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(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院,南京　210007； 2.65307部隊(duì)，吉林　132002；3.武漢軍械士官學(xué)校，武漢　430075； 4.96172部隊(duì)，江西 景德鎮(zhèn)　333000)

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裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破震動(dòng)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(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院,南京210007； 2.65307部隊(duì)，吉林132002；3.武漢軍械士官學(xué)校，武漢430075； 4.96172部隊(duì)，江西 景德鎮(zhèn)333000)

摘要：由于裝藥結(jié)構(gòu)作為爆破設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，對(duì)爆破影響不可忽視，由阻抗匹配角度對(duì)3種不同裝藥(耦合、空氣不耦合及水不耦合)結(jié)構(gòu)爆破能量傳遞進(jìn)行理論分析，獲得能量傳遞與裝藥結(jié)構(gòu)關(guān)系，即不耦合裝藥時(shí)存在合理的不耦合系數(shù)使爆破能量高效傳遞給巖石。通過(guò)具體爆破開(kāi)挖工程對(duì)爆破震動(dòng)進(jìn)行測(cè)試及能量傳遞公式驗(yàn)證，結(jié)果表明，以水作為不耦合介質(zhì)的不耦合裝藥能有效降低爆破震動(dòng)能量，減小爆破粉塵危害，且使塊度更均勻。

關(guān)鍵詞：裝藥結(jié)構(gòu)；能量傳遞；爆破震動(dòng)；理論分析；試驗(yàn)研究

鉆孔爆破為巖土工程中應(yīng)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(shù)主要集中于巖石、炸藥特性及爆破參數(shù)等，多達(dá)20余種[1-8]。爆破環(huán)境、炸藥確定時(shí)，裝藥結(jié)構(gòu)影響尤其重要。關(guān)于裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸能量及效果影響，試驗(yàn)、數(shù)值模擬已有大量研究，且主要針對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破效果及近區(qū)震動(dòng)影響。實(shí)際工程中，施工環(huán)境不同裝藥結(jié)構(gòu)亦不同。而關(guān)于不同裝藥結(jié)構(gòu)的能量傳遞、爆破效果分析及遠(yuǎn)區(qū)震動(dòng)攜帶能量研究較少。

本文由阻抗匹配角度對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)能量傳遞進(jìn)行理論分析，結(jié)合具體爆破工程，對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破效果影響及震動(dòng)遠(yuǎn)區(qū)震動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)理論推導(dǎo)公式進(jìn)行驗(yàn)證，旨在得出不同裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破遠(yuǎn)區(qū)的震動(dòng)能量的影響規(guī)律，為爆破震動(dòng)危害防護(hù)及裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

1理論分析

炸藥爆炸時(shí)，據(jù)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(duì)高阻抗巖石，沖擊波能量起主要作用。炸藥爆轟產(chǎn)物與巖石在界面處保持一致，由連續(xù)條件及牛頓第三定律知，界面兩側(cè)反透射后質(zhì)點(diǎn)速度與應(yīng)力相等。據(jù)波陣面動(dòng)量守恒得方程組[10]為

vI+vR=vT

(1)

σI+σR=σT

(2)

(3)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)速度；σ為質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力；下標(biāo)I，R，T為入射、反射、透射擾動(dòng)有關(guān)量；ρbCb，ρyCy為炸藥爆轟產(chǎn)物及巖石阻抗，且定義阻抗比n=(ρbCb)/(ρyCy)。

聯(lián)立方程組可得透射系數(shù)T=2/(1+n)、反射系數(shù)F=(1-n)/(1+n)。由此可知，反透射系數(shù)與介質(zhì)波阻抗有關(guān)，兩者大小取決于兩種介質(zhì)阻抗比，當(dāng)n=1時(shí)兩者阻抗相等，反射系數(shù)為0，透射系數(shù)為1，可認(rèn)為爆轟產(chǎn)物透射到巖石中的能量最多。由于不同裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波能量傳播影響不同，因此由阻抗匹配角度對(duì)3種不同裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)，爆轟氣體及爆炸產(chǎn)物直接作用于巖石，并通過(guò)巖石傳遞爆炸能量。據(jù)爆轟理論[11]，爆轟產(chǎn)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(chǎn)物初始密度及爆速；γ為絕熱指數(shù)。

據(jù)式(4)、(5)，爆轟產(chǎn)物波阻抗與炸藥波阻抗?jié)M足ρbCb=ρzDz，爆轟產(chǎn)物波阻抗與巖石阻抗?jié)M足ρbCb=ρyCy時(shí)ρyCy=ρzDz，阻抗比為1，透射系數(shù)為1，此時(shí)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(jù)阻抗匹配理論，當(dāng)巖石阻抗較高時(shí)，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(jié)構(gòu)填充介質(zhì)為空氣不耦合裝藥時(shí)，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(chǎn)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(fù)雜。設(shè)炸藥爆炸后炮孔中等熵絕熱膨脹，爆轟產(chǎn)物充滿整個(gè)炮孔，忽略空氣質(zhì)量，爆轟產(chǎn)物質(zhì)量與炸藥質(zhì)量相等，則爆轟產(chǎn)物在空氣中的阻抗ρkCk計(jì)算式為

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：kd為裝藥不耦合系數(shù)，其值為炮孔直徑r0與裝藥直徑rz比值；Pk為爆轟產(chǎn)物充滿炮孔的壓力；Pb為炸藥起爆瞬間爆轟產(chǎn)物初始?jí)毫Α?/p>

聯(lián)立式(6)～式(9)，得空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中作用于巖石的爆轟產(chǎn)物阻抗ρkCk為

(10)

因此當(dāng)ρkCk=ρyDy時(shí)，爆轟產(chǎn)物與巖石阻抗匹配，炮孔空氣中爆轟產(chǎn)物傳遞給巖石的能量最多。結(jié)合式(10)可求得巖石阻抗與炸藥阻抗關(guān)系。與耦合裝藥不同，存在與不耦合系數(shù)kd、絕熱指數(shù)γ相關(guān)的系數(shù)。設(shè)絕熱指數(shù)γ相同，因不耦合系數(shù)kd>1，隨不耦合系數(shù)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(qū)域巖石阻抗、炸藥種類及裝藥不耦合系數(shù)三者之關(guān)系。巖石、炸藥均確定時(shí)，若用空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，不耦合系數(shù)與炸藥、巖石阻抗?jié)M足式(10)，爆破能量傳遞效果最好。

1.3水不耦合裝藥

實(shí)際工程中，由于場(chǎng)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(shí)，水作為不耦合填充介質(zhì)炸藥爆炸會(huì)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(chǎn)物膨脹壓縮水，水密度及壓縮的波速均發(fā)生變化。據(jù)絕熱膨脹壓縮過(guò)程，壓縮的水密度與原始密度關(guān)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(guò)程中水徑向壓縮量。

爆生氣體壓力與水壓力相等即達(dá)到平衡時(shí)，爆生氣體壓力為

(12)

據(jù)流體力學(xué)理論[12]，水在壓縮過(guò)程中，壓力P與體積V的關(guān)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(guò)程中所占體積；r為爆生氣體膨脹半徑；l為裝藥長(zhǎng)度，表達(dá)式為

(14)

dV=-2πrldr

(15)

聯(lián)立式(13)～式(15)得

(16)

達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)對(duì)式(16)積分，得

(17)

由于靜水壓P0較Pb小的多，為計(jì)算簡(jiǎn)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(xué)理論知，壓縮后水介質(zhì)聲速為

Cs=(kw/ρs)1/2

(20)

聯(lián)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(jié)構(gòu)中介質(zhì)為水時(shí)，壓縮后水阻抗與炸藥阻抗關(guān)系較復(fù)雜。因水的可壓縮性較空氣小，壓縮后水密度、波速會(huì)發(fā)生變化。裝藥半徑rc及膨脹壓縮過(guò)程中水徑向壓縮量ω均與裝藥不耦合系數(shù)有關(guān)。炮孔半徑確定后，裝藥半徑rc會(huì)決定不耦合系數(shù)，不耦合系數(shù)又與徑向壓縮量ω呈正比。預(yù)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(guò)調(diào)整不耦合系數(shù)可進(jìn)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(duì)高阻抗巖石，無(wú)論何種裝藥結(jié)構(gòu)，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(shí)，不耦合介質(zhì)不同其系數(shù)影響亦不同，但均存在能使爆轟產(chǎn)物與巖石阻抗匹配、由公式得出的不耦合系數(shù)。

2試驗(yàn)研究

為更好驗(yàn)證不同裝藥結(jié)構(gòu)傳遞的能量不同，本文結(jié)合鎮(zhèn)江龍王山爆破工程，對(duì)耦合裝藥、不耦合系數(shù)kd=1.28的水不耦合裝藥及空氣不耦合裝藥3種結(jié)構(gòu)對(duì)地震波傳播影響進(jìn)行研究；測(cè)試分析3種裝藥方式在爆破遠(yuǎn)區(qū)的震動(dòng)速度，對(duì)能量傳遞理論分析進(jìn)行工程實(shí)踐驗(yàn)證，以期為工程選取裝藥方式提供參考。

2.1試驗(yàn)簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)共進(jìn)行4組爆破，試驗(yàn)區(qū)煤灰?guī)r屬中硬巖石，據(jù)前期調(diào)查，施工區(qū)域巖石整體性良好，結(jié)構(gòu)完整?？諝獠获詈涎b藥進(jìn)行兩組試驗(yàn)，裝藥結(jié)構(gòu)略不同，耦合裝藥、水耦合裝藥各進(jìn)行1組。炮孔直徑90 mm，不耦合裝藥試驗(yàn)中裝藥直徑70 mm，不耦合系數(shù)均kd=1.28。4組試驗(yàn)裝藥參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)裝藥參數(shù)表

群爆網(wǎng)絡(luò)及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖1、圖2。采用TC-4850型爆破測(cè)振儀采集測(cè)點(diǎn)的震動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖1 測(cè)點(diǎn)、爆破區(qū)位置Fig.1Schematicdiagramofmeasuringpointsandblastingarea圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置Fig.2LayoutofmeasuringintheExperimentalsite

2.2數(shù)據(jù)測(cè)試及試驗(yàn)分析

不同裝藥結(jié)構(gòu)的震動(dòng)速度時(shí)程曲線也不同，見(jiàn)圖3，各組試驗(yàn)震動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2～表5。

圖3　不同裝藥結(jié)構(gòu)三向震動(dòng)速度時(shí)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(yù)測(cè)6.614～25.9862.339～10.5541.273～6.230

表3　空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)震速峰值(cm/s)

表4　空氣不耦合裝藥結(jié)構(gòu)震速峰值(cm/s)

表5　水不耦合裝藥結(jié)構(gòu)震動(dòng)速度峰值(cm/s)

考察實(shí)際工程中地震波傳播規(guī)律影響時(shí)，通常由不同距離測(cè)點(diǎn)的震動(dòng)速度大小體現(xiàn)，見(jiàn)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(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(guān)系數(shù)；r為比例距離；Q為單次齊爆藥量，kg。

圖4　不同裝藥結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)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(jīng)驗(yàn)公式(22)推導(dǎo)計(jì)算數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，因此本試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)較可靠。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，炸藥爆炸引起的地震波傳播時(shí)，在相同比例距離上三方向產(chǎn)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(shí)刻出現(xiàn)。因此預(yù)測(cè)爆破震動(dòng)時(shí)采用三向合速度計(jì)算較準(zhǔn)確。

整理4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)線性擬合獲得3種裝藥結(jié)構(gòu)的薩道夫斯基公式見(jiàn)圖5。式(22)中常數(shù)k，α值見(jiàn)表6。

圖5　三種裝藥結(jié)構(gòu)擬合曲線Fig.5 The fitting graphs of three charge structures

裝藥結(jié)構(gòu)kαα=1.3時(shí)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(duì)比分析3種裝藥方式對(duì)爆破震動(dòng)影響，設(shè)α=1.3擬合出k值，對(duì)比k值大小分析震動(dòng)速度衰減規(guī)律。擬合得3種裝藥結(jié)構(gòu)震速公式對(duì)比為

(24)

爆破震動(dòng)能量表示[14]為

(25)

式中：E為爆破振動(dòng)t時(shí)刻能量；Δm為質(zhì)元質(zhì)量；v(t)為t時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)震速。

由式(25)可知，特定比例距離巖石中爆破震動(dòng)能量E與震動(dòng)速度v2(t)呈正比，即可通過(guò)震速分析震動(dòng)能量。在該地質(zhì)條件下不同裝藥結(jié)構(gòu)震速亦不同，由阻抗匹配角度，由于裝藥結(jié)構(gòu)及不耦合介質(zhì)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(shí)，耦合裝藥傳遞給巖石的能量大于不耦合裝藥。分析測(cè)試數(shù)據(jù)所得擬合公式說(shuō)明，在相同比例距離上耦合裝藥產(chǎn)生的震動(dòng)速度最大，不耦合裝藥較小，水為不耦合介質(zhì)的不耦合裝藥震速最小。此因耦合裝藥導(dǎo)致炸藥爆破作用時(shí)間短，在巖石內(nèi)傳遞攜帶瞬時(shí)能量大于不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，故在遠(yuǎn)區(qū)的震速亦大于不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。

2.3爆破效果分析

分別對(duì)3種裝藥結(jié)構(gòu)爆破后巖石塊度對(duì)比分析，見(jiàn)圖6。由圖6看出，不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果相差較大。耦合裝藥時(shí)，大塊度巖石占比較高，孔網(wǎng)參數(shù)選取不合理時(shí)甚至需用鑿巖機(jī)二次作業(yè)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(jié)構(gòu)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(zhì)的裝藥結(jié)構(gòu)爆破塊度較以空氣為介質(zhì)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)效果好，不僅塊度均勻，且?guī)r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(shí)間短，將能量短時(shí)間內(nèi)傳遞給巖石致炮孔近區(qū)巖石粉碎，且粉碎區(qū)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?jí)毫?，由于不耦合介質(zhì)作用延長(zhǎng)爆炸產(chǎn)物在介質(zhì)內(nèi)部的作用時(shí)間，有效減小爆破對(duì)孔壁周圍巖石的破碎作用，降低形成粉碎區(qū)能量，將更多沖擊波能量作用于相鄰孔壁巖石，爆轟產(chǎn)物迅速膨脹充滿炮孔并以準(zhǔn)靜壓力形式作用于孔壁，形成巖石中的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)，炮孔之間相互貫通，使破碎區(qū)范圍增大。用水作為不耦合介質(zhì)時(shí)其作用能降低爆炸初始?jí)毫Γ軌核焖贇饣蛎?，并通過(guò)水汽釋放能量, 從而延長(zhǎng)作用時(shí)間, 增大拉應(yīng)力沖量, 使能量沿炮孔分布趨于均勻。在爆轟產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為耦合裝藥及空氣不耦合時(shí)，爆破形成的粉塵較嚴(yán)重。用水作為不耦合介質(zhì)時(shí)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(zhì)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(jié)論

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

(2) 爆破震動(dòng)采用三向合速度預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確；不耦合裝藥可降低爆破遠(yuǎn)區(qū)地震波產(chǎn)生的震動(dòng)速度；耦合裝藥在震動(dòng)遠(yuǎn)區(qū)能量最大，水不耦合裝藥結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的震動(dòng)能量最小。

(3) 不耦合裝藥結(jié)構(gòu)能更好保障巖石塊度合格率，減少爆破能量在粉碎區(qū)做功，提高經(jīng)濟(jì)效益。以水為不耦合介質(zhì)的不耦合裝藥可減少爆破粉塵污染。

參 考 文 獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：總后基建營(yíng)房部項(xiàng)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(hào):TD235；TJ510

文獻(xiàn)標(biāo)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(dǎo)師，1961年12月生