爆速。对于混合炸药，特别是由较大比例的惰性添加剂组成的混合炸药，以及绝大部分工业炸药，它们的极限直径和临界直径都较大。在一般使用条件下，炸药装药或药包的直径大多处于极限直径以下、临界直径以上的范围。炸药的爆轰处于非理想爆轰状态，所以其爆速的影响因素比单体炸药要复杂得多。

2 爆破地震与天然地震区别

爆破地震与天然地震主要区别在于频率特征差异。天然地震振动时间较长，一次振动能持续几秒至几十秒，而爆破地震持续时间很短，一次振动只有几十毫秒至几秒，常用的毫秒延期雷管段数为15段以内，15段雷管延时为1s。但爆破震动波持续时间大多数在3s以内完成，以幅频特性来看，爆破地震的单次记录时间不会很长。另外从振动次数上来看，天然地震常伴有多次余震，而爆破震动大多数是一次完成，在爆破工程中，多次爆破或长期生产爆破，地震波作用造成的危害会不断累加，产生疲劳破坏。爆破地震波的频域特性上，主振频率较高，一般爆破振动主频在5～150Hz，爆破地震频率受多种因素影响，而矿山边坡、建(构)筑物对各频率振动的动力响应关系与振动危害性密切相关。资料分析表明，一方面爆破地震波随着传播距离的增加，其振动主频不断降低；另一方面爆破地震波主频受爆破类型、装药结构、地形地质条件等多种因素影响。为了获得真实的爆破振动信号，在爆破振动检测前，应当初步估计爆破地震波的主振频率特征，从而更好地设定记录仪的采样频率、选择合理的传感器响应频率满足爆破振动测试的要求。

3 测振传感器选择

3.1 传感器频率要求

爆破地震频率范围在5～150Hz。选用的振动速度传感器频率响应范围，一般宜在3～500Hz，国产振动速度传感器频率范围较窄，大多数传感器低频域高于10 Hz，低频域小于10 Hz的传感器高频域又只能到500 Hz，这类传感器基本能用于完整的爆破振动测试。通常爆破振动波频域较广，频率成分复杂，在传感器安装方面，一定要和被测点紧密接触，否则测得的低频域数据会严重失真。最好在实测前，在振动台上标定测试系统后，用于爆破振动测试中。

3.2 传感器的安装

一般的振动测试中，因振动幅值不大，频率不高，只需将传感器直接置于地表，用石膏黏附即可。传感器有竖向和横向之分，在测量三向振动分量时，应注意传感器的方向性。现国外提供有三向速度或加速度传感器，一个传感器可同时测试出X、Y、Z三个方向的振动分量，能方便准确地求出合速度。

4 爆破振动分析

爆破振动衰减规律回归分析：根据经验公式

V=K(Q1/3/R)a

(4)

爆破振动速度衰减规律分析，通常采用式 (4) 回归，求出K、α值，其中的Q为最大一段装药量。

4.1 波形分析

爆破振动波形的特征是短间隔多次振动，因为一次爆破通常都是分段起爆，每段爆破将根据药量和爆破条件的变化(如夹制条件、炮孔分散性、装药结构等不同)而产生不同的振动峰值。因此，在波形分析中，根据不同时刻的峰值变化，首先将不同起爆段分别对应的峰值振速查找出，这样一次爆破测振可获得更多的比例距离条件下的峰值振速信息，增加了振动数据统计分析的可靠性、准确性，也提高了振动测试的效率。

4.2 主振频率

爆破振动测试仪配套有分析工具软件，今后需要提供小波分析、HHT分析等多种分析方法。选取所关心的振动波形段进行频谱分析，是测试结果分析的重要部分，频谱分析需要作统一规定。

4.3 振动持续时间

爆破振动持续时间分为一段振波持续时间和全部爆破振动持续时间。波形可分成主振段，从初至波到幅值衰减到A=Amax/e以为主振波，主振波历时为段振波持续时间。根据爆破振动波持续时间可确定合理微差起爆间隔时间。

4.4 地震波传播速度(Vw)

利用地震波波形时标，可以读出地振波初至该测点的时刻，计算出不同测点初至波的时差(tW=tB-tA)，以及不同测点至爆源的距离差(RW=RB-RA)，地震波波速VW=RW/tW。当测点距离太近时，由于时差太小，若采样频率过低，地震波波速计算精度低、误差大。因此，需作波速计算时，应使两点间距加大，并且保证两测点同时触发记录。由于地震波在传播过程中遇到不同的地质条件，它将影响地震波的传播速度，因此通过计算地震波波速，还能推测不同地质条件的改变。

5 结论

炸药爆炸性能及爆炸能量是影响爆破振动的主要因素，它与岩体性质、节理裂隙及地质构造等有关，爆破振动的大小与炸药波阻抗及岩石波阻抗间相互匹配有关，两者相等传递能量就大，反之传递能量就小。爆破测振仪器的幅频特性，对爆破振动信号的采集有很大的关系，通常爆破振动波频域较广，频率成分复杂，我们要选择仪器频带带宽尽量大，以免丢失有用信号。

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