装药结构对爆破震动能量传递及爆破效果影响研究

顾文彬， 王振雄， 陈江海,2， 刘建青， 陆　鸣， 徐浩铭

(1.解放军理工大学 野战工程学院,南京　210007； 2.65307部队，吉林　132002；3.武汉军械士官学校，武汉　430075； 4.96172部队，江西 景德镇　333000)



装药结构对爆破震动能量传递及爆破效果影响研究

顾文彬1， 王振雄1， 陈江海1,2， 刘建青1， 陆鸣3， 徐浩铭4

(1.解放军理工大学 野战工程学院,南京210007； 2.65307部队，吉林132002；3.武汉军械士官学校，武汉430075； 4.96172部队，江西 景德镇333000)

摘要：由于装药结构作为爆破设计的重要参数，对爆破影响不可忽视，由阻抗匹配角度对3种不同装药(耦合、空气不耦合及水不耦合)结构爆破能量传递进行理论分析，获得能量传递与装药结构关系，即不耦合装药时存在合理的不耦合系数使爆破能量高效传递给岩石。通过具体爆破开挖工程对爆破震动进行测试及能量传递公式验证，结果表明，以水作为不耦合介质的不耦合装药能有效降低爆破震动能量，减小爆破粉尘危害，且使块度更均匀。

关键词：装药结构；能量传递；爆破震动；理论分析；试验研究

钻孔爆破为岩土工程中应用较广的破岩方法。爆破效果好坏直接影响工程效率及收益。影响岩土爆破效果的参数主要集中于岩石、炸药特性及爆破参数等，多达20余种[1-8]。爆破环境、炸药确定时，装药结构影响尤其重要。关于装药结构对爆炸能量及效果影响，试验、数值模拟已有大量研究，且主要针对装药结构对爆破效果及近区震动影响。实际工程中，施工环境不同装药结构亦不同。而关于不同装药结构的能量传递、爆破效果分析及远区震动携带能量研究较少。

本文由阻抗匹配角度对不同装药结构能量传递进行理论分析，结合具体爆破工程，对不同装药结构对爆破效果影响及震动远区震动效应进行试验研究，对理论推导公式进行验证，旨在得出不同装药结构对爆破远区的震动能量的影响规律，为爆破震动危害防护及装药结构参数设计提供参考。

1理论分析

炸药爆炸时，据分离冲击波及气体膨胀作用的破碎理论研究[9]，爆破能量分布中冲击波占10%～ 20%，爆生气体膨胀占50%～60%，其余则损失掉。对高阻抗岩石，冲击波能量起主要作用。炸药爆轰产物与岩石在界面处保持一致，由连续条件及牛顿第三定律知，界面两侧反透射后质点速度与应力相等。据波阵面动量守恒得方程组[10]为

vI+vR=vT

(1)

σI+σR=σT

(2)

(3)

式中：v为质点速度；σ为质点应力；下标I，R，T为入射、反射、透射扰动有关量；ρbCb，ρyCy为炸药爆轰产物及岩石阻抗，且定义阻抗比n=(ρbCb)/(ρyCy)。

联立方程组可得透射系数T=2/(1+n)、反射系数F=(1-n)/(1+n)。由此可知，反透射系数与介质波阻抗有关，两者大小取决于两种介质阻抗比，当n=1时两者阻抗相等，反射系数为0，透射系数为1，可认为爆轰产物透射到岩石中的能量最多。由于不同装药结构对冲击波能量传播影响不同，因此由阻抗匹配角度对3种不同装药结构进行理论分析。

1.1耦合装药

耦合装药指炸药填满炮孔，炸药与炮孔直接接触。炸药爆炸时，爆轰气体及爆炸产物直接作用于岩石，并通过岩石传递爆炸能量。据爆轰理论[11]，爆轰产物速度与密度分别为

(4)

(5)

式中：ρz，Dz为炸药初始密度及爆速；ρb，Db为爆轰产物初始密度及爆速；γ为绝热指数。

据式(4)、(5)，爆轰产物波阻抗与炸药波阻抗满足ρbCb=ρzDz，爆轰产物波阻抗与岩石阻抗满足ρbCb=ρyCy时ρyCy=ρzDz，阻抗比为1，透射系数为1，此时爆炸能量传入岩石中能量最多。虽阻抗匹配一般不易满足，但据阻抗匹配理论，当岩石阻抗较高时，采用高阻抗炸药更利于爆炸能量传递。

1.2空气不耦合装药

装药结构填充介质为空气不耦合装药时，由于炮孔与岩石间隙中空气的存在，药柱与孔壁接触显著减少，爆轰产物先在空气垫层中传播形成空气冲击波，再作用于孔壁，其反透射更复杂。设炸药爆炸后炮孔中等熵绝热膨胀，爆轰产物充满整个炮孔，忽略空气质量，爆轰产物质量与炸药质量相等，则爆轰产物在空气中的阻抗ρkCk计算式为

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：kd为装药不耦合系数，其值为炮孔直径r0与装药直径rz比值；Pk为爆轰产物充满炮孔的压力；Pb为炸药起爆瞬间爆轰产物初始压力。

联立式(6)～式(9)，得空气不耦合装药结构中作用于岩石的爆轰产物阻抗ρkCk为

(10)

因此当ρkCk=ρyDy时，爆轰产物与岩石阻抗匹配，炮孔空气中爆轰产物传递给岩石的能量最多。结合式(10)可求得岩石阻抗与炸药阻抗关系。与耦合装药不同，存在与不耦合系数kd、绝热指数γ相关的系数。设绝热指数γ相同，因不耦合系数kd>1，随不耦合系数kd的增大ρkCk减小。由阻抗匹配角度分析，若更有效传递爆破能量，须综合考虑爆破区域岩石阻抗、炸药种类及装药不耦合系数三者之关系。岩石、炸药均确定时，若用空气不耦合装药结构，不耦合系数与炸药、岩石阻抗满足式(10)，爆破能量传递效果最好。

1.3水不耦合装药

实际工程中，由于场地及降雨影响，炮孔中存在水较普遍。采用不耦合装药爆破时，水作为不耦合填充介质炸药爆炸会在水中形成冲击波并作用于岩石，直接影响炸药爆破效果。起爆后爆轰产物膨胀压缩水，水密度及压缩的波速均发生变化。据绝热膨胀压缩过程，压缩的水密度与原始密度关系为

(11)

式中：ρs为爆轰作用的水密度；ρs0为水原始密度；ω为膨胀压缩过程中水径向压缩量。

爆生气体压力与水压力相等即达到平衡时，爆生气体压力为

(12)

据流体力学理论[12]，水在压缩过程中，压力P与体积V的关系为

(13)

式中：Cs为压缩后水声速；kw为水体积压缩模量，通常取2 100 MPa；V为水被压缩过程中所占体积；r为爆生气体膨胀半径；l为装药长度，表达式为

(14)

dV=-2πrldr

(15)

联立式(13)～式(15)得

(16)

达到平衡状态时对式(16)积分，得

(17)

由于静水压P0较Pb小的多，为计算简便，忽略P0。将式(11)代入式(17)，得

(18)

将式(12)代入式(18)，得

(19)

由流体力学理论知，压缩后水介质声速为

Cs=(kw/ρs)1/2

(20)

联立式(19)、(20)，得被压缩水的波阻抗为

(21)

由式(21)知，不耦合装药结构中介质为水时，压缩后水阻抗与炸药阻抗关系较复杂。因水的可压缩性较空气小，压缩后水密度、波速会发生变化。装药半径rc及膨胀压缩过程中水径向压缩量ω均与装药不耦合系数有关。炮孔半径确定后，装药半径rc会决定不耦合系数，不耦合系数又与径向压缩量ω呈正比。预使传递到岩石的能量最多，则ρsCs=ρyDy，在岩石、炸药确定情况下，通过调整不耦合系数可进一步提高炸药利用率。

因此，炸药阻抗与岩石阻抗直接影响爆炸能量传递。对高阻抗岩石，无论何种装药结构，采用高阻抗炸药均能更好利用爆炸能量。炸药、岩石均确定时，不耦合介质不同其系数影响亦不同，但均存在能使爆轰产物与岩石阻抗匹配、由公式得出的不耦合系数。

2试验研究

为更好验证不同装药结构传递的能量不同，本文结合镇江龙王山爆破工程，对耦合装药、不耦合系数kd=1.28的水不耦合装药及空气不耦合装药3种结构对地震波传播影响进行研究；测试分析3种装药方式在爆破远区的震动速度，对能量传递理论分析进行工程实践验证，以期为工程选取装药方式提供参考。

2.1试验简介

本试验共进行4组爆破，试验区煤灰岩属中硬岩石，据前期调查，施工区域岩石整体性良好，结构完整。空气不耦合装药进行两组试验，装药结构略不同，耦合装药、水耦合装药各进行1组。炮孔直径90 mm，不耦合装药试验中装药直径70 mm，不耦合系数均kd=1.28。4组试验装药参数见表1。

表1　试验装药参数表

群爆网络及试验现场测点布置示意图见图1、图2。采用TC-4850型爆破测振仪采集测点的震动数据。

图1 测点、爆破区位置Fig.1Schematicdiagramofmeasuringpointsandblastingarea图2 试验现场测点布置Fig.2LayoutofmeasuringintheExperimentalsite

2.2数据测试及试验分析

不同装药结构的震动速度时程曲线也不同，见图3，各组试验震动测试数据见表2～表5。

图3　不同装药结构三向震动速度时程曲线Fig.3 The timing diagram about velocity of vibration with different charge structure

第1组r=4.281r=8.561r=12.842vTmax15.1975.0666.292vLmax12.2490.0065.282vVmax25.9778.6035.104V和27.3158.8497.670公式预测6.614～25.9862.339～10.5541.273～6.230

表3　空气不耦合装药结构震速峰值(cm/s)

表4　空气不耦合装药结构震速峰值(cm/s)

表5　水不耦合装药结构震动速度峰值(cm/s)

考察实际工程中地震波传播规律影响时，通常由不同距离测点的震动速度大小体现，见图4。最常用的萨道夫斯基公式[13]为

v=kr-α

(22)

(23)

式中：v为介质质点振动速度，cm/s；R为距爆心直线距离，m；k，α为与爆炸条件、岩石特性相关系数；r为比例距离；Q为单次齐爆药量，kg。

图4　不同装药结构质点震速随比例距离变化曲线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经验公式(22)推导计算数据范围内，因此本试验所测数据较可靠。由试验数据看出，炸药爆炸引起的地震波传播时，在相同比例距离上三方向产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时刻出现。因此预测爆破震动时采用三向合速度计算较准确。

整理4组试验数据，通过线性拟合获得3种装药结构的萨道夫斯基公式见图5。式(22)中常数k，α值见表6。

图5　三种装药结构拟合曲线Fig.5 The fitting graphs of three charge structures

装药结构kαα=1.3时k值耦合 147.91.26160.7空气不耦合186.21.43148.2水不耦合 532.71.83119.1

为更好对比分析3种装药方式对爆破震动影响，设α=1.3拟合出k值，对比k值大小分析震动速度衰减规律。拟合得3种装药结构震速公式对比为

(24)

爆破震动能量表示[14]为

(25)

式中：E为爆破振动t时刻能量；Δm为质元质量；v(t)为t时刻质点震速。

由式(25)可知，特定比例距离岩石中爆破震动能量E与震动速度v2(t)呈正比，即可通过震速分析震动能量。在该地质条件下不同装药结构震速亦不同，由阻抗匹配角度，由于装药结构及不耦合介质不同，即使炸药、岩石阻抗及其它条件均相同，透射到岩石的爆炸能量也不同。炸药相同时，耦合装药传递给岩石的能量大于不耦合装药。分析测试数据所得拟合公式说明，在相同比例距离上耦合装药产生的震动速度最大，不耦合装药较小，水为不耦合介质的不耦合装药震速最小。此因耦合装药导致炸药爆破作用时间短，在岩石内传递携带瞬时能量大于不耦合装药结构，故在远区的震速亦大于不耦合装药结构。

2.3爆破效果分析

分别对3种装药结构爆破后岩石块度对比分析，见图6。由图6看出，不同装药结构爆破效果相差较大。耦合装药时，大块度岩石占比较高，孔网参数选取不合理时甚至需用凿岩机二次作业才能满足工程需求，块度大小差异较明显；相同装药量下不耦合装药结构爆破的岩石块度更均匀，大块度明显下降。以水为不耦合介质的装药结构爆破块度较以空气为介质不耦合装药结构效果好，不仅块度均匀，且岩石粉末少。此因虽耦合装药传递给岩石的能量最多，但由于其作用时间短，将能量短时间内传递给岩石致炮孔近区岩石粉碎，且粉碎区大于不耦合装药。不耦合装药能有效降低装药起爆后作用在孔壁上爆炸初始压力，由于不耦合介质作用延长爆炸产物在介质内部的作用时间，有效减小爆破对孔壁周围岩石的破碎作用，降低形成粉碎区能量，将更多冲击波能量作用于相邻孔壁岩石，爆轰产物迅速膨胀充满炮孔并以准静压力形式作用于孔壁，形成岩石中的准静态应力场，炮孔之间相互贯通，使破碎区范围增大。用水作为不耦合介质时其作用能降低爆炸初始压力，而受压水快速气化膨胀，并通过水汽释放能量, 从而延长作用时间, 增大拉应力冲量, 使能量沿炮孔分布趋于均匀。在爆轰产物作用阶段, 受压水气体将大量贮存的能量释放做功,能提高岩石的合格大块率, 并使爆破后炮孔底部不留根底。

图6　不同装药结构爆破效果图Fig.6 The effect diagram of blasting of different charge structures

相同填塞情况下，装药结构为耦合装药及空气不耦合时，爆破形成的粉尘较严重。用水作为不耦合介质时空气中形成粉尘最少，水可有效降低粉尘形成。因此，水作为不耦合介质效果较好，不仅能有效改善爆破块度，且能较大程度降低爆破粉尘。

3结论

(1) 装药结构不同，岩石、炸药阻抗匹配关系亦不同，但存在近似正比关系，即高阻抗岩石用高阻抗炸药效果更好。不耦合装药结构中不耦合介质不同其匹配关系也不同，均存在较合理的不耦合系数，使爆炸能量更好传递给岩石。

(2) 爆破震动采用三向合速度预测更准确；不耦合装药可降低爆破远区地震波产生的震动速度；耦合装药在震动远区能量最大，水不耦合装药结构远区产生的震动能量最小。

(3) 不耦合装药结构能更好保障岩石块度合格率，减少爆破能量在粉碎区做功，提高经济效益。以水为不耦合介质的不耦合装药可减少爆破粉尘污染。

参 考 文 献

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基金项目：总后基建营房部项目(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

中图分类号:TD235；TJ510

文献标志码：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 顾文彬 男，教授，博士生导师，1961年12月生