炸药性能对爆破地震波传播与能量衰减规律影响研究

谭 铭

（武钢资源集团乌龙泉矿业有限公司，湖北 武汉 430213）

0 引 言

爆破施工在带来极大经济效益的同时，也伴随着一系列危害效应[1]，如爆破振动、飞石、粉尘、有毒气体等，其中，爆破振动被认为是工程爆破中最为常见的危害，严重时可造成周围建（构）筑物结构破坏，极大地制约了矿山的安全生产。因此，深入研究爆破地震波能量衰减规律，对于更好地控制爆破振动具有重要意义。

爆破地震波的传播及其能量衰减过程受岩石性质、炸药性能、爆破方式等多种因素的影响，这就导致了爆破振动产生危害的随机性大大增加[2]。近年来，众多专家学者从不同角度研究爆破振动的影响因素及控制爆破振动的手段和方法[3-7]。张西良等[8]开展了爆破振动现场试验，探究了高程因素对爆破振动传播规律的影响，研究结果表明高程差的存在增大了爆破振动危害，基于此提出了考虑高程放大效应影响的萨道夫斯基修正公式。顾文彬等[9]从阻抗匹配角度对三种不同装药结构爆破能量传递进行了理论分析，结果表明以水作为不耦合介质可以有效降低爆破振动能量。高启栋等[10]对不同起爆位置下爆破振动场的分布规律进行了比较分析，通过现场试验验证，表明底部起爆时所引起的爆破振动峰值质点速度最大，且随着孔深的增大，爆破振动差异性也不断增大。

同时，炸药与岩石匹配的合理性也可有效地提高炸药能量利用率，改善爆破效果，降低爆破振动。一般认为，炸药与岩石波阻抗相匹配时，炸药传递给岩石的能量最多，岩石破碎效果较好[11]。杨仁树等[12]开展了三种炸药类型的模型试验，对试样表面裂纹扩展及块度分布特征进行了对比分析，结果表明选择与矿岩波阻抗匹配程度高且爆热合适的炸药，可以有效改善爆破效果。王基禹等[13]基于BP 神经网络建立了炸药与岩石能量匹配预测模型，工程应用结果显示，通过该匹配模型选择的炸药有效改善了爆破效果，降低了炸药单耗。张袁娟等[14-15]运用LSDYNA 非线性动力分析软件对混装乳化炸药和混装铵油炸药两种炸药及石灰岩和花岗岩两种工况条件下的台阶爆破进行了数值模拟分析，并结合现场爆破振动监测试验，论证了炸药性能及岩性对爆破振动传播与衰减规律有较大影响，为现场爆破振动控制提供了有效的理论依据。

目前，众多学者对炸药岩石合理匹配相关研究已取得了一定的成果，但针对炸药性能对爆破地震波传播及能量衰减规律的影响研究鲜有涉及，而当前炸药混装车的普遍应用，使得探究炸药性能对爆破振动的影响以期选择更合适的炸药来降低爆破振动成为可能。因此，本文通过探究岩石粉状乳化炸药、改性铵油炸药两种炸药条件下爆破地震波传播与能量衰减规律，从爆破振动峰值质点速度及爆破地震波能量两方面进行对比分析，探讨炸药性能对爆破振动传播与衰减规律的影响，以提高炸药能量利用率，丰富降振手段及方法。

1 爆破振动监测

1.1 爆破参数

为了更好地阐明炸药性能对爆破振动的影响，在某露天矿对岩石粉状乳化炸药、改性铵油炸药两种炸药类型下的生产爆破进行爆破振动监测，现场岩石类型为石灰石，通过现场取样、室内试验，岩石波阻抗及炸药波阻抗参数见表1。两次生产爆破孔网参数相同，孔距为3.6 m，排距为2.7 m，孔深为12 m，堵塞长度为4 m，炮孔直径为115 mm，采用连续耦合装药，起爆方式为数码雷管逐孔起爆，延期时间为15 ms。现场装药参数见表2。

表1 岩石及炸药波阻抗参数Table 1 Parameters of rock and explosive wave impedance

表2 装药参数Table 2 Charge parameters

1.2 爆破振动监测结果

结合矿山实际，根据《爆破安全规程》相关要求，在距爆破场地120 m 距离内合适位置处布置爆破振动测试仪，每次试验爆破中由爆破自由面从前往后布设5 个测点，为预防飞石的影响，将第一个测点布设在距爆源30 m 之外的合适位置，岩石粉状乳化炸药试验传感器测点布置示意图如图1 所示。将所有传感器安装在一条直线上，并保持X方向均指向爆心，现场安装如图2 所示。

图1 试验1-1 传感器测点布设示意图Fig.1 Layout schematic of test 1-1 sensor measurement point

图2 爆破振动测试仪现场安装Fig.2 Blasting vibration tester installed on site

本次试验爆破振动信号采集所用仪器为中科测控TC-4580 爆破振动测试仪，根据现场地质情况，使用地插联结振动速度传感器，或在坚硬岩石地基上通过石膏粉将传感器与岩石地基粘结。采集并记录下两次试验爆破振动数据，采集数据见表3。其中一个测点的爆破振动时程曲线如图3 所示。

图3 爆破振动时程曲线图Fig.3 Time history graph of blasting vibration

表3 爆破振动数据Table 3 Data of blasting vibration

2 爆破振动峰值质点速度衰减规律

2.1 萨道夫斯基公式回归分析

在我国的爆破工程实践中，一般采用萨道夫斯基公式来预测爆破振动峰值质点速度[16]，见式（1）。

式中：v为爆破振动峰值质点速度，cm/s；K为与岩石性质、地形条件有关的系数；Q为最大一段起爆药量，kg；β为衰减系数。

将式（1）两边进行对数运算，见式（2）。

令y=lnv，x=ln（），a=−α，b=lnK，则式（1）可以看作一次函数，见式（3）。

根据现场2 次生产爆破采集的爆破振动数据，利用最小二乘法原理使用SPSS 软件对萨道夫斯基公式进行线性回归拟合分析，切向、径向、垂向及矢量和振速拟合对比分析结果如图4 所示。由回归拟合结果得到岩石粉状乳化炸药、改性铵油炸药两种炸药类型下爆破振动峰值质点速度衰减系数，结果见表4。由表4 可知，2 次爆破振动峰值质点速度衰减公式拟合相关系数R2均高于0.85，拟合效果较好。

图4 萨道夫斯基公式回归拟合曲线Fig.4 Fit curves of Sadovsky Formula regression

表4 爆破振动峰值质点速度拟合结果Table 4 Fitting results of peak particle velocity of blasting vibration

2.2 结果分析

由图4（a）～（c）可知，再结合2 次生产爆破振动拟合回归结果分析，两种类型炸药水平切向的爆破振动峰值质点速度高于水平径向及垂向的爆破振动峰值质点速度；随着比例距离的增加，在水平切向、水平径向及垂向上，两种炸药类型条件下爆破振动峰值质点速度均严格衰减，且在同一比例距离、波阻抗较大的岩石粉状乳化炸药条件下爆破振动峰值质点速度明显低于改性铵油炸药；岩石粉状乳化炸药条件下爆破振动峰值质点速度在水平切向方向上的衰减系数为1.780，稍高于改性铵油炸药条件下爆破振动峰值质点速度衰减系数1.386，岩石粉状乳化炸药条件下在水平径向及垂向两个方向上的衰减系数高于改性铵油炸药。由图4（d）可知，两种炸药类型条件下，改性铵油炸药所产生的爆破振动峰值质点速度相对较大，衰减系数相对较小，但两者相差不大，这表明在同一岩石类型爆破中，不同炸药类型爆破振动峰值质点速度衰减系数近乎相同。

由此可以得出，两种性能炸药所产生的爆破振动峰值质点速度随爆心距的增大严格衰减，使用波阻抗较大的炸药爆破生产所产生的爆破振动峰值质点速度相对较小；爆破振动峰值质点速度衰减系数与传播介质相关性较大，炸药类型对其影响较小。因此，在对爆破振动较为敏感的区域进行生产爆破时，可选择更适合的炸药类型，以便更好地控制爆破振动，提升爆破规模。

3 爆破地震波能量衰减规律

3.1 小波包分析

小波包分析可以对信号的低频部分和高频部分同时进行分解，弥补了小波变换不能表征爆破信号高频部分所含信息的不足，克服了多分辨率分析在高频段频率分辨率差、低频段时间分辨率差的缺点。将频带进行多层次划分，对多分辨率分析没有细分的高频部分进一步分解，从而提高信号的时频分辨率，是一种更为精细的信号分析方法[17]。

设小波包分解爆破振动信号为x（t）。将信号x（t）投影到小波包基上，通过各个小波包系数反映爆破振动信号的不同特征。x（t）表达式见式（4）。

式中，xi,j（tj）为振动信号小波包分解到节点（第i层第j频带）上的重构信号。

爆破振动信号的频率一般集中在200 Hz 以内，爆破振动采样频率设置为1 kHz，根据小波包分析原理，本文采取db8 小波基、5 层小波包对各测点爆破振动信号进行分解。

将爆破振动信号分解至第5 层，设x5,j所对应的能量为E5,j，见式（5）。

式中：vj,m为重构信号离散点对应的幅值；m为离散点个数，且m=1,2,···,n；n为离散点采样数。

设爆破振动总能量为Es，见式（6）。

3.2 爆破地震波能量回归分析

在对爆破地震波能量传播过程中衰减规律问题的研究上，有关学者认为，在一定条件下，爆破地震波能量衰减与其经过的路程距离成正比，相关系数成为衰减系数[8]，设为λ，见式（7）。

式中，dEs为在传播路程dx上的能量增量。根据式（7）可得爆破地震波能量衰减公式，见式（8）。

式中，E0为一次爆破炸药转化为爆破地震波的初始能量。

根据式（4）～式（6），通过MATLAB 相应的小波包分析程序，计算得出各测点x方向、y方向、z方向上的爆破振动能量及爆破地震波总能量[18]，结果见表5。

表5 各测点爆破振动能量Table 5 Blasting vibration energy of each measurement point

查阅《爆破手册》，取标准乳化炸药及铵油炸药的爆热分别为4.5 MJ/kg、3.5 MJ/kg，根据各组试验爆破的总药量求得4 次爆破的炸药总能量。根据式（8），将表5 中的数据进行线性拟合回归分析，拟合相关系数R2分别为0.969、0.992，拟合效果较好。得到各组试验爆破的爆破地震波总能量衰减公式，分别见式（9）和式（10），求得各组爆破中炸药转化为爆破地震波的初始能量E0及炸药总能量转换成爆破地震波初始能量的百分比η，结果见表6。将式（8）两边同时取对数，lnEs随爆心距R 的衰减曲线如图5 所示。

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

表6 爆破地震波能量回归拟合结果Table 6 Regression fitting results of blasting seismic wave energy

3.3 结果分析

根据爆破地震波能量计算结果及其拟合回归结果可知，与爆破振动峰值质点速度衰减规律不同，在近乎相同条件下，岩石粉状乳化炸药条件下爆破地震波能量高于改性铵油炸药，随着距离的增加，两者之间的差值在减小。这表明在相同的介质条件下，爆破地震波能量与爆破振动峰值质点速度不一定成正比，且与炸药性能有较大的相关性。

由表6 和图5 可知，岩石粉状乳化炸药条件下爆破地震波能量衰减系数0.024 稍高于改性铵油炸药条件下衰减系数0.019，这表明在同一传播介质下，不同炸药类型条件下爆破振动峰值质点速度衰减系数及爆破地震波能量衰减系数均相差不大；岩石粉状乳化炸药条件下炸药能量转换成爆破振动初始能量的百分比为6.701%，高于改性铵油炸药条件下的5.079%，这说明爆热高、爆速大的岩石粉状乳化炸药所传递的爆破地震波能量相对较高，炸药能量利用率相对较低。

4 结 论

1）炸药性能是爆破振动的主要影响因素之一，波阻抗较高的炸药所产生的爆破振动峰值质点振速相对较低，爆破地震波能量相对较高，随着距离的增大，在爆破远区两者均相差不大，爆破振动影响较小。

2）爆破振动峰值质点速度及爆破地震波能量衰减系数与炸药性能相关性较小，传播介质对其影响较大，同一传播介质下两者衰减系数相差不大。

3）从爆破地震波能量的角度分析，性能相对较高的岩石粉状乳化炸药总能量转化为爆破振动能量的百分比相对较高，能量利用率相对较低。