二氧化碳相变爆破中的振动信号特征分析

陶 明，吴英杰，赵 瑞，赵明生，商武锋

(1.中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083；2.保利新联爆破工程集团有限公司，贵阳 550000；3.中国铁建港航局集团有限公司，广东 珠海 519070)

爆破是一种十分高效的开挖方式，广泛用于采矿，道路开挖等工程中[1-2]。而在爆破中，爆破振动是应力波传播过程中的衰减而引起的弹性振动[3]。传统的化学爆破是通过化学变化向外释放能量达到破岩效果，在实际应用中爆破会产生地震效应、空气冲击波效应、爆破飞石、噪音、有毒气体以及爆破诱发地震等等[1]。在爆破中质点振动速度是爆破安全的重要指标，通过质点速度的分析可以得到关于爆破中产生的能量等重要数据。而二氧化碳爆破技术是美国朗艾尔·道克斯八十年代新兴发展起来的爆破技术[4]，自发展以来被广泛用于城市爆破和煤炭的致裂开采[5]。二氧化碳气体在一定的高压下可转变为液态，在高压电流作用下快速转化为气态，并伴随能量的释放，具有无振动、无粉尘等优点。虽然二氧化碳相变爆破的发展已经有数十年之久，周科平等[6]人对二氧化碳爆破的能量进行了深入分析，并得出关于二氧化碳相变爆破中的能量计算公式。但对二氧化碳爆破的一些技术参数的研究却很少，也尚未出现关于二氧化碳相变爆破相关的安全规范。因此，本文通过现场试验，对4根4 kg、7 MPa充装压力下的二氧化碳致裂管进行爆破振动数据监测采集。分析了二氧化碳相变爆破产生的振动信号特性在时间上和空间上的衰减规律，对确定合理的二氧化碳相变爆破安全距离和安全规程具有重要意义，同时对推进二氧化碳的工程应用也具有一定意义。

1 二氧化碳相变爆破

二氧化碳在常温常压下为气态，但在低温和高压状态下会呈现液态和固态，如图1所示。

图1 二氧化碳三相转化

当在高压下二氧化碳成为液态，此时利用高压电流，瞬间通过液态二氧化碳使二氧化碳迅速气化，体积急速膨胀从而产生能量达到破岩效果，二氧化碳在气化过程中能量释放可由式(1)计算[7]：

(1)

式中：V为致裂管容积，m3；p为气体膨胀后绝对压力，MPa；K为围绝热系数取1.295。致裂管本次采用90型，容积为2 L。由于二氧化碳致裂在相变过程中没有化学反应发生不产生除二氧化碳之外的其他气体，因此被广泛运用于城市爆破。

2 二氧化碳相变爆破现场试验

随州市城南区综合管廊工程位于随州市城南新区，管廊西起迎宾大道绕城南路路口，东至编钟大道绕城南路，全长4.15 km。通过现场踏勘，并结合绕城南路(迎宾大道～编钟大道)施工设计图，发现沿线有下穿道路的箱涵以及2处西气东输燃气管道。施工过程应保证石方开挖无根底，无开挖引起的工程地质灾害隐患；石方开挖块度、大块率不能太高，堆集中，便于装运。最重要的一点是确保天然气线路和基坑内人员设备的安全。由于岩石开挖部分区域分布均为较硬和坚硬的中风化花岗岩，岩石强度高，机械破除难度高，钻爆法引起的地表振动较大，对既有管网会产生强烈的动态扰动，危害到管网的安全与稳定性，因此决定采用液态二氧化碳相变致裂岩体技术进行基坑的开挖。对此，预先进行了二氧化碳相变爆破现场试验，试验现场岩体条件以及爆破参数和传感器的布置如图2所示。

图2 现场试验

炮孔深度为4 m，炮孔间距2 m，单根致裂管直径90 mm、长1 200 mm，单次充装二氧化碳气体约4 kg，充装压力7 MPa。现场试验中爆破振动测试采用3台三通道爆破测振仪分别对x，y，z方向的振动进行监测。现场试验步骤如图3所示。

图3 现场试验步骤

现场安装完毕后，采用10 kV高压电起爆，4根致裂管同时起爆，起爆后待安全人员确认安全后进入检测仪区域读取数据。

3 监测结果及分析

3.1 现场数据

采用拓普测控的unbox-308多通道爆破振动测试仪对现场进行振动监测，测点分别选在距离爆心5、8、12 m处，测振仪的安装如图3所示，其中x方向垂直于四个炮孔的连线中点。现场测试得到的3个监测点在x，y，z方向上的振动数据经过低通滤波后得到数据如图4所示。

图4 5 m处测点数据

从图中可以看出，爆破振动的质点振动信号均有2个波包组成。这是由于4个炮孔同时起爆，但是在它们的中点连线上出现了应力波的叠加作用，中间2个孔产生的应力波形成了第1次叠加，随后4个孔产生的应力波再次叠加形成更大的应力，这也是第2个波包比第1个波包峰值更大的原因，从图中来看这个时差约为30 ms。对得到的数据进行统计得到不同测点和方向上的峰值质点振动速度(PPV)和主振频率如表1所示。

表1 不同测点上的PPV与主频

PPV和距爆源之间的距离关系如图5所示，由图中可知随着距离的增大，x方向PPV的减小趋近于线性关系，z方向的衰减比y方向上快。最终在12 m处3个方向上的质点振动速度均接近0.2 cm/s，按这个趋势，x方向上将在约14 m处降到0。而主振频率在x方向上先增大后减小。

图5 不同方向PPV随距离衰减关系

液态CO2相变致裂装置的近似炸药当量WT可以利用式(2)计算[8]：

(2)

式中：Eg为气体的爆破能量，kJ；QT为1 kg炸药爆炸能，取4 250 kJ/kg。经过计算，该型号的液态CO2相变致裂管的当量为440 g炸药。对比相同当量的炸药，利用萨道夫斯基公式[9]计算PPV：

(3)

式中：v为质点爆破振动速度峰值，cm/s；K为地形条件系数取150；WT为齐爆炸药量，kg；R为测点与爆心的直线距离，m；α为地质条件系数，取α=1.5。

经过计算，二氧化碳爆破产生的PPV比传统化学爆破降低了80%左右，这表明二氧化碳相变爆破在爆破震动的控制上具有优良的特性。在x和y方向上质点振动速度的衰减接近线性，而z方向的衰减更加接近萨道夫斯基公式所得的衰减规律。

3.2 FFT分析

FFT技术全称为快速傅里叶变换，是一种离散数据的傅里叶变换技术，被广泛用于爆破振动信号分析[3]，对于一个连续的具有明确表达式的函数其傅里叶变换可以表示为[3]

(4)

傅里叶逆变换表示为

(5)

F(ω)、f(t)分别叫做象函数和原函数。傅里叶变换可以实现数据的时域到频域的转换，从而得到数据的频谱特征，对于一系列离散的数据X(N)，表示有N个数据点。其傅里叶变换可以表示为

(6)

式中：N为采样点数，对于一个特定的序列，其采样频率为采样点数与采样时间的比值。通过离散傅里叶变换技术，将现场测得的爆破振动信号进行处理。在本文中，x方向为爆破振动的主要传播方向，我们通过FFT技术对x方向振动信号进行分析，得到不同距离上x方向振动信号的频域分布如图6所示。

图6 x方向不同距离振动信号的频谱分布

从图中可以看出爆破振动信号中，低频段占主导地位，而由于地球构造和大地成分的原因。地球是一个低通的滤波系统，所以随距离的增加低频段衰减比高频段慢。由图中可知在5～8 m距离内低频段的衰减很少，波形稳定，能量耗散小，而在8～12 m的距离内低频段和高频段都有大幅度的衰减。

3.3 功率谱分析

功率谱能反映振动信号在不同频段上的能量分布情况，根据现场所得信号利用unbox-308数据采集系统得到在x方向上不同距离上的爆破振动信号的功率谱分布如图7所示。

图7 x方向不同距离功率谱分布

从图中可以看出，振动信号的能量主要集中分布在低频段，而随着距离的增加，高频段的能量衰减快，而低频段的能量衰减较慢，同时对比FFT频域图谱，功率谱的分布和频谱分布具有相同的规律，也即低频段所具有的能量高于高频段所具有的能量。在爆破中低频段振动衰减慢，而高频段振动信号衰减快，这表明在破岩作用中，高频段能量主要用于近场岩石的破碎，也即压碎区的破碎，而低频段多作用于远场弹性区产生爆破振动。而在本次试验中，低频和高频均在12 m距离范围内衰减到0.2 cm/s左右。不同距离上和频段的功率分布如表2所示。

表2 不同频段信号功率分布

4 讨论

通过现场试验，对二氧化碳相变爆破中的振动信号进行监测，通过爆破振动产生的质点振动速度信号，进行FFT，在频域上分析了二氧化碳相变爆破产生的振动信号。结果表明在频谱的分布上二氧化碳相变爆破和传统钻爆法的总体规律一致，通过时域和频域分析得出爆破振动信号在时间空间上的衰减规律。在时间上二氧化碳爆破的压力上升出现分段现象，排除起爆误差，我们认为这是因为二氧化碳在膨胀过程中出现的压力平衡段，当爆破压力大小和围岩强度大小相差不大时，管内压力和管外压力出现平衡段；随后管内压力继续增加，当爆破压力使得围岩出现裂纹时，气体体积得到进一步的膨胀，于是压力继续上升直到整个管内气体膨胀完成达到爆破峰值压。在频域上二氧化碳相变爆破振动信号总体分布和钻爆法相差不大，但二氧化碳爆破产生的中等频段(50 Hz

二氧化碳相变爆破在爆破信号的特征分布上，低频部分少，传播距离短，在进行安全距离计算时建议采用萨道夫斯基公式进行折减计算。关于二氧化碳爆破的压力时程曲线的研究尚少，此外，对于二氧化碳相变爆破的数值模拟方面还需要更多的深入研究。

5 结论

1)二氧化碳相变爆破产生的质点振动速度随距离的增加成线性衰减规律，传播距离较传统爆破短，振动衰减快，建议在二氧化碳相变爆破的安全距离确定中采用当量炸药计算所得距离进行折减。

2)二氧化碳相变爆破产生的PPV较同等当量的炸药小，但在中等距离(5～8 m)范围内衰减小，10 m以外衰减较大。

3)二氧化碳爆破产生的振动信号中低频段部分占比大，除幅值的衰减外，总体波形在距离上的变化不大，振动的波形稳定向外传播。