趙宏偉，劉忠民，吳小剛，曹小龍，李利剛，康永全

(1.北京市公安局治安管理總隊(duì)，北京 100088；2.北京市公安局密云分局，北京 101500；3.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081)

北京作為“首善之都”，安全無小事，事事連政治。為確保首都地區(qū)公共安全及和諧社會(huì)的穩(wěn)定局面，消除廢舊爆炸物品的安全隱患，北京市公安機(jī)關(guān)在全市范圍內(nèi)開展廢舊爆炸物品的收繳工作。這些廢舊爆炸物品主要在施工工地現(xiàn)場被發(fā)現(xiàn)和收繳，還有一些市民主動(dòng)上繳的疑似爆炸物品。其特點(diǎn)是大小不一，形狀各異，且年代久遠(yuǎn)，表面銹跡斑斑，大多已經(jīng)變形，標(biāo)識(shí)已經(jīng)模糊不清，無法準(zhǔn)確評(píng)判其爆炸性能和安全屬性，可以說是一顆移動(dòng)的“不定時(shí)”炸彈。集中儲(chǔ)存的廢舊爆炸物品由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不確定，觸發(fā)條件不確定，爆炸威力不確定，如果處理不當(dāng)或選擇的銷毀方法不適合，會(huì)引起較嚴(yán)重的爆炸事故，廢舊爆炸物品的處置是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、危險(xiǎn)性極大的工作，需要公安機(jī)關(guān)組織專業(yè)技術(shù)力量，進(jìn)行周密部署，對(duì)廢舊爆炸物品進(jìn)行定期集中銷毀。國內(nèi)眾多文獻(xiàn)結(jié)合廢舊炮彈爆炸銷毀的工程實(shí)例[1-4]，主要從銷毀的實(shí)施過程、爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、安全管理要求及技術(shù)措施等方面進(jìn)行重點(diǎn)分析和闡述，鮮有對(duì)銷毀爆破振動(dòng)特性的研究和報(bào)道。本文針對(duì)北京某次廢舊炮彈在廢棄的礦坑中進(jìn)行爆破銷毀的特點(diǎn)，對(duì)銷毀設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和步驟進(jìn)行分析和評(píng)估，并結(jié)合現(xiàn)場振動(dòng)監(jiān)測，分析銷毀爆破振動(dòng)的傳播特性和時(shí)頻特性，以期對(duì)同類銷毀爆破工程的安全設(shè)計(jì)和校核提供參考。

1 銷毀方案設(shè)計(jì)與組織實(shí)施

1.1 廢舊爆炸物品的甄別及其銷毀方法

廢舊爆炸物品的銷毀方法主要有燃燒法、爆炸法、化學(xué)分解法和拆解法等幾種，不同種類的廢舊爆炸物品對(duì)應(yīng)不同的銷毀方法，需要結(jié)合其特點(diǎn)并考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選擇。本次擬銷毀的廢舊爆炸物品主要包括廢舊炮彈、地雷、手雷、手榴彈、動(dòng)能彈、信號(hào)彈及其他疑似爆炸裝置，共計(jì)198枚，見圖1。因廢舊炮、炸彈屬不同時(shí)期的爆炸物品，內(nèi)部裝藥感度已降低，部分彈體腐蝕、引信功能失效，但大部分仍具有爆炸能力，在排除這些廢舊炮彈為非生化類和非放射性炮彈后，決定采用坑內(nèi)爆炸法對(duì)其進(jìn)行誘爆銷毀。爆炸銷毀具有處理徹底、操作簡單、對(duì)環(huán)境污染小的特點(diǎn)。

圖 1 待銷毀廢舊炮彈Fig. 1 Waste shells to be destructed

在進(jìn)行銷毀方案設(shè)計(jì)前，首先應(yīng)確定待銷毀炮彈的裝藥量，由于無法辨別具體彈型，也無法確定炮彈主裝藥的現(xiàn)狀條件，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算廢舊炮彈的等效TNT當(dāng)量[5]

式中：Q為等效TNT當(dāng)量，kg；d為彈徑，cm；L為彈體長，cm；Lr為彈頭長，cm；β為當(dāng)量系數(shù)，對(duì)于炮彈：口徑175 mm以下榴彈取1.35，其他取1.00；γ為裝藥換算系數(shù)，對(duì)于炮彈、榴彈取0.99，穿甲彈取0.26。

由于廢舊炮彈大小千差萬別，年代較久且部分裝藥失效或感度降低，只能粗略估算其等效TNT當(dāng)量作為參考裝藥量，擬銷毀廢舊炮彈的數(shù)量及裝藥量如表1所示，其中其他類為疑似6枚，動(dòng)能彈1枚，信號(hào)彈8枚，發(fā)煙彈2枚。

表 1 擬銷毀廢舊爆炸物品明細(xì)

1.2 銷毀場地的選擇和爆炸坑設(shè)計(jì)

采用爆炸法選擇銷毀場地時(shí)，要充分考慮空氣沖擊波、個(gè)別碎片飛石飛散、爆破地震波及誘發(fā)火災(zāi)等方面的有害效應(yīng)。根據(jù)《廢火藥、炸藥、彈藥、引信及火工品處理、銷毀與貯運(yùn)安全技術(shù)要求》(GJB5120—2002)規(guī)定，爆炸銷毀廢舊彈藥場地的選擇應(yīng)遠(yuǎn)離重要的建構(gòu)筑物，距居民點(diǎn)不小于2000 m。經(jīng)過場地比選和實(shí)地勘察，銷毀地點(diǎn)選在北京市密云區(qū)某廢棄露天采場礦坑內(nèi)，見圖2，該場地位于山谷之中、地勢低洼，上下平臺(tái)高差70余m，礦坑直徑約500 m，利于爆炸飛散物及空氣沖擊波控制，遠(yuǎn)離居民區(qū)，周邊無重要保護(hù)設(shè)備設(shè)施，只有一條道路出入便于警戒，且礦坑中停用的礦石運(yùn)輸通道可作為起爆站，環(huán)境良好，滿足銷毀場地要求。

圖 2 爆炸銷毀場地Fig. 2 Explosive destruction site

為了減少碎片的飛散和空氣沖擊波的作用范圍，采用坑內(nèi)式被覆爆炸法，即將廢舊炮炸彈埋在事先開挖好的爆炸坑中，上覆誘發(fā)藥包，利用炸藥的爆炸能量誘爆、炸毀廢舊炮彈。本次銷毀作業(yè)共開挖4個(gè)爆炸銷毀坑，爆炸坑尺寸：長1.2～1.3 m，寬1.2 m，深1.5～1.6 m。爆炸坑設(shè)置在礦坑西側(cè)，臨近礦坑邊坡，利于爆炸飛散物控制。

廢舊炮、炸彈裝坑時(shí)，把炸藥量大和威力大的彈頭放在上層，裝藥量小的彈頭放在坑周圍和下層，以充分利用彈內(nèi)炸藥，有效地克服炸毀不完全現(xiàn)象，并能節(jié)約引爆藥的用量。置坑作業(yè)完成后，采用袋裝細(xì)沙對(duì)爆炸物表面進(jìn)行覆蓋，以減小爆破沖擊波及個(gè)別飛散物的危害。

1.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

爆炸法銷毀炮彈采用接觸裝藥，其引爆藥量應(yīng)根據(jù)銷毀炮彈的種類和數(shù)量來確定，可按表2進(jìn)行計(jì)算，若炸彈為榴炮彈、穿甲彈和航彈，所需引爆藥量應(yīng)增加一倍?？紤]炸藥來源和現(xiàn)場實(shí)際條件，使用2號(hào)巖石乳化炸藥為銷毀用藥，2號(hào)巖石乳化炸藥的TNT當(dāng)量系數(shù)為0.65[6]，本次待銷毀炮彈122 cm口徑的有4枚，其余均小于76 mm，因此，銷毀用乳化炸藥量經(jīng)計(jì)算為4×3/0.65+63×2/0.65=212 kg，考慮部分炮彈主裝藥失效或感度降低，銷毀地點(diǎn)爆破環(huán)境良好，最終確定用藥量為216 kg。

表 2 銷毀炮彈引爆藥量(TNT當(dāng)量)[7]

本次銷毀采用電子雷管起爆，每個(gè)坑放置6～8個(gè)電子雷管，坑內(nèi)雷管同時(shí)起爆，為降低爆破振動(dòng)對(duì)周邊巖石高邊坡的影響，坑間設(shè)置5 ms延時(shí)逐坑起爆。

1.4 廢舊炮彈的裝卸與運(yùn)輸

為保證待銷毀爆炸物品在運(yùn)輸過程中的安全，對(duì)危險(xiǎn)性較高的彈體和其它彈體分別裝箱：帶有引信和裝藥外露的彈藥要做好防護(hù)，單獨(dú)固定裝箱；教練彈藥單獨(dú)固定裝箱；體積較大彈體、做好保護(hù)后單獨(dú)裝車。待銷毀爆炸物品裝車時(shí)，由專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場指導(dǎo)，為防止發(fā)生意外碰撞、擠壓、跌落，待銷毀炮彈必須采用人工搬運(yùn)，輕拿輕放。

運(yùn)輸廢舊炮炸彈的車輛，選用爆破危險(xiǎn)物品專用車輛運(yùn)輸，本次銷毀作業(yè)使用3輛爆破器材運(yùn)輸車，其中1輛運(yùn)輸待銷毀的廢舊炮彈，1輛運(yùn)輸乳化炸藥，1輛運(yùn)輸電子雷管。待銷毀爆炸物品要進(jìn)行裝箱運(yùn)輸，裝箱的爆炸物品要裝穩(wěn)卡牢，箱內(nèi)要用棉紗、沙子等物品固定卡牢，箱體碼放規(guī)范，帶引信的彈藥，在箱內(nèi)應(yīng)裝有穩(wěn)固作用的擋板或引信護(hù)罩，車內(nèi)廢舊彈藥箱體覆蓋防爆毯。運(yùn)輸前，提前規(guī)劃運(yùn)輸路線，盡量避開車流量大的道路和人員聚集的村莊，對(duì)礦坑內(nèi)的臨建道路進(jìn)行清理和平整，邊坡陡峭的路段，爆炸物品運(yùn)輸車進(jìn)行實(shí)地演練，確保車輛動(dòng)力性能滿足要求。

1.5 銷毀爆破效果

爆炸銷毀場地位于礦坑中，上下高差超70 m，四周山體形成了自然屏障，個(gè)別飛散物、沖擊波及地震波的影響范圍基本限于坑內(nèi)，因此本次銷毀作業(yè)的安全警戒為距離600 m(直線距離)，在此范圍內(nèi)的所有人員和車輛，起爆時(shí)必須撤離。經(jīng)過周密部署和嚴(yán)格施工，此次廢舊炮彈銷毀爆破作業(yè)取得圓滿成功，經(jīng)爆后檢查未發(fā)現(xiàn)炮彈碎片，說明被覆炸藥將炮彈進(jìn)行了粉碎性破壞，徹底消除了安全隱患，根據(jù)現(xiàn)場視頻監(jiān)控畫面分析可知：銷毀爆炸起爆后形成黑色的蘑菇云，歷時(shí)3.22 s，高度大概為50 m，見圖3，之后爆破激起的煙塵繼續(xù)向上空擴(kuò)散，到達(dá)礦坑上部時(shí)，很快隨風(fēng)吹散，爆破個(gè)別飛石主要為爆炸坑口附近的小石塊，大部分散落在距爆源77 m范圍內(nèi)，根據(jù)石塊在空中滯留的時(shí)間，可估算飛石的高度約為45 m，此次銷毀爆破作業(yè)未對(duì)坑外環(huán)境造成不利影響。

圖 3 廢舊炮彈銷毀爆破效果Fig. 3 Blasting effect of waste shells destruction

2 銷毀爆破振動(dòng)特性分析

2.1 爆破振動(dòng)測試

為分析淺埋深類似地面接觸爆破的振動(dòng)傳播規(guī)律和振動(dòng)時(shí)頻特性，為類似工程爆破振動(dòng)安全校核和振動(dòng)影響評(píng)估提供參考，在爆破施工過程中，距爆源不同距離(37 m、52 m、69 m、104 m、130 m)處布置5臺(tái)爆破測振儀，監(jiān)測該測線方向爆破振動(dòng)三個(gè)分量的爆破振動(dòng)特征信息，測振儀選用中科測控TC-4850型爆破測振儀，采樣頻率為4000 Hz，采樣時(shí)長為2 s，觸發(fā)方式為內(nèi)觸發(fā)，傳感器的安裝盡量選在地面裸露巖石上，并清除表面浮土和雜物，確保石膏硬化進(jìn)行牢固連接，爆破振動(dòng)測點(diǎn)布置如圖4所示，通過振動(dòng)監(jiān)測，得到地面5個(gè)測點(diǎn)徑向、切向、垂向三個(gè)方向的振動(dòng)測試數(shù)據(jù)。

2.2 地震波傳播與衰減

根據(jù)互相關(guān)函數(shù)的定義和性質(zhì)，對(duì)不同距離測點(diǎn)的振動(dòng)測試數(shù)據(jù)采用互相關(guān)分析的方法可計(jì)算出地震波在介質(zhì)中的傳播速度[8]。測點(diǎn)1和測點(diǎn)4相距67 m，采用MATLAB程序?qū)ζ浯瓜蛘駝?dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，得到兩列信號(hào)的歸一化相關(guān)系數(shù)隨偏移量的變化曲線，如圖5所示，在m=-337處，兩列振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到峰值，對(duì)于4000 Hz的采樣頻率，對(duì)應(yīng)的偏移時(shí)間為84.25 ms，爆破地震波在兩測點(diǎn)間的傳播速度為795 m/s，同樣方法對(duì)徑向和切向的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，得到傳播速度分別為748 m/s和776 m/s，因此地震波的平均傳播速度為773 m/s，與文獻(xiàn)[9]中砂型覆土層場地實(shí)測的縱波波速為600 m/s大致相同，驗(yàn)證了此方法的可行性。這表明銷毀爆破振動(dòng)能量主要以瑞利波的形式沿地面?zhèn)鞑?，地震波的傳播特性與覆蓋層的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。

圖 4 爆破振動(dòng)測點(diǎn)布置Fig. 4 Layout of blasting vibration measuring points

圖 5 兩個(gè)相距67 m測點(diǎn)的互相關(guān)函數(shù)Fig. 5 Cross correlation function of two measuring points 67 m apart

對(duì)監(jiān)測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振速峰值進(jìn)行回歸擬合，得到徑向(X方向)、切向(Y方向)、垂向(Z方向)三個(gè)方向的比例距離公式，見圖6。分析可知，X方向的質(zhì)點(diǎn)振速峰值大于其他兩個(gè)方向，且X方向的振動(dòng)衰減較慢，和地下鉆孔爆破相比，銷毀爆破的K、α明顯偏小，究其原因，由于銷毀爆破作業(yè)抵抗線較小，近似于地面裸露爆破，爆破夾制作用弱得多工作，因此K明顯偏??；銷毀場地上覆一層夾雜礦石的土層，銷毀爆破產(chǎn)生的爆炸能量大部分轉(zhuǎn)化成空氣沖擊波，一小部分形成地震波沿地層表面以面波的形式傳播，面波頻率低，傳播距離遠(yuǎn)，因此K值也偏小。由此可見，銷毀爆破在進(jìn)行爆破振動(dòng)安全校核時(shí)，直接套用規(guī)程中的K值是有待商榷的[10]，在對(duì)振動(dòng)控制有嚴(yán)格要求的銷毀作業(yè)場地，銷毀爆破實(shí)施前宜進(jìn)行爆破試驗(yàn)確定場地條件的衰減系數(shù)。

圖 6 爆破振動(dòng)三分量衰減曲線Fig. 6 Three component attenuation curve of blasting vibration

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)，爆破振動(dòng)安全允許距離按下式計(jì)算[11]

式中：v為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，取1.5 cm/s；R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；Q為最大單段藥量，取216 kg；K、α為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

根據(jù)數(shù)據(jù)擬合回歸出三個(gè)方向的K、α計(jì)算爆破振動(dòng)安全允許距離分別為55 m、63 m、47 m，本次銷毀工作的安全距離完全滿足要求。

2.3 爆破振動(dòng)時(shí)頻特性分析

HHT法是一種具有自適應(yīng)性的時(shí)頻局域化分析方法[12,13]，適合處理爆破振動(dòng)這種非平穩(wěn)隨機(jī)時(shí)變信號(hào)，它包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)和Hilbert變換兩部分，振動(dòng)信號(hào)經(jīng)EMD分解后，每一個(gè)IMF分量都具有不同的時(shí)間特征尺度，體現(xiàn)了EMD方法的多分辨率特性。對(duì)測點(diǎn)1的垂向振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行EMD分解，得到imf1～imf8和residue共9個(gè)分量，分量imf1表現(xiàn)高頻隨機(jī)噪聲，residue為信號(hào)本身微弱的趨勢或儀器的“漂零”，將這兩項(xiàng)分量去除后，再把其他分量進(jìn)行組合得到消噪后的振動(dòng)信號(hào)及噪聲干擾信號(hào)，見圖7，由于銷毀爆破埋深淺，空氣沖擊波和噪聲等信號(hào)干擾因素嚴(yán)重，導(dǎo)致原始信號(hào)中不可避免地存在突峰畸變信號(hào)和儀器本身存在的趨勢項(xiàng)，結(jié)果表明基于EMD方法的帶通濾波具有良好的消噪效果，為后續(xù)振動(dòng)信號(hào)處理分析奠定了基礎(chǔ)。

圖 7 基于EMD分解法的波形消噪Fig. 7 Waveform denoising based on EMD decomposition

對(duì)測點(diǎn)1垂向爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行EMD分解，由于imf2分量振動(dòng)速度較大，振幅變化明顯，對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)的貢獻(xiàn)最大，對(duì)其進(jìn)行Hilbert變換，并提取其包絡(luò)曲線，見圖8，分析可知，由于坑間5 ms延時(shí)極短，難以識(shí)別出每個(gè)爆炸坑起爆引起的波峰突變，但包絡(luò)圖中存在3個(gè)極值點(diǎn)的現(xiàn)象可以說明短延時(shí)爆破振動(dòng)信號(hào)仍存在著干擾疊加，起到了一定的降振效果，在礦坑高邊坡坡頂布置的振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)顯示振速峰值為0.13 cm/s，確保了巖石高邊坡的穩(wěn)定性。

圖 8 imf2分量的包絡(luò)Fig. 8 Envelope of imf2 component

根據(jù)HHT變換的原理，編制MATLAB程序得到測點(diǎn)1垂向振動(dòng)信號(hào)的Hilbert三維能量譜和不同距離測點(diǎn)(測點(diǎn)1、3、5)的Hilbert邊際譜，見圖9和圖10。三維能量譜直觀地顯示了振動(dòng)的時(shí)間-頻率-能量輔助的分布特征，圖中顏色的暖冷表示能量的大小，顏色越暖(偏紅)能量越大，顏色越冷(偏藍(lán))能量越小。由圖9可知，能量主要集中在5～30 Hz頻段和0～0.4 s時(shí)段，結(jié)合爆破延時(shí)可以控制每個(gè)時(shí)刻能量的輸出大小。

圖 9 Hilbert三維能量譜Fig. 9 Hilbert three-dimensional energy spectrum

圖 10 不同距離測點(diǎn)Hilbert邊際譜Fig. 10 Hilbert marginal spectrum of different distance measuring points

邊際譜是Hilbert譜對(duì)時(shí)間的積分，它直觀反映了能量隨頻率的變化情況，由圖9中不同距離振動(dòng)信號(hào)的邊際譜可以得到：相比于地下爆炸地震波的頻譜特征，淺埋深爆破條件下的頻率范圍相對(duì)較窄，主要分布在4～20 Hz，優(yōu)勢頻段則為7.38～14.28 Hz；測點(diǎn)1邊際譜中存在一個(gè)幅值很高但分布較窄的階躍振動(dòng)分量，該振動(dòng)分量隨距離增加迅速衰減，并在69 m(測點(diǎn)3)以后基本消失，出現(xiàn)這種頻率分布特征的基本原因在于距離較近時(shí)爆破沖擊波的壓力較大，它所引起的振動(dòng)和地震波在傳播過程中疊加干擾，使振動(dòng)速度的頻譜出現(xiàn)較尖銳的峰值；如果將優(yōu)勢頻段的中心點(diǎn)作為主振頻率，那么隨著距離的增加，主振頻率呈現(xiàn)出逐漸減小的微弱趨勢。

3 結(jié)論

廢舊炮彈的處置銷毀是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、危險(xiǎn)性極大的工作，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)、周密部署，北京市公安機(jī)關(guān)成功銷毀收繳的198枚廢舊炮彈，取得了預(yù)期目標(biāo)，并對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)廢舊炮彈的甄別尤為重要，是采用爆炸法銷毀的前提，廢棄的礦坑是廢舊炮彈銷毀的理想場地，基本可以將爆破有害效應(yīng)限制在礦坑內(nèi)。由于礦坑臨建道路崎嶇陡峭，廢舊炮彈的下坑運(yùn)輸是關(guān)鍵的一環(huán)，對(duì)廢舊炮彈的擺放位置和車輛的動(dòng)力性能進(jìn)行實(shí)地演練是非常有必要的。

(2)廢舊炮彈裝坑時(shí)，把炸藥量大和威力大的彈頭均勻布置于每個(gè)爆炸坑的上層，裝藥量小的彈頭分布在坑周圍，確保銷毀炸藥整齊密實(shí)地覆蓋所有炮彈。采用電子雷管短延時(shí)逐坑起爆的方式，可達(dá)到殉爆和降振的目的。

(3)銷毀爆破與地下鉆孔爆破的振動(dòng)效應(yīng)明顯不同，銷毀爆破產(chǎn)生的地震波具有傳播速度小、衰減慢、頻率低的特點(diǎn)，其爆破條件近似于裸露爆破，振動(dòng)衰減系數(shù)K、α值偏小。按照規(guī)程中的經(jīng)驗(yàn)K、α值進(jìn)行爆破振動(dòng)安全校核時(shí)有失偏頗，條件允許的情況下，盡量通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定衰減系數(shù)。

(4)基于HHT法的振動(dòng)時(shí)頻特性分析表明，淺埋深爆破條件下的頻率范圍主要分布在4～20 Hz低頻段，主振頻率隨著距離的增加有微弱減小的趨勢，由于空氣沖擊波作用，近爆區(qū)測點(diǎn)的振動(dòng)波形的振幅和頻率都有突變的現(xiàn)象，振動(dòng)信號(hào)分析時(shí)應(yīng)采取必要的消噪濾波措施。