譚 銘

（武鋼資源集團(tuán)烏龍泉礦業(yè)有限公司，湖北 武漢 430213）

0 引 言

爆破施工在帶來(lái)極大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也伴隨著一系列危害效應(yīng)[1]，如爆破振動(dòng)、飛石、粉塵、有毒氣體等，其中，爆破振動(dòng)被認(rèn)為是工程爆破中最為常見(jiàn)的危害，嚴(yán)重時(shí)可造成周?chē)ǎ?gòu)）筑物結(jié)構(gòu)破壞，極大地制約了礦山的安全生產(chǎn)。因此，深入研究爆破地震波能量衰減規(guī)律，對(duì)于更好地控制爆破振動(dòng)具有重要意義。

爆破地震波的傳播及其能量衰減過(guò)程受巖石性質(zhì)、炸藥性能、爆破方式等多種因素的影響，這就導(dǎo)致了爆破振動(dòng)產(chǎn)生危害的隨機(jī)性大大增加[2]。近年來(lái)，眾多專(zhuān)家學(xué)者從不同角度研究爆破振動(dòng)的影響因素及控制爆破振動(dòng)的手段和方法[3-7]。張西良等[8]開(kāi)展了爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探究了高程因素對(duì)爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的影響，研究結(jié)果表明高程差的存在增大了爆破振動(dòng)危害，基于此提出了考慮高程放大效應(yīng)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(duì)三種不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破能量傳遞進(jìn)行了理論分析，結(jié)果表明以水作為不耦合介質(zhì)可以有效降低爆破振動(dòng)能量。高啟棟等[10]對(duì)不同起爆位置下爆破振動(dòng)場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行了比較分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，表明底部起爆時(shí)所引起的爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度最大，且隨著孔深的增大，爆破振動(dòng)差異性也不斷增大。

同時(shí)，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(dòng)。一般認(rèn)為，炸藥與巖石波阻抗相匹配時(shí)，炸藥傳遞給巖石的能量最多，巖石破碎效果較好[11]。楊仁樹(shù)等[12]開(kāi)展了三種炸藥類(lèi)型的模型試驗(yàn)，對(duì)試樣表面裂紋擴(kuò)展及塊度分布特征進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了炸藥與巖石能量匹配預(yù)測(cè)模型，工程應(yīng)用結(jié)果顯示，通過(guò)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?jiān)甑萚14-15]運(yùn)用LSDYNA 非線(xiàn)性動(dòng)力分析軟件對(duì)混裝乳化炸藥和混裝銨油炸藥兩種炸藥及石灰?guī)r和花崗巖兩種工況條件下的臺(tái)階爆破進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，論證了炸藥性能及巖性對(duì)爆破振動(dòng)傳播與衰減規(guī)律有較大影響，為現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)控制提供了有效的理論依據(jù)。

目前，眾多學(xué)者對(duì)炸藥巖石合理匹配相關(guān)研究已取得了一定的成果，但針對(duì)炸藥性能對(duì)爆破地震波傳播及能量衰減規(guī)律的影響研究鮮有涉及，而當(dāng)前炸藥混裝車(chē)的普遍應(yīng)用，使得探究炸藥性能對(duì)爆破振動(dòng)的影響以期選擇更合適的炸藥來(lái)降低爆破振動(dòng)成為可能。因此，本文通過(guò)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(guī)律，從爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度及爆破地震波能量?jī)煞矫孢M(jìn)行對(duì)比分析，探討炸藥性能對(duì)爆破振動(dòng)傳播與衰減規(guī)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(dòng)監(jiān)測(cè)

1.1 爆破參數(shù)

為了更好地闡明炸藥性能對(duì)爆破振動(dòng)的影響，在某露天礦對(duì)巖石粉狀乳化炸藥、改性銨油炸藥兩種炸藥類(lèi)型下的生產(chǎn)爆破進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)巖石類(lèi)型為石灰石，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣、室內(nèi)試驗(yàn)，巖石波阻抗及炸藥波阻抗參數(shù)見(jiàn)表1。兩次生產(chǎn)爆破孔網(wǎng)參數(shù)相同，孔距為3.6 m，排距為2.7 m，孔深為12 m，堵塞長(zhǎng)度為4 m，炮孔直徑為115 mm，采用連續(xù)耦合裝藥，起爆方式為數(shù)碼雷管逐孔起爆，延期時(shí)間為15 ms?，F(xiàn)場(chǎng)裝藥參數(shù)見(jiàn)表2。

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

表2 裝藥參數(shù)Table 2 Charge parameters

1.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

結(jié)合礦山實(shí)際，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》相關(guān)要求，在距爆破場(chǎng)地120 m 距離內(nèi)合適位置處布置爆破振動(dòng)測(cè)試儀，每次試驗(yàn)爆破中由爆破自由面從前往后布設(shè)5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，為預(yù)防飛石的影響，將第一個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在距爆源30 m 之外的合適位置，巖石粉狀乳化炸藥試驗(yàn)傳感器測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖1 所示。將所有傳感器安裝在一條直線(xiàn)上，并保持X方向均指向爆心，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖2 所示。

圖1 試驗(yàn)1-1 傳感器測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.1 Layout schematic of test 1-1 sensor measurement point

圖2 爆破振動(dòng)測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)安裝Fig.2 Blasting vibration tester installed on site

本次試驗(yàn)爆破振動(dòng)信號(hào)采集所用儀器為中科測(cè)控TC-4580 爆破振動(dòng)測(cè)試儀，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，使用地插聯(lián)結(jié)振動(dòng)速度傳感器，或在堅(jiān)硬巖石地基上通過(guò)石膏粉將傳感器與巖石地基粘結(jié)。采集并記錄下兩次試驗(yàn)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)如圖3 所示。

圖3 爆破振動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)圖Fig.3 Time history graph of blasting vibration

表3 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)Table 3 Data of blasting vibration

2 爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度衰減規(guī)律

2.1 薩道夫斯基公式回歸分析

在我國(guó)的爆破工程實(shí)踐中，一般采用薩道夫斯基公式來(lái)預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度[16]，見(jiàn)式（1）。

式中：v為爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度，cm/s；K為與巖石性質(zhì)、地形條件有關(guān)的系數(shù)；Q為最大一段起爆藥量，kg；β為衰減系數(shù)。

將式（1）兩邊進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算，見(jiàn)式（2）。

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

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)2 次生產(chǎn)爆破采集的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法原理使用SPSS 軟件對(duì)薩道夫斯基公式進(jìn)行線(xiàn)性回歸擬合分析，切向、徑向、垂向及矢量和振速擬合對(duì)比分析結(jié)果如圖4 所示。由回歸擬合結(jié)果得到巖石粉狀乳化炸藥、改性銨油炸藥兩種炸藥類(lèi)型下爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度衰減系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 可知，2 次爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度衰減公式擬合相關(guān)系數(shù)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(xiàn)Fig.4 Fit curves of Sadovsky Formula regression

表4 爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of peak particle velocity of blasting vibration

2.2 結(jié)果分析

由圖4（a）～（c）可知，再結(jié)合2 次生產(chǎn)爆破振動(dòng)擬合回歸結(jié)果分析，兩種類(lèi)型炸藥水平切向的爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度高于水平徑向及垂向的爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)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(lèi)型條件下爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度均嚴(yán)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(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)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(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度在水平切向方向上的衰減系數(shù)為1.780，稍高于改性銨油炸藥條件下爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度衰減系數(shù)1.386，巖石粉狀乳化炸藥條件下在水平徑向及垂向兩個(gè)方向上的衰減系數(shù)高于改性銨油炸藥。由圖4（d）可知，兩種炸藥類(lèi)型條件下，改性銨油炸藥所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度相對(duì)較大，衰減系數(shù)相對(duì)較小，但兩者相差不大，這表明在同一巖石類(lèi)型爆破中，不同炸藥類(lèi)型爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度衰減系數(shù)近乎相同。

由此可以得出，兩種性能炸藥所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度隨爆心距的增大嚴(yán)格衰減，使用波阻抗較大的炸藥爆破生產(chǎn)所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度相對(duì)較小；爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度衰減系數(shù)與傳播介質(zhì)相關(guān)性較大，炸藥類(lèi)型對(duì)其影響較小。因此，在對(duì)爆破振動(dòng)較為敏感的區(qū)域進(jìn)行生產(chǎn)爆破時(shí)，可選擇更適合的炸藥類(lèi)型，以便更好地控制爆破振動(dòng)，提升爆破規(guī)模。

3 爆破地震波能量衰減規(guī)律

3.1 小波包分析

小波包分析可以對(duì)信號(hào)的低頻部分和高頻部分同時(shí)進(jìn)行分解，彌補(bǔ)了小波變換不能表征爆破信號(hào)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(shí)間分辨率差的缺點(diǎn)。將頻帶進(jìn)行多層次劃分，對(duì)多分辨率分析沒(méi)有細(xì)分的高頻部分進(jìn)一步分解，從而提高信號(hào)的時(shí)頻分辨率，是一種更為精細(xì)的信號(hào)分析方法[17]。

設(shè)小波包分解爆破振動(dòng)信號(hào)為x（t）。將信號(hào)x（t）投影到小波包基上，通過(guò)各個(gè)小波包系數(shù)反映爆破振動(dòng)信號(hào)的不同特征。x（t）表達(dá)式見(jiàn)式（4）。

式中，xi,j（tj）為振動(dòng)信號(hào)小波包分解到節(jié)點(diǎn)（第i層第j頻帶）上的重構(gòu)信號(hào)。

爆破振動(dòng)信號(hào)的頻率一般集中在200 Hz 以?xún)?nèi)，爆破振動(dòng)采樣頻率設(shè)置為1 kHz，根據(jù)小波包分析原理，本文采取db8 小波基、5 層小波包對(duì)各測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解。

將爆破振動(dòng)信號(hào)分解至第5 層，設(shè)x5,j所對(duì)應(yīng)的能量為E5,j，見(jiàn)式（5）。

式中：vj,m為重構(gòu)信號(hào)離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值；m為離散點(diǎn)個(gè)數(shù)，且m=1,2,···,n；n為離散點(diǎn)采樣數(shù)。

設(shè)爆破振動(dòng)總能量為Es，見(jiàn)式（6）。

3.2 爆破地震波能量回歸分析

在對(duì)爆破地震波能量傳播過(guò)程中衰減規(guī)律問(wèn)題的研究上，有關(guān)學(xué)者認(rèn)為，在一定條件下，爆破地震波能量衰減與其經(jīng)過(guò)的路程距離成正比，相關(guān)系數(shù)成為衰減系數(shù)[8]，設(shè)為λ，見(jiàn)式（7）。

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

式中，E0為一次爆破炸藥轉(zhuǎn)化為爆破地震波的初始能量。

根據(jù)式（4）～式（6），通過(guò)MATLAB 相應(yīng)的小波包分析程序，計(jì)算得出各測(cè)點(diǎn)x方向、y方向、z方向上的爆破振動(dòng)能量及爆破地震波總能量[18]，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)能量Table 5 Blasting vibration energy of each measurement point

查閱《爆破手冊(cè)》，取標(biāo)準(zhǔn)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(jù)各組試驗(yàn)爆破的總藥量求得4 次爆破的炸藥總能量。根據(jù)式（8），將表5 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合回歸分析，擬合相關(guān)系數(shù)R2分別為0.969、0.992，擬合效果較好。得到各組試驗(yàn)爆破的爆破地震波總能量衰減公式，分別見(jiàn)式（9）和式（10），求得各組爆破中炸藥轉(zhuǎn)化為爆破地震波的初始能量E0及炸藥總能量轉(zhuǎn)換成爆破地震波初始能量的百分比η，結(jié)果見(jiàn)表6。將式（8）兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，lnEs隨爆心距R 的衰減曲線(xiàn)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(jié)果Table 6 Regression fitting results of blasting seismic wave energy

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)爆破地震波能量計(jì)算結(jié)果及其擬合回歸結(jié)果可知，與爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度衰減規(guī)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(zhì)條件下，爆破地震波能量與爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度不一定成正比，且與炸藥性能有較大的相關(guān)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(shù)0.024 稍高于改性銨油炸藥條件下衰減系數(shù)0.019，這表明在同一傳播介質(zhì)下，不同炸藥類(lèi)型條件下爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度衰減系數(shù)及爆破地震波能量衰減系數(shù)均相差不大；巖石粉狀乳化炸藥條件下炸藥能量轉(zhuǎn)換成爆破振動(dòng)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(shuō)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(duì)較高，炸藥能量利用率相對(duì)較低。

4 結(jié) 論

1）炸藥性能是爆破振動(dòng)的主要影響因素之一，波阻抗較高的炸藥所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)振速相對(duì)較低，爆破地震波能量相對(duì)較高，隨著距離的增大，在爆破遠(yuǎn)區(qū)兩者均相差不大，爆破振動(dòng)影響較小。

2）爆破振動(dòng)峰值質(zhì)點(diǎn)速度及爆破地震波能量衰減系數(shù)與炸藥性能相關(guān)性較小，傳播介質(zhì)對(duì)其影響較大，同一傳播介質(zhì)下兩者衰減系數(shù)相差不大。

3）從爆破地震波能量的角度分析，性能相對(duì)較高的巖石粉狀乳化炸藥總能量轉(zhuǎn)化為爆破振動(dòng)能量的百分比相對(duì)較高，能量利用率相對(duì)較低。