裝藥結構對爆破震動能量傳遞及爆破效果影響研究

顧文彬， 王振雄， 陳江海,2， 劉建青， 陸　鳴， 徐浩銘

(1.解放軍理工大學 野戰工程學院,南京　210007； 2.65307部隊，吉林　132002；3.武漢軍械士官學校，武漢　430075； 4.96172部隊，江西 景德鎮　333000)

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裝藥結構對爆破震動能量傳遞及爆破效果影響研究

顧文彬1， 王振雄1， 陳江海1,2， 劉建青1， 陸鳴3， 徐浩銘4

(1.解放軍理工大學 野戰工程學院,南京210007； 2.65307部隊，吉林132002；3.武漢軍械士官學校，武漢430075； 4.96172部隊，江西 景德鎮333000)

摘要：由于裝藥結構作為爆破設計的重要參數，對爆破影響不可忽視，由阻抗匹配角度對3種不同裝藥(耦合、空氣不耦合及水不耦合)結構爆破能量傳遞進行理論分析，獲得能量傳遞與裝藥結構關系，即不耦合裝藥時存在合理的不耦合系數使爆破能量高效傳遞給巖石。通過具體爆破開挖工程對爆破震動進行測試及能量傳遞公式驗證，結果表明，以水作為不耦合介質的不耦合裝藥能有效降低爆破震動能量，減小爆破粉塵危害，且使塊度更均勻。

關鍵詞：裝藥結構；能量傳遞；爆破震動；理論分析；試驗研究

鉆孔爆破為巖土工程中應用較廣的破巖方法。爆破效果好壞直接影響工程效率及收益。影響巖土爆破效果的參數主要集中于巖石、炸藥特性及爆破參數等，多達20余種[1-8]。爆破環境、炸藥確定時，裝藥結構影響尤其重要。關于裝藥結構對爆炸能量及效果影響，試驗、數值模擬已有大量研究，且主要針對裝藥結構對爆破效果及近區震動影響。實際工程中，施工環境不同裝藥結構亦不同。而關于不同裝藥結構的能量傳遞、爆破效果分析及遠區震動攜帶能量研究較少。

本文由阻抗匹配角度對不同裝藥結構能量傳遞進行理論分析，結合具體爆破工程，對不同裝藥結構對爆破效果影響及震動遠區震動效應進行試驗研究，對理論推導公式進行驗證，旨在得出不同裝藥結構對爆破遠區的震動能量的影響規律，為爆破震動危害防護及裝藥結構參數設計提供參考。

1理論分析

炸藥爆炸時，據分離沖擊波及氣體膨脹作用的破碎理論研究[9]，爆破能量分布中沖擊波占10%～ 20%，爆生氣體膨脹占50%～60%，其余則損失掉。對高阻抗巖石，沖擊波能量起主要作用。炸藥爆轟產物與巖石在界面處保持一致，由連續條件及牛頓第三定律知，界面兩側反透射后質點速度與應力相等。據波陣面動量守恒得方程組[10]為

vI+vR=vT

(1)

σI+σR=σT

(2)

(3)

式中：v為質點速度；σ為質點應力；下標I，R，T為入射、反射、透射擾動有關量；ρbCb，ρyCy為炸藥爆轟產物及巖石阻抗，且定義阻抗比n=(ρbCb)/(ρyCy)。

聯立方程組可得透射系數T=2/(1+n)、反射系數F=(1-n)/(1+n)。由此可知，反透射系數與介質波阻抗有關，兩者大小取決于兩種介質阻抗比，當n=1時兩者阻抗相等，反射系數為0，透射系數為1，可認為爆轟產物透射到巖石中的能量最多。由于不同裝藥結構對沖擊波能量傳播影響不同，因此由阻抗匹配角度對3種不同裝藥結構進行理論分析。

1.1耦合裝藥

耦合裝藥指炸藥填滿炮孔，炸藥與炮孔直接接觸。炸藥爆炸時，爆轟氣體及爆炸產物直接作用于巖石，并通過巖石傳遞爆炸能量。據爆轟理論[11]，爆轟產物速度與密度分別為

(4)

(5)

式中：ρz，Dz為炸藥初始密度及爆速；ρb，Db為爆轟產物初始密度及爆速；γ為絕熱指數。

據式(4)、(5)，爆轟產物波阻抗與炸藥波阻抗滿足ρbCb=ρzDz，爆轟產物波阻抗與巖石阻抗滿足ρbCb=ρyCy時ρyCy=ρzDz，阻抗比為1，透射系數為1，此時爆炸能量傳入巖石中能量最多。雖阻抗匹配一般不易滿足，但據阻抗匹配理論，當巖石阻抗較高時，采用高阻抗炸藥更利于爆炸能量傳遞。

1.2空氣不耦合裝藥

裝藥結構填充介質為空氣不耦合裝藥時，由于炮孔與巖石間隙中空氣的存在，藥柱與孔壁接觸顯著減少，爆轟產物先在空氣墊層中傳播形成空氣沖擊波，再作用于孔壁，其反透射更復雜。設炸藥爆炸后炮孔中等熵絕熱膨脹，爆轟產物充滿整個炮孔，忽略空氣質量，爆轟產物質量與炸藥質量相等，則爆轟產物在空氣中的阻抗ρkCk計算式為

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：kd為裝藥不耦合系數，其值為炮孔直徑r0與裝藥直徑rz比值；Pk為爆轟產物充滿炮孔的壓力；Pb為炸藥起爆瞬間爆轟產物初始壓力。

聯立式(6)～式(9)，得空氣不耦合裝藥結構中作用于巖石的爆轟產物阻抗ρkCk為

(10)

因此當ρkCk=ρyDy時，爆轟產物與巖石阻抗匹配，炮孔空氣中爆轟產物傳遞給巖石的能量最多。結合式(10)可求得巖石阻抗與炸藥阻抗關系。與耦合裝藥不同，存在與不耦合系數kd、絕熱指數γ相關的系數。設絕熱指數γ相同，因不耦合系數kd>1，隨不耦合系數kd的增大ρkCk減小。由阻抗匹配角度分析，若更有效傳遞爆破能量，須綜合考慮爆破區域巖石阻抗、炸藥種類及裝藥不耦合系數三者之關系。巖石、炸藥均確定時，若用空氣不耦合裝藥結構，不耦合系數與炸藥、巖石阻抗滿足式(10)，爆破能量傳遞效果最好。

1.3水不耦合裝藥

實際工程中，由于場地及降雨影響，炮孔中存在水較普遍。采用不耦合裝藥爆破時，水作為不耦合填充介質炸藥爆炸會在水中形成沖擊波并作用于巖石，直接影響炸藥爆破效果。起爆后爆轟產物膨脹壓縮水，水密度及壓縮的波速均發生變化。據絕熱膨脹壓縮過程，壓縮的水密度與原始密度關系為

(11)

式中：ρs為爆轟作用的水密度；ρs0為水原始密度；ω為膨脹壓縮過程中水徑向壓縮量。

爆生氣體壓力與水壓力相等即達到平衡時，爆生氣體壓力為

(12)

據流體力學理論[12]，水在壓縮過程中，壓力P與體積V的關系為

(13)

式中：Cs為壓縮后水聲速；kw為水體積壓縮模量，通常取2 100 MPa；V為水被壓縮過程中所占體積；r為爆生氣體膨脹半徑；l為裝藥長度，表達式為

(14)

dV=-2πrldr

(15)

聯立式(13)～式(15)得

(16)

達到平衡狀態時對式(16)積分，得

(17)

由于靜水壓P0較Pb小的多，為計算簡便，忽略P0。將式(11)代入式(17)，得

(18)

將式(12)代入式(18)，得

(19)

由流體力學理論知，壓縮后水介質聲速為

Cs=(kw/ρs)1/2

(20)

聯立式(19)、(20)，得被壓縮水的波阻抗為

(21)

由式(21)知，不耦合裝藥結構中介質為水時，壓縮后水阻抗與炸藥阻抗關系較復雜。因水的可壓縮性較空氣小，壓縮后水密度、波速會發生變化。裝藥半徑rc及膨脹壓縮過程中水徑向壓縮量ω均與裝藥不耦合系數有關。炮孔半徑確定后，裝藥半徑rc會決定不耦合系數，不耦合系數又與徑向壓縮量ω呈正比。預使傳遞到巖石的能量最多，則ρsCs=ρyDy，在巖石、炸藥確定情況下，通過調整不耦合系數可進一步提高炸藥利用率。

因此，炸藥阻抗與巖石阻抗直接影響爆炸能量傳遞。對高阻抗巖石，無論何種裝藥結構，采用高阻抗炸藥均能更好利用爆炸能量。炸藥、巖石均確定時，不耦合介質不同其系數影響亦不同，但均存在能使爆轟產物與巖石阻抗匹配、由公式得出的不耦合系數。

2試驗研究

為更好驗證不同裝藥結構傳遞的能量不同，本文結合鎮江龍王山爆破工程，對耦合裝藥、不耦合系數kd=1.28的水不耦合裝藥及空氣不耦合裝藥3種結構對地震波傳播影響進行研究；測試分析3種裝藥方式在爆破遠區的震動速度，對能量傳遞理論分析進行工程實踐驗證，以期為工程選取裝藥方式提供參考。

2.1試驗簡介

本試驗共進行4組爆破，試驗區煤灰巖屬中硬巖石，據前期調查，施工區域巖石整體性良好，結構完整。空氣不耦合裝藥進行兩組試驗，裝藥結構略不同，耦合裝藥、水耦合裝藥各進行1組。炮孔直徑90 mm，不耦合裝藥試驗中裝藥直徑70 mm，不耦合系數均kd=1.28。4組試驗裝藥參數見表1。

表1　試驗裝藥參數表

群爆網絡及試驗現場測點布置示意圖見圖1、圖2。采用TC-4850型爆破測振儀采集測點的震動數據。

圖1 測點、爆破區位置Fig.1Schematicdiagramofmeasuringpointsandblastingarea圖2 試驗現場測點布置Fig.2LayoutofmeasuringintheExperimentalsite

2.2數據測試及試驗分析

不同裝藥結構的震動速度時程曲線也不同，見圖3，各組試驗震動測試數據見表2～表5。

圖3　不同裝藥結構三向震動速度時程曲線Fig.3 The timing diagram about velocity of vibration with different charge structure

第1組r=4.281r=8.561r=12.842vTmax15.1975.0666.292vLmax12.2490.0065.282vVmax25.9778.6035.104V和27.3158.8497.670公式預測6.614～25.9862.339～10.5541.273～6.230

表3　空氣不耦合裝藥結構震速峰值(cm/s)

表4　空氣不耦合裝藥結構震速峰值(cm/s)

表5　水不耦合裝藥結構震動速度峰值(cm/s)

考察實際工程中地震波傳播規律影響時，通常由不同距離測點的震動速度大小體現，見圖4。最常用的薩道夫斯基公式[13]為

v=kr-α

(22)

(23)

式中：v為介質質點振動速度，cm/s；R為距爆心直線距離，m；k，α為與爆炸條件、巖石特性相關系數；r為比例距離；Q為單次齊爆藥量，kg。

圖4　不同裝藥結構質點震速隨比例距離變化曲線Fig.4 The graph of the relation between particle velocity and scaled-distance of three charge structures

表中三向合速度均在經驗公式(22)推導計算數據范圍內，因此本試驗所測數據較可靠。由試驗數據看出，炸藥爆炸引起的地震波傳播時，在相同比例距離上三方向產生震速峰值各不相等，且并非特定方向峰值最大，三方向震速峰值未同時刻出現。因此預測爆破震動時采用三向合速度計算較準確。

整理4組試驗數據，通過線性擬合獲得3種裝藥結構的薩道夫斯基公式見圖5。式(22)中常數k，α值見表6。

圖5　三種裝藥結構擬合曲線Fig.5 The fitting graphs of three charge structures

裝藥結構kαα=1.3時k值耦合 147.91.26160.7空氣不耦合186.21.43148.2水不耦合 532.71.83119.1

為更好對比分析3種裝藥方式對爆破震動影響，設α=1.3擬合出k值，對比k值大小分析震動速度衰減規律。擬合得3種裝藥結構震速公式對比為

(24)

爆破震動能量表示[14]為

(25)

式中：E為爆破振動t時刻能量；Δm為質元質量；v(t)為t時刻質點震速。

由式(25)可知，特定比例距離巖石中爆破震動能量E與震動速度v2(t)呈正比，即可通過震速分析震動能量。在該地質條件下不同裝藥結構震速亦不同，由阻抗匹配角度，由于裝藥結構及不耦合介質不同，即使炸藥、巖石阻抗及其它條件均相同，透射到巖石的爆炸能量也不同。炸藥相同時，耦合裝藥傳遞給巖石的能量大于不耦合裝藥。分析測試數據所得擬合公式說明，在相同比例距離上耦合裝藥產生的震動速度最大，不耦合裝藥較小，水為不耦合介質的不耦合裝藥震速最小。此因耦合裝藥導致炸藥爆破作用時間短，在巖石內傳遞攜帶瞬時能量大于不耦合裝藥結構，故在遠區的震速亦大于不耦合裝藥結構。

2.3爆破效果分析

分別對3種裝藥結構爆破后巖石塊度對比分析，見圖6。由圖6看出，不同裝藥結構爆破效果相差較大。耦合裝藥時，大塊度巖石占比較高，孔網參數選取不合理時甚至需用鑿巖機二次作業才能滿足工程需求，塊度大小差異較明顯；相同裝藥量下不耦合裝藥結構爆破的巖石塊度更均勻，大塊度明顯下降。以水為不耦合介質的裝藥結構爆破塊度較以空氣為介質不耦合裝藥結構效果好，不僅塊度均勻，且巖石粉末少。此因雖耦合裝藥傳遞給巖石的能量最多，但由于其作用時間短，將能量短時間內傳遞給巖石致炮孔近區巖石粉碎，且粉碎區大于不耦合裝藥。不耦合裝藥能有效降低裝藥起爆后作用在孔壁上爆炸初始壓力，由于不耦合介質作用延長爆炸產物在介質內部的作用時間，有效減小爆破對孔壁周圍巖石的破碎作用，降低形成粉碎區能量，將更多沖擊波能量作用于相鄰孔壁巖石，爆轟產物迅速膨脹充滿炮孔并以準靜壓力形式作用于孔壁，形成巖石中的準靜態應力場，炮孔之間相互貫通，使破碎區范圍增大。用水作為不耦合介質時其作用能降低爆炸初始壓力，而受壓水快速氣化膨脹，并通過水汽釋放能量, 從而延長作用時間, 增大拉應力沖量, 使能量沿炮孔分布趨于均勻。在爆轟產物作用階段, 受壓水氣體將大量貯存的能量釋放做功,能提高巖石的合格大塊率, 并使爆破后炮孔底部不留根底。

圖6　不同裝藥結構爆破效果圖Fig.6 The effect diagram of blasting of different charge structures

相同填塞情況下，裝藥結構為耦合裝藥及空氣不耦合時，爆破形成的粉塵較嚴重。用水作為不耦合介質時空氣中形成粉塵最少，水可有效降低粉塵形成。因此，水作為不耦合介質效果較好，不僅能有效改善爆破塊度，且能較大程度降低爆破粉塵。

3結論

(1) 裝藥結構不同，巖石、炸藥阻抗匹配關系亦不同，但存在近似正比關系，即高阻抗巖石用高阻抗炸藥效果更好。不耦合裝藥結構中不耦合介質不同其匹配關系也不同，均存在較合理的不耦合系數，使爆炸能量更好傳遞給巖石。

(2) 爆破震動采用三向合速度預測更準確；不耦合裝藥可降低爆破遠區地震波產生的震動速度；耦合裝藥在震動遠區能量最大，水不耦合裝藥結構遠區產生的震動能量最小。

(3) 不耦合裝藥結構能更好保障巖石塊度合格率，減少爆破能量在粉碎區做功，提高經濟效益。以水為不耦合介質的不耦合裝藥可減少爆破粉塵污染。

參 考 文 獻

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基金項目：總后基建營房部項目(KYGYZXJK0914)

收稿日期：2014-12-03修改稿收到日期：2015-01-20

通信作者王振雄 男，博士生，1987年6月生

中圖分類號:TD235；TJ510

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.02.035

Influence of charge structure on the energy transfer of blasting vibration and explosive effect

GU Wen-bin1, WANG Zhen-xiong1, CHEN Jiang-hai1,2, LIU Jian-qing1, LU Ming3, XU Hao-ming4

(1. College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China; 2. Unit 65307of PLA, Jilin 132002, China; 3. Wuhan Ordnance N.C.O school, Wuhan 430075, China; 4. Unit 96172of PLA, Jingdezhen 333000, China)

Abstract:As an important parameter in blasting design, charge structure has a significant impact on blasting. From the perspective of impedance matching, the blasting energy of three charge structures was analysed theoretically. The relationship between the charge structure and energy transfer was obtained and the study results indicate that there exists a reasonable decoupling coefficient when the charge structure is decoupled, thus allowing to transfer the blast energy efficiently to the rock. Taking the blasting excavation of Longwangshan engineering project in Zhejiang as a practical example, the blasting vibration was tested to verify the provided formula of energy transfer. Through comparative analysis on the corresponding explosive effects, it is concluded that the decoupling charge with water as a decoupling medium can effectively reduce the vibrating energy of blasting, producing more uniform size fragment and reducing dust pollution caused by the blasting.

Key words:charge structure; energy transfer; blasting vibration; theoretical analysis; experimental study

第一作者 顧文彬 男，教授，博士生導師，1961年12月生