曹 祺，王林桂，馬宏昊，張中雷，陳亞建，沈兆武，王奕鑫，鄧永興

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 232006；2.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源工程系，安徽 淮南 232001；3.大昌建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 舟山 316021)

近幾年，大型水利、礦山和化工等建設(shè)工程得到快速發(fā)展，深孔爆破作為土石方開挖最常用的技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。但是，在大型建設(shè)基地，多采用流水施工，爆破作業(yè)與其他建設(shè)施工同步進(jìn)行時(shí)，爆破作業(yè)產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)會(huì)對(duì)其他在建施工產(chǎn)生一定影響，故必須采取合理技術(shù)及安全防護(hù)措施，將爆破負(fù)面效應(yīng)控制在安全允許范圍以內(nèi)。爆破振動(dòng)是露天土石方爆破工程常見的負(fù)面效應(yīng)，利用炮孔內(nèi)空氣柱減振理論和技術(shù)，可以有效地降低爆破振動(dòng)效應(yīng)。

在炮孔空氣柱裝藥中，空氣柱的作用主要有兩個(gè)方面。第一，對(duì)沖擊波有很強(qiáng)的衰減作用。根據(jù)爆轟波理論，“炸藥-空氣”界面上的爆轟波在透射進(jìn)入空氣時(shí)強(qiáng)度會(huì)迅速衰減，空氣對(duì)沖擊波的傳播衰減效果顯著，沖擊波進(jìn)入巖石內(nèi)形成彈性波引發(fā)振動(dòng)，故空氣柱減振原理實(shí)質(zhì)是沖擊波衰減作用。這樣一方面改變了炸藥爆炸能量在巖石中的分布，縮小了粉碎圈的范圍，避免部分巖石過度粉碎，提高炸藥能量利用率；另一方面由于降低了沖擊波峰值壓力，由彈性波引發(fā)的振動(dòng)也隨之減小。第二，延長(zhǎng)爆生氣體的作用時(shí)間，可以獲得更大的爆破沖量[1]。同時(shí)沖擊波在孔底和填塞方向形成反射，增強(qiáng)了途經(jīng)孔壁的破碎，改善了巖石的破碎塊度。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。張晶瑤等[2]利用底部空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)首次在平莊礦務(wù)局西露天煤礦巖石臺(tái)階進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)，取得爆破塊度均勻，不留根底，爆堆規(guī)整的爆破效果；呂淑然[3]通過對(duì)頂部、中部和底部3種不同裝藥間隔爆破振動(dòng)幅值在時(shí)域內(nèi)的比較，得出三分量振動(dòng)幅值最大者為中部空氣間隔，其次為頂部空氣間隔，最小者為孔底空氣間隔；辜大志等[4]在中鋁公司某礦采用0.8 m孔底空氣柱裝藥方法控制爆破振動(dòng)，取得較好效果，平均降振率為10.55%，同時(shí)還具一定的降低大塊率的作用；曹寄梅等[5]在炮孔底部裝填稻殼、鋸木粉等密度較小、可壓縮的柔性物質(zhì)，裝填高度為炮孔直徑的5～8倍，其減振率達(dá)到3.23%～35.19%；池恩安等[6]利用小波分析與AOK分布相結(jié)合的方法，對(duì)不同空氣柱比例的實(shí)測(cè)爆破地震波質(zhì)點(diǎn)峰值振速、主頻、主頻持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨著空氣柱比例的增加，爆破地震波質(zhì)點(diǎn)峰值振速降低、主頻降低、主頻持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)；張?jiān)甑萚7]運(yùn)用非線性動(dòng)力分析軟件LS-DYNA分別對(duì)耦合裝藥、孔底空氣柱比例分別為10%和20%的臺(tái)階爆破進(jìn)行數(shù)值模擬，得出適合該工況的最佳空氣柱比例為20%。

但國內(nèi)外學(xué)者主要研究方向主要集中在礦山和工程爆破效果上，對(duì)空氣墊層減振效果缺乏比較系統(tǒng)的應(yīng)用研究。舟山綠色石化基地建設(shè)項(xiàng)目的一次起爆藥量大，離大魚山西側(cè)綠色石化土建、安裝區(qū)域較近，對(duì)爆破振動(dòng)等負(fù)面效應(yīng)須嚴(yán)格控制，本文對(duì)該項(xiàng)目的爆破減振措施的闡述可為以后爆破施工提供參考。

1 礦區(qū)概況

舟山市岱山縣大小魚山促淤圍涂工程二期成陸工程—礦山開采爆破工程(以下簡(jiǎn)稱“二期礦山開采爆破工程”)主要是為石化基地陸域形成及圍堤工程供應(yīng)石料，同時(shí)也為石化基地提供建設(shè)用地。礦區(qū)為發(fā)育單一的火山碎屑巖，巖性為流紋質(zhì)含角礫玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，呈青灰色，塑變結(jié)構(gòu)，假流動(dòng)構(gòu)造。主要組份為塑變玻屑，其次為晶屑、角礫。二期礦山爆破開采總工程量約4 678萬m3，爆破工程共由七個(gè)開山區(qū)域組成，其中開山一、二、三、四、七區(qū)(1#～7#山體)位于大魚山島，開山五、六區(qū)位于小魚山島。采用深孔臺(tái)階爆破，臺(tái)階平均高度13 m，超深1 m，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。因此，擬在臨近綠色石化施工區(qū)需保護(hù)的建(構(gòu))筑物及重要裝置100 m范圍內(nèi)實(shí)施爆破作業(yè)時(shí)，采用底部空氣裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)。

2 空氣柱裝藥條件下爆破振動(dòng)的計(jì)算

炮孔中空氣柱裝藥是不耦合裝藥，不耦合裝藥分為徑向不耦合裝藥和軸向不耦合裝藥。兩種不耦合裝藥的作用原理一樣，即當(dāng)炸藥爆炸后，產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)炸藥周圍的空氣(不耦合介質(zhì)為空氣)緩沖后，壓力峰值降低，作用時(shí)間延長(zhǎng)，其下降幅度與正壓作用時(shí)間及空氣介質(zhì)有關(guān)。

炸藥爆轟完成后，在一次近似下可以假設(shè)CJ面后爆轟產(chǎn)物滿足膨脹規(guī)律，則壓力p和密度ρ符合理想氣體方程關(guān)系式，不過嚴(yán)格來說，等熵指數(shù)n是一個(gè)變量，因此在計(jì)算空氣中沖擊波的初始參數(shù)不能應(yīng)用。

考慮到特性函數(shù)γ(p)十分復(fù)雜，Ландау和Станюквич[8]建議，在分析爆轟產(chǎn)物向空氣膨脹過程中，可用分段的兩條絕熱線代替真實(shí)的膨脹絕熱線。

(1)

(2)

式中：γ=3;k=1.2～1.4;pH和vH為爆轟波陣面上的爆轟壓力和速度;pK與vK為共軛點(diǎn)的爆轟壓力和速度。

通過爆轟的Hugoniot方程來確定pK與vK的值。

(3)

式中：Qv為爆熱；ΔQ為共軛點(diǎn)處剩余的熱能。

(4)

假設(shè)ΔQ是純粹的熱能(ΔQ=CvTk)，當(dāng)p≤pK時(shí)爆轟產(chǎn)物的行為遵從理想氣體方程,則有

(5)

這樣可以由式(1)和式(5)構(gòu)成方程組，計(jì)算pK與vK,其中γ取3，k取1.3。

單質(zhì)炸藥的爆熱可以用蓋斯定律求得。舟山綠色石化基地深孔爆破采用2號(hào)巖石乳化炸藥，其TNT當(dāng)量為0.933[9]，則Q=4.23×0.933 MJ/kg=3.95 MJ/kg。

令pm為爆生氣體的平均爆轟壓力，pm=0.5pH；Vc為炮孔裝藥體積。由于爆轟反應(yīng)的快速性，爆轟所產(chǎn)生的氣體來不及擴(kuò)散，其體積被控制在裝藥體積Vc內(nèi)。

由于pm>pK，爆生氣體按由高壓到低壓兩階段的膨脹方式計(jì)算，則先由式(1)得

(6)

再由式(2)得

(7)

(8)

(9)

(10)

根據(jù)柱面波理論、長(zhǎng)柱狀裝藥中的子波理論以及短柱狀藥包激發(fā)的應(yīng)力波場(chǎng)Heelan解的分析，盧文波，Hustrulid W[10]對(duì)巖石爆破中質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度衰減公式做出了改進(jìn)，則有

(11)

式中：R為爆源到測(cè)點(diǎn)的距離，m；ρ為巖石密度，kg/m3；Cp為巖石縱波速度，cm/s。

結(jié)合式(10)和式(11)得

(12)

式(12)為巖石爆破中質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和不耦合系數(shù)的關(guān)系式。

3 空氣柱裝藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

為了體現(xiàn)空氣柱裝藥中空氣柱長(zhǎng)度對(duì)爆破效果的影響，將柱狀藥包在水下水平放置，壓力傳感器正對(duì)著藥包底部，這樣炸藥在水中爆炸的爆轟波先通過空氣柱的作用再傳播到藥柱和水交界面，此時(shí)爆轟波會(huì)轉(zhuǎn)化為沖擊波在水中傳播。沖擊波信號(hào)可以通過水中壓力傳感器捕捉，在固定水深和測(cè)點(diǎn)距離的情況下，測(cè)點(diǎn)處的沖擊波形和壓力時(shí)程因空氣柱長(zhǎng)度不同而變化。同時(shí)，為了避免柱狀裝藥側(cè)向爆轟波對(duì)壓力傳感器的影響，盡可能的將壓力傳感器放置在柱狀裝藥底部較近的位置，并采用小劑量裝藥保護(hù)傳感器。水中沖擊波壓力[11]隨時(shí)間近似為指數(shù)衰減，可以表示為

p(t)=pme-t/θ

(13)

式中：θ為指數(shù)衰減的時(shí)間常數(shù)，取壓力從峰值pm衰減到pm/e所需的時(shí)間間隔，s。

所以，可以通過測(cè)試系統(tǒng)獲得壓力時(shí)程計(jì)算θ值。在確定θ值后，計(jì)算出評(píng)價(jià)炸藥水下爆炸能量輸出的另外兩個(gè)重要參數(shù)：比沖量I和比沖擊波能Es，Cole[12]建議I和Es積分上限分別取5θ和6.7θ。則比沖量I的計(jì)算公式取為

(14)

Bjarnholt[13]指出測(cè)點(diǎn)在距炸藥3.5w1/3～7.0w1/3(其中w為炸藥的質(zhì)量，kg)范圍內(nèi)，長(zhǎng)徑比小于10的柱狀炸藥爆炸沖擊波可以看作球形爆炸沖擊波。所以Es計(jì)算公式為

(15)

式中：Es為比沖擊波能，J/kg；R為距裝藥中心的距離，m；ρw為水的密度，取1 000 kg/m3；cw為水中聲速，取1 460 m/s；p(t)為距裝藥中心R處沖擊波壓力隨時(shí)間變化的值，Pa；t為沖擊波在距裝藥中心為R處的作用時(shí)間，s。

最后，通過壓力測(cè)試系統(tǒng)獲得不同試樣的水下爆炸壓力時(shí)程，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲得各試樣的峰值壓力pm、時(shí)間常數(shù)θ、比沖擊波能Es等參數(shù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本次水下爆炸實(shí)驗(yàn)均在圓形鋼結(jié)構(gòu)水下爆炸容器中進(jìn)行，壁厚26 mm，高2.5 m，內(nèi)徑2 m。壓力測(cè)試儀器主要有美國PBC公司生產(chǎn)的W138A25長(zhǎng)型電氣石水下沖擊波壓力傳感器(ICP)，以及美國派克公司的DP07054型示波器和482A22型恒流源(見圖1)。

藥卷為牛皮紙卷制而成，內(nèi)徑8 mm，一端用AB膠封口，封口高度10 mm，紙卷外層涂有一層環(huán)氧樹脂做防水層(見圖2)。藥卷內(nèi)裝有φ0.7 cm×4 cm鋁殼雷管，PETN裝藥，藥高3.5 cm，裝藥量1 g，裝藥密度0.9 g/cm3，采用飛片起爆。藥卷分為3組，空氣柱長(zhǎng)度分別為0、1、2 cm。藥卷裝藥中心到傳感器的距離為700 mm，水平固定在2根鋼絞線上，水平固定裝置如圖3所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置
Fig.1 Experimental device

圖2 紙制藥卷
Fig.2 Paperroll explosive charge

圖3 水平固定裝置
Fig.3 Horizontal fixing device

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于空氣柱長(zhǎng)度不同，水下爆炸后紙質(zhì)藥卷所呈現(xiàn)出的形態(tài)也不相同(見圖4～圖5)。水下壓力傳感器測(cè)到的不同空氣柱長(zhǎng)度爆炸沖擊波壓力時(shí)程如圖6所示。

圖4 爆炸后的0 cm空氣柱藥卷
Fig.4 0 cm air column charging after explosion

圖5 爆炸后的2 cm空氣柱藥
Fig. 5 2 cm air column charging after explosion

圖6 不同長(zhǎng)度空氣柱壓力時(shí)程
Fig.6 Pressure-time of air columns with different lengths

在測(cè)試過程中，測(cè)試系統(tǒng)上方存在高壓線干擾電壓信號(hào)，使得觸發(fā)壓力值在低于20 mV的情況下，示波器易被誤觸發(fā)，導(dǎo)致1 cm空氣柱試樣只有一個(gè)數(shù)據(jù)。所以，在測(cè)量2 cm空氣柱試樣時(shí)，將觸發(fā)電壓設(shè)為25 mV，采樣率設(shè)為50 M/s，結(jié)果示波器未被觸發(fā)。各次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示，峰值壓力pm、沖量I、比沖擊波能Es與空氣柱長(zhǎng)度的關(guān)系如圖7所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各試樣的沖擊波參數(shù)

圖7 峰值壓力、沖量、比沖擊波能與空氣柱長(zhǎng)度的關(guān)系
Fig.7 Relationships between peak pressure, impulse, specific shock energy and air column length

由表1和圖7可知，隨著空氣柱長(zhǎng)度的增加，沖擊波峰值壓力逐漸降低，結(jié)合質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和不耦合系數(shù)關(guān)系式可知，沖擊波所引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度也隨之減小。同時(shí)，空氣柱的存在延長(zhǎng)了沖擊波的作用時(shí)間，其沖量和比沖擊波能均有所增加，提高了炸藥的能量利用率。其次，空氣柱長(zhǎng)度增加，雖然提高了沖擊波作用時(shí)間，但沖擊波沖量增加的趨勢(shì)降低，結(jié)合沖擊波峰值壓力降低對(duì)巖石爆破效果的影響，可以推斷在此區(qū)間，即空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)軸向不耦合系數(shù)在1.28～1.57之間時(shí)，存在一個(gè)合理的空氣柱長(zhǎng)度，使得爆破效果最優(yōu)。

4 爆破工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

舟山綠色石化二期礦山整體開采區(qū)周邊環(huán)境復(fù)雜，東側(cè)有待遷移的采石場(chǎng)臨時(shí)用房和破碎系統(tǒng)，南側(cè)有魚山客運(yùn)碼頭和浙江石化滾裝碼頭，西、北側(cè)有大量臨建設(shè)施和浙江石化安裝設(shè)備，作業(yè)人員及基礎(chǔ)設(shè)施多，爆破施工作業(yè)難度大。而且浙江石化土建安裝工程中有很多高架管廊及煉化裝置，需嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)。本次實(shí)驗(yàn)在3#山體進(jìn)行，炮孔布置如圖8所示。

圖8 炮孔布置
Fig.8 Layout of blasthole

本次實(shí)驗(yàn)臺(tái)階高度為13 m，空氣柱采用直徑90 mm的PVC管制作。炮孔直徑115 mm，孔距4 m，5個(gè)不同長(zhǎng)度空氣柱炮孔為一組，空氣柱長(zhǎng)度以180、135、90、45、0 cm遞減，孔深以17、16.5、16、15.5、15 m遞減。2#巖石乳化炸藥裝藥，藥卷直徑90 mm，84 kg/孔，炮孔填塞長(zhǎng)度均為5.5 m，孔內(nèi)2發(fā)MS10雷管，孔外MS3雷管實(shí)現(xiàn)組內(nèi)逐孔起爆。這樣形成填塞長(zhǎng)度、裝藥量相同，空氣柱長(zhǎng)度遞減的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以通過逐孔爆破清楚地看到空氣柱長(zhǎng)度對(duì)爆破振動(dòng)的影響，且只要孔間起爆間隔時(shí)間足夠長(zhǎng)，對(duì)于爆破振動(dòng)來說，炮孔間相互的影響可以忽略不計(jì)，每個(gè)炮孔都可以看成獨(dú)立起爆。

測(cè)點(diǎn)布置在臺(tái)階下部，采用TC-4850和TC-3850測(cè)振儀，以每組爆區(qū)的幾何中心作為爆源中心，徑向成直線排列選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，并盡量保持在同一水平內(nèi)，其中A、B、C測(cè)點(diǎn)使用的是TC4850測(cè)振儀，E、F測(cè)量使用的是TC3850測(cè)量測(cè)振儀。逐孔起爆不同長(zhǎng)度空氣柱峰值振動(dòng)速度如表2所示。

表2 逐孔起爆不同長(zhǎng)度空氣柱的峰值振動(dòng)速度

由于地形條件及振測(cè)儀安裝牢固程度影響，部分?jǐn)?shù)據(jù)呈現(xiàn)的規(guī)律性不是特別明顯。這里選取E點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析(見圖9)，隨著空氣柱的減小，爆破振動(dòng)的速度相應(yīng)增加。底部空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)有效的降低爆破引起的振動(dòng)，且爆破效果良好，根底、大塊率無明顯改變。

圖9 逐孔起爆質(zhì)點(diǎn)垂直方向的振動(dòng)趨勢(shì)(E點(diǎn))
Fig.9 Particle vertical vibration trend of hole-by-hole initiation (Point E)

5 結(jié)語

針對(duì)大型露天礦山爆破工程，采用底部空氣柱裝藥技術(shù)降低爆破振動(dòng)，通過公式推導(dǎo)，得到巖石爆破中質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和不耦合系數(shù)的關(guān)系式。研究表明，隨空氣柱長(zhǎng)度增加，沖擊波峰值壓力降低，有效降低爆破振動(dòng)，為類似大型露天爆破工程減振施工提供借鑒。