炸藥性能對爆破地震波傳播與能量衰減規律影響研究

譚 銘

（武鋼資源集團烏龍泉礦業有限公司，湖北 武漢 430213）

0 引 言

爆破施工在帶來極大經濟效益的同時，也伴隨著一系列危害效應[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）筑物結構破壞，極大地制約了礦山的安全生產。因此，深入研究爆破地震波能量衰減規律，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、炸藥性能、爆破方式等多種因素的影響，這就導致了爆破振動產生危害的隨機性大大增加[2]。近年來，眾多專家學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]開展了爆破振動現場試驗，探究了高程因素對爆破振動傳播規律的影響，研究結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構爆破能量傳遞進行了理論分析，結果表明以水作為不耦合介質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律進行了比較分析，通過現場試驗驗證，表明底部起爆時所引起的爆破振動峰值質點速度最大，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 神經網絡建立了炸藥與巖石能量匹配預測模型，工程應用結果顯示，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巖和花崗巖兩種工況條件下的臺階爆破進行了數值模擬分析，并結合現場爆破振動監測試驗，論證了炸藥性能及巖性對爆破振動傳播與衰減規律有較大影響，為現場爆破振動控制提供了有效的理論依據。

目前，眾多學者對炸藥巖石合理匹配相關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律的影響研究鮮有涉及，而當前炸藥混裝車的普遍應用，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律，從爆破振動峰值質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 爆破振動監測

1.1 爆破參數

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爆破進行爆破振動監測，現場巖石類型為石灰石，通過現場取樣、室內試驗，巖石波阻抗及炸藥波阻抗參數見表1。兩次生產爆破孔網參數相同，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，采用連續耦合裝藥，起爆方式為數碼雷管逐孔起爆，延期時間為15 ms?，F場裝藥參數見表2。

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

表2 裝藥參數Table 2 Charge parameters

1.2 爆破振動監測結果

結合礦山實際，根據《爆破安全規程》相關要求，在距爆破場地120 m 距離內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5 個測點，為預防飛石的影響，將第一個測點布設在距爆源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，現場安裝如圖2 所示。

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

圖2 爆破振動測試儀現場安裝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，根據現場地質情況，使用地插聯結振動速度傳感器，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。采集并記錄下兩次試驗爆破振動數據，采集數據見表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 爆破振動數據Table 3 Data of blasting vibration

2 爆破振動峰值質點速度衰減規律

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測爆破振動峰值質點速度[16]，見式（1）。

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

將式（1）兩邊進行對數運算，見式（2）。

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

根據現場2 次生產爆破采集的爆破振動數據，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果如圖4 所示。由回歸擬合結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點速度衰減系數，結果見表4。由表4 可知，2 次爆破振動峰值質點速度衰減公式擬合相關系數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 爆破振動峰值質點速度擬合結果Table 4 Fitting results of peak particle velocity of blasting vibration

2.2 結果分析

由圖4（a）～（c）可知，再結合2 次生產爆破振動擬合回歸結果分析，兩種類型炸藥水平切向的爆破振動峰值質點速度高于水平徑向及垂向的爆破振動峰值質點速度；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點速度在水平切向方向上的衰減系數為1.780，稍高于改性銨油炸藥條件下爆破振動峰值質點速度衰減系數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，改性銨油炸藥所產生的爆破振動峰值質點速度相對較大，衰減系數相對較小，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點速度衰減系數近乎相同。

由此可以得出，兩種性能炸藥所產生的爆破振動峰值質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所產生的爆破振動峰值質點速度相對較??；爆破振動峰值質點速度衰減系數與傳播介質相關性較大，炸藥類型對其影響較小。因此，在對爆破振動較為敏感的區域進行生產爆破時，可選擇更適合的炸藥類型，以便更好地控制爆破振動，提升爆破規模。

3 爆破地震波能量衰減規律

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點（第i層第j頻帶）上的重構信號。

爆破振動信號的頻率一般集中在200 Hz 以內，爆破振動采樣頻率設置為1 kHz，根據小波包分析原理，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x5,j所對應的能量為E5,j，見式（5）。

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

設爆破振動總能量為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律問題的研究上，有關學者認為，在一定條件下，爆破地震波能量衰減與其經過的路程距離成正比，相關系數成為衰減系數[8]，設為λ，見式（7）。

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

式中，E0為一次爆破炸藥轉化為爆破地震波的初始能量。

根據式（4）～式（6），通過MATLAB 相應的小波包分析程序，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，根據各組試驗爆破的總藥量求得4 次爆破的炸藥總能量。根據式（8），將表5 中的數據進行線性擬合回歸分析，擬合相關系數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化為爆破地震波的初始能量E0及炸藥總能量轉換成爆破地震波初始能量的百分比η，結果見表6。將式（8）兩邊同時取對數，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果Table 6 Regression fitting results of blasting seismic wave energy

3.3 結果分析

根據爆破地震波能量計算結果及其擬合回歸結果可知，與爆破振動峰值質點速度衰減規律不同，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條件下，爆破地震波能量與爆破振動峰值質點速度不一定成正比，且與炸藥性能有較大的相關性。

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0.024 稍高于改性銨油炸藥條件下衰減系數0.019，這表明在同一傳播介質下，不同炸藥類型條件下爆破振動峰值質點速度衰減系數及爆破地震波能量衰減系數均相差不大；巖石粉狀乳化炸藥條件下炸藥能量轉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 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生的爆破振動峰值質點振速相對較低，爆破地震波能量相對較高，隨著距離的增大，在爆破遠區兩者均相差不大，爆破振動影響較小。

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

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。