爆破工程實驗教學創新平臺構建*

王雁冰，李書萱，汪東宸，楊國梁，李勝林，馬鑫民

(中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

“爆破工程”是土木工程、城市地下空間工程、采礦工程等專業的一門選修課，主要講授炸藥爆炸基本理論、爆破器材、巖石爆破機理與巖石破碎技術和爆破安全等內容[1]。為了培養學生的實際操作能力，課程通常安排爆破綜合實驗課。通過實驗可以加深學生對巖石爆破機理的理解，增強感性認識，能夠正確地選用爆破方法和確定爆破參數，能用理論計算方法和圖表設計常規爆破方案，并具有分析和解決爆破技術問題的能力[2,3]。但目前實驗課的開設存在著諸多問題。

1)開展基于真實的炸藥、雷管的室內爆破實驗較為困難。國家對爆破器材、爆破作業實施的管控越來越嚴格。爆破器材的購買、運輸、使用及存放需要層層審批，且高校和科研院所大多位于城市的繁華區，逢重要節日及重大活動，所有剩余火工品必須全部銷毀。

2)使用炸藥存在安全隱患。許多炸藥對溫度、摩擦、光照等較為敏感，一旦操作不規范，極易引發誤爆。實驗室空間狹小，炸藥的爆炸會產生一定的有毒有害氣體，影響人員健康。爆破振動給建筑物和構筑物帶來危害[4]。

3)目前，實驗設計對于土木類專業的針對性不強。過去的實驗主要是針對采礦工程專業設計的，主要涉及傳統的爆破采煤和爆破落礦。近年來，隨著科技的不斷發展，對精細化爆破和圍巖損傷精準控制提出了更高的要求。按原有的實驗設計教學，將不利于激發學生的興趣，達不到理想的教學效果。

4)傳統的巷(隧)道模型爆破實驗耗時長[5,6]，且費用非常高，不宜用于本科生教學。相似模型實驗涉及動力學相似，很難做到完全匹配。另外，由于爆炸的隨機性和瞬態性[7]，爆破實驗往往難以重復，這就導致如果要得到普遍的科學規律，需要進行大量的實驗，費時費力。

針對上述現實問題，構建了爆破工程綜合實驗平臺；自主設計、研發和改進了相關實驗裝置和軟件系統，使學生能夠在沒有火工炸藥的前提下完成爆破實驗，同時對現場爆破實驗進行了真實模擬再現；改進和提升了平臺運營模式和管理考核方法，使得學生綜合能力得到提升。

1 綜合實驗平臺的設置和搭建

根據教學大綱和培養方案的要求，對爆破工程綜合實驗平臺進行模塊化設計，實驗平臺包括3個模塊：非化學反應的爆炸加載、巖石爆破效果的定量評價和現場工程爆破參數自動優化設計及作業仿真。

1.1 非化學反應的爆炸加載

實驗室開展爆破破巖相關研究需要滿足安全要求、時間可控要求和便于各項測試關聯。炸藥爆破和氣體致裂的方法難以在這面進行時間關聯，時間分散性大，而且炸藥不安全，屬嚴控物質。需要發展實驗室用破巖新技術和方法，滿足上述研究的需求和要求。

現代巖石爆破理論認為[8]，巖石的破碎是爆炸應力波和爆生氣體共同作用造成的，爆炸應力波首先作用于巖體使其產生裂隙，隨后而來的爆生氣體楔入到這些裂隙中，促使裂隙進一步擴展。基于這種理論，引進和研制物理爆破方法，取代傳統的雷管和炸藥等火工品。

為了模擬爆炸的強動載作用，搭建了“金屬絲電爆炸破巖裝置”，在脈沖大電流作用下，金屬絲吸收能量，瞬時(數微秒至數十微秒)歷經升溫、熔化、氣化和形成等離子體等過程，在巖石受限空間內形成高溫高壓氣體，膨脹對周圍介質做功，在巖石中產生脈沖應力波，致使巖石發生破壞。圖1是電爆炸裝置構成的示意圖。圖2是四路實驗室用電爆破巖裝置，金屬絲直接起爆替代含能材料做功，金屬絲可同時爆炸也可延時爆炸。

圖 1 電爆炸裝置構成示意圖Fig. 1 Schematic diagram of electroexplosive device composition

圖 2 四路實驗室用電爆破巖裝置Fig. 2 Four-way laboratory electric blasting rock device

與傳統的化學炸藥相比，平臺中金屬絲電爆炸破碎巖石時，等離子化的氣體很少，并且迅速冷卻下來吸附在巖石的表層，因而金屬絲電爆炸爆生氣體的作用可以忽略不計，只產生應力波作用。具有安全可控、無毒無污染、能量可調、操作簡單、可重復性高等優勢。

1.2 巖石爆破效果的定量評價

實驗室內巖石爆破試驗后，巖石的爆破破碎效果如何定量評價，不同的爆破參數和裝藥結構對巖石爆破效果的影響如何定量體現，為此設計了實驗室內小藥量小試件的爆破破碎裝置，構建了巖石試件爆破損傷破裂程度的定量評價方法。

自主設計研發了一套“室內小藥量巖石爆破破碎裝置”[9,10]，如圖3所示。該裝置的材料選用高強度鋼并經淬火處理，可以抵抗爆炸沖擊的強破壞力不變形。裝置的外觀為圓柱形，外徑100 mm，高度200 mm，中間為直徑50 mm、高度150 mm的柱狀空間，用于放置巖石試件。為了方便安裝、拆卸試件，將該裝置設計成由兩個半圓柱拼裝而成的對稱結構。腔體外側設置對稱的套箍并配有6個螺栓，用于施加約束壓力。腔體上方有一法蘭圓盤，并用橡膠墊作為二者的間隔，在實驗時通過螺栓將法蘭圓盤固定在圓柱腔體上。

圖 3 室內小藥量巖石爆破破碎裝置實物圖Fig. 3 Physical diagram of indoor rock crushing device with small dosage

基于CT掃描和Minics三維重構[9,10]，提出了試件爆破后損傷破裂程度ω的計算方法，見式(1)。

(1)

1.3 現場工程爆破參數自動優化設計及作業仿真

爆破作業是采礦、土木、交通等工程施工條件最差的工序環節，往往獨頭掘進、空間狹窄、粉塵濃度大、各工種干擾多，學生如果進入爆破作業現場不僅影響企業的正常生產，而且可能帶來不必要的安全隱患，而爆破作業需專人操作，學生無法獲得實操機會。在教學中，通常以室內模型試驗代替現場觀摩實驗，但模型試驗耗時、耗力、耗材，且試驗結果難以重復。借助爆破掘進智能專家系統和虛擬仿真系統[11-13]，學生可進行爆破參數的選取和爆破方案的設計，利用虛擬仿真可以對整個爆破作業過程進行再現。

智能專家系統的開發基于Micorsoft Visual Studio平臺，系統建立了基于典型案例、規則推理“專家知識庫”和“數據庫”，知識庫設計本著管理科學，便于知識更新和完善，及時提供高效支持的原則，依據系統實際需要對爆破技術進行分析，確定了產生式規則進行知識表示。產生式規則表示法與人的思維接近，可較簡潔地表達知識庫中相關知識；易于理解推理，便于人機交換信息。

引進和建立巷(隧)道掘進爆破虛擬實驗系統，將繪制好的爆破圖表導入系統，該系統可將巷(隧)道鉆孔爆破的全過程——鉆孔、清孔、驗孔、裝藥、堵塞、起爆、出矸、掛網、支護、噴漿全過程都展現出來。利用該系統，還可以對爆破粉塵濃度、有毒有害氣體濃度、爆炸壓力，爆破振動信號等進行監測，直接導出數據。

平臺將智能專家系統與虛擬仿真系統有機地組合在一起。爆破掘進智能專家系統具有較強的智能性，可根據繪圖規則和要求，自動滿足現場各種炮眼布置的圖形繪制。虛擬仿真系統則以動畫的形式再現爆破作業的全過程。

2 實驗教學案例及效果評價

2.1 非化學反應的爆炸加載破巖試驗

學生利用平臺中的“金屬絲電爆炸裝置”代替傳統化學炸藥進行爆破破巖試驗。首先預制直徑50 cm、高度50 cm的圓柱形水泥砂漿試件，用以模擬巖石材料。從圓柱形的上表面垂直向下鉆鑿直徑2 cm，深度25 cm的炮孔。之后將金屬絲放入炮孔中，通過調節充電電壓可以獲得不同能級的爆炸壓力。試驗過程中，利用該平臺可以對爆炸壓力進行實時精準監測，實現了爆炸壓力的精準控制。試驗結束后學生可根據試驗測量結果編寫實驗報告，對試驗結果進行更進一步的分析和總結。

學生可直接在該平臺上模擬爆炸的強動載作用，通過金屬絲電爆炸可以有效的破碎巖石等脆性材料。該平臺最大限度的保證了學生及操作人員的安全。與此同時，參與大學生創新訓練和畢業論文的學生也可利用該平臺開展相關試驗，例如，通過改變金屬電極的抵抗線的長度，進行不同尺度的裝藥爆破模型試驗。另外，金屬絲自身細而長，通過改變金屬絲的直徑規格可以開展不同耦合系數條件的爆破試驗；通過改變長度可以開展跨尺度的條形藥包裝藥爆破試驗。

2.2 不耦合裝藥爆破破裂程度量化

學生利用平臺中的“室內小藥量巖石爆破破碎裝置”，開展了小藥量巖石試件不耦合裝藥爆破試驗[14]。試驗選用直徑50 mm，高度100 mm的紅砂巖試件，利用工業CT對試驗前后的試件進行掃描，計算爆破前后試件的分形維數D0和Dt，利用平臺自帶Minics軟件對爆后試件進行重構，如圖4所示，最后計算了損傷破裂程度ω。

圖 4 原試件及重構試件對比Fig. 4 Comparison of original and reconstructed specimens

該平臺解決了室內爆破試驗邊界約束和沖孔的問題。學生可以定量的評價爆炸壓力對巖石的破壞效應。裝置體積小巧、裝拆卸靈活、操作簡單、造價低廉，同時具有防噪音、減震的效果。實驗課上，可并行多組同時進行實驗，每個學生都可以親自動手操作。學生通過該平臺重構得到的巖樣，能夠很好地代替真實的巖樣，且通過重構巖樣內部裂隙的空間分布情況，分析其力學破壞機制是可行的。

2.3 巷道爆破圖表自動繪制與掏槽爆破虛擬仿真

根據山西某礦巖石巷道的實際地質情況，學生將巷道的形狀、幾何尺寸、巷道頂底板情況、巖性、爆破方式等參數輸入該平臺中的智能專家系統中，然后系統自動生成一階/二階掏槽等多種爆破方案的圖表(圖5)、爆破參數表和爆破效率表。將爆破圖表和爆破參數導入虛擬仿真仿真系統，再現了巷道爆破全過程，如圖6和圖7所示。

圖 5 學生自主設計的爆破圖表(單位：mm)Fig. 5 Blasting chart independently designed by students(unit:mm)

圖 6 鉆掏槽孔Fig. 6 Drilling grooves

平臺中組合后的新系統充分體現了“虛實結合、相互補充、能實不虛、相輔相成”的原則，將人工智能、模糊數學及專家級爆破經驗和規則結合，研發了智能推理機制，依托虛擬仿真、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，建立了逼真的虛擬實驗環境，學生產生濃厚的興趣，從而置身于虛擬環境中全身心投入開展爆破實驗，身臨其境，感受真實的現場爆破過程，取得意想不到的教學效果。另外，學生設計的爆破方案不同，則監測的數據也會發生改變，可直接生成數據圖表對爆破效果和危害進行分析研究。利用該平臺，學生可以快速的設計爆破方案，并且能快速的檢測爆破效果，節省了時間。

圖 7 爆破后形成的爆堆Fig. 7 Blasting piles formed after blasting

3 綜合實驗平臺的運行與管理

綜合實驗平臺中的裝置及系統不僅能夠滿足“爆破工程”實驗課程教學的需要，而且可以為本科生開展創新訓練等提供必要的輔助支撐。為此，將實驗的8學時分為3部分，2學時的常規實驗；6學時的創新設計實驗。常規實驗中，按照大綱要求，學生完成巖石試件的爆破試驗，觀察爆后巖石的粉碎區、裂隙區的范圍，比較不同巖性的巖石或類巖石材料爆破的差異，撰寫試驗報告。創新設計實驗中，以6～8人為一小組。一種是就巖石爆破中的某個具體問題(如裝藥參數、裝藥結構等)自主設計實驗，開展研究，比較差異，分析原因，小組內部充分的交流和討論，并以PPT的形式向全體同學匯報，其他同學進行提問，最終形成研究報告。另一種是利用“組合”系統，設計不同的爆破方案，比較不同方案的爆破效果，并進行優化，比選過程中，給學生充分的時間討論、分析。最終針對特定的巖性、特定的地質條件，提出最優的爆破方案，并形成技術交底。

實驗課以百分制考核，常規實驗占40分，2個創新實驗各占30分，見表1，得分60以上即為合格。

表 1 考核內容、方法及分值Table 1 Test content,method and scores

4 結語

爆破工程實驗教學綜合平臺解決了“爆破工程”課程室內真實的爆破實驗和巷(遂)模型實驗難以開展的問題，用電爆炸裝置取代了傳統的火工化學炸藥，模擬爆炸應力波和爆生氣體的爆破作用，并對爆破破巖效果進行定量評價，將專家系統與虛擬仿真系統組合，成功構建了高仿真的巷(隧)掘進現場環境。利用該平臺，學生既可做室內爆破試驗又可做現場爆破實驗，取得了理想的教學效果。

爆破工程實驗教學綜合平臺采用的創新型研究式的教學模式，不僅有助于學生理解課程教學的基本理論，而且能夠激發學生的學習興趣，使學生學習的深度和廣度有所增加。另外，與傳統的實驗教學相比，教學模式也呈現多樣化的特點，有利于培養學生自主學習的能力，同時學生的團隊協作能力、工程實踐能力、語言表達能力、創新思維能力都得到了相應的提高。該平臺也可為不同專業的學生提供共享使用服務，拓寬了實驗教學資源的共享和應用范圍。