1、爆破震动危害中几个重要因素分析李的林 高振儒 朱立新(中国人民解放军工程兵工程学院 , 南京 210007)摘 要 介绍了延时间隔时间对爆破震动强度和爆破震动频率的影响规律以及爆破震动持续时间的危害作用 ,给出了合理的微差间隔时间选取原则 ,并提出了几点建议。关键词 延时间隔 爆破地震 爆破危害ANALYSIS ON SEVERAL PRINCIPAL FACTORSOF BLASTING VIBRATION HAZARDSL i Delin Gao Zhenru Zhu L ixin( Engineering Instit ute , Engineering Corps , PL A , N
2、 anjing 210007)ABSTRACT A regularity of influence of delay interval time on the intensity and frequency ofblasting vibration is introduced , the harmful role of lasting time of blasting vibration discussed andselection principle of rational short2delay blasting interval time and some suggestions are
3、 given inthis paper.KEY WORDS Delay interval Blasting vibration Blasting hazard爆破震动的破坏作用是爆破公害中最重要的问题之一。在爆区一定范围内 ,当爆破引起的震动达到一定强度时就会造成各种破坏现象 ,如建筑物的震裂、边坡的滑塌等 ,给社会带来生命与财产的重大损失 ,所以对爆破震动的研究一直是人们所关注的重要课题。1 爆破震动危害中的重要因素爆破地震危害重要因素一般包括震动强度、震动频率、震动持续时间等 ,但究竟哪一种物理量是最佳判据 ,可以按下列几条标准来选择 :(1)是决定爆破震动破坏力的主要因素 ;(2)与药量
4、和爆心距应有较好的相关性 ;(3)能用简单的仪器来测定。据此标准 ,目前国内外有的对爆破地震强度采用震动加速度 ,而冶金、煤炭、铁道和水利部门多用震动速度作为衡量爆破地震强度的标志 ,因此本文也采用后者。2 爆破震动强度的计算公式大量实测表明 ,爆破震动强度与炸药量、爆心距、介质情况、地形条件和爆破方法等因素有李的林 : 地爆教研室硕士研究生。第 5 卷 第 3 期1 9 9 9 年 9 月 工程爆破EN GINEERIN G BLASTIN G Vol. 5 , No. 3September 1999关 ,它由三个互相垂直的分量组成 ,通常采用其中最大值作为判定标准。由于爆区附近垂直震动比较
5、明显 ,因此目前国内外一般采用质点垂直震动速度作为判定标准 ,其计算大多使用工程爆破实测数据所推导的经验公式。常见的计算公式有 :(1)萨道夫斯基公式 : v = k ( 3 Q / R)式中 : v 为介质质点的震动速度 ,cm/ s ; R 为爆心距 ,m ; k 和 是与爆破条件、岩石特性等有关的系数 ,介质为岩石时 k = 30 70 ,介质为土时 k = 150 250 , = 1 2 ; Q 为炸药量 (kg) ,齐发爆破时取总装药量 ,分段起爆时取最大一段的装药量。考虑抛掷爆破时震动速度计算公式为 : v = k3f ( n)Q1/ 3R式中 : f ( n) 为爆破作用指数 n
6、 的函数 ,根据鲍列斯科夫的建议 , f ( n) = 014 + 016 n3 。计算震速时 ,关键是确定 k 和 值 ,因其变化范围较大 ,不易选准 ,一般通过实验确定。(2)美国矿业局的经验公式 : v = k ( 3 Q / R) ( k、 值由实验确定 )(3)日本常用公式 : v = CQ0175/ R2式中 : C 为与爆破条件有关的系数 ,露天爆破时 C = 100 ;隧道爆破时 C = 300。3 延时间隔时间对震动强度的影响普遍认为工程爆破中 ,微差间隔时间对矿岩的破碎质量、爆堆形状等有着明显的影响 ,然而对于延迟间隔时间对爆破震动的影响 ,还有不同认识。前苏联塞尔捷依伍克
7、在研究克里沃罗格露天矿的震动效应时指出 ,决定微差爆破震动强度的主要参数是分段装药量及延迟间隔时间 t ,只有当延迟间隔时间 t 为某一定值时 ,震动强度才最小 , t 偏离这一最佳值时 ,震动强度便增大 ,实际上这一最佳值就是合理间隔时间。美国矿业局在采石场 实验 9、 17 和34ms 爆破间隔时间对震动强度影响时指出 ,对于质点速度的截距方差分析表明 ,没有因延迟间隔时间不同而有重大差别 ,因此可以断定每段只使用一个孔的毫秒延迟爆破的震动强度 ,不受延迟间隔时间影响。我们假定近似认为装药量和微差间隔时间是影响微差爆破地震动的主要变量 ,从时域进行傅立叶理论分析。对于 n 段的多段微差爆破
8、 ,令 S ( t) 为总的质点振动 ,即为各延迟段质点振动 S j ( t) 在相位延迟后的形式总和 ,则有 :S ( t) = n - 1j = 0S j ( t - Tj) ( Tj 为各段间的微差间隔时间 ,ms)设各段独立起爆 ,则各自的振动函数 S j ( t) 具有相似性 ,与爆源源函数只差一个药量影响系数 aj ,即 S j ( t) = aj S j ( t - Tj)式中 , S j ( t - Tj) 为各段爆源在时域的震动源函数 ,则有 : S ( t) = n - 1j = 0aj S j ( t - Tj)上式说明 ,微差爆破的震动是由各段爆源产生的震动叠加而成 ,
9、若各段炸药种类和装药量相同 ,则可近似认为 aj = 1 ,这样可认为各段爆破产生的地震波具有相似性。则与总的震动S ( t) 密切相关的就是各段起爆之间的微差时间 Tj ,因此上式可简化为 :S ( t) = n - 1j = 0S p ( t - Tj) 式中的 S p ( t - Tj) 通过实测确定我们对某核电站的实测波形分析表明 :在毫秒延迟微差爆破中 ,随着爆破规模的增大 ,延迟间隔也需要增长 ,毫秒延迟爆破引起的震动比齐发爆破具有幅值小、频率高、持续时间短等56李的林等 : 爆破震动危害中的几个重要因素分析特点 ;如果两个波形互相叠加 ,其相位时差为 015 T 时 ,叠加后的幅
10、值最小 ,当相位差为 T 时 ,则叠加后的幅值最大 ,理论和实测基本一致。4 爆破地震波频率及延迟间隔时间对震动频率的影响411 爆破地震波频率实测表明 ,爆破地震波频率与距离的关系有 :在爆点附近 ,地震波频率随距离增加而增加 ,达到极大值 f max 后又下降 ,一直到 r (4 6) r0 时 ,频率才下降到其稳定值 f c ,以后大体保持不变 ,且有 f max = (3 5) f c 。另外 ,地震波的频率与药量有关。主频率是最大振幅所对应的频率 ,爆破震动的主频率范围一般在 015 200Hz。412 延迟间隔时间对震动频率的影响在评判爆破震动的危害时 ,除考虑爆破震动强度作为判据
11、外 ,爆破震动频率也是一个不容忽视的重要因素。如果爆破产生的地震频率与附近建筑物自振频率接近一致 ,则很可能引起结构物剧烈振动 ,甚至导致破坏。通过对地震波形研究不难发现 ,齐发爆破的震动频率较小 ,而微差爆破的震动频率较高。高频地震波振幅小 ,在传播中衰减快 ,为了更好地说明以上原因 ,现通过傅立叶分析进行论述。首先令 S j ( f ) 为单个延迟段爆破震动信号的频谱 ,它是该段药量和炸药品种的函数 ,再令A j ( f ) 和 j ( f ) 为相应的幅值谱和相位谱 ,则有 :S j ( f ) = A j ( f ) ei j ( f ) ( f 为震动频率 )对于具有 n 个延迟段的
12、微差爆破来说 ,其总的频谱 S T ( f ) 即为各个延迟段频谱 S j ( f ) 在相位延迟后的形式总和 ,即S T ( f ) = n - 1j = 0A j ( f ) ei j ( f ) e - 2 i dj f式中 : dj 是第 j 个延迟段的起爆时间 ,令 j ( f ) = j ( f ) - 2 dj f则有 : S T ( f ) = nj = 1A j ( f ) cos j ( f ) + i nj = 1A j ( f ) sin j ( f )相应的总幅值谱 A T ( f ) 可表示为 :A T ( f ) = nj = 1A j ( f ) cos j (
13、 f ) 2 + nj = 1A j ( f ) sin j ( f ) 212 (1)若各段药包独立起爆 ,则各自的频率相似 ,只差一个恒定的比例系数 aj ,从而得 :S j ( f ) = ajS ( f ) = ajA ( f ) e i ( f ) (2)称 aj 为药包影响系数 , S ( f ) 为爆破源函数。将 (2)代入 (1)得 : A T ( f ) = A ( f ) nj = 1ajcos2 djf 2 + nj = 1ajsin2 djf 212 (3)若每个延迟段药量相等 ,各段延迟时间也相同 ,则具有 n 个延迟段的爆破震动幅值谱为 :A T ( f ) = A
14、 ( f ) sin ndfsin df (4)从以上公式得出 :为减少受震结构的振动量 ,延迟间隔时间 d 应选为在 n/ d 时受震结构不会产生共震 ,因此通过频谱分析获得的爆破震动特性 ,选择合理的微差间隔时间可有效地控制爆破震动的主频率。66 工 程 爆 破5 爆破地震波振动持续时间及其危害作用如果把测点从开始振动到地震波振幅减小到其最大值的 1/ 3 时刻为止的这一段时间作为相对的振动持续时间 ,用前苏联学者得出的结果 ,即 与药量的依赖关系不明显 ,与距离 r的关系近似满足以下经验公式 :lg = - 116 + lg ( r/ 1000) (其中 以 s 计 , r 以 m 计
15、)爆破震动持续时间的危害作用主要表现在结构反应进入非线性之后 ,而反应谱的显著缺点是它没有明确表示震动持续时间 ,只考虑了线性反应中持续时间的影响。震动持续时间的主要影响在于结构反应一旦超过弹性极限后可能发生强度丧失 ,主要表现在以下几点 : 对于线性体系 ,强震持续时间的增加将使地震动与结构反应出现较大值的概率明显提高 ; 对于无退化的非线性体系 ,震动持续时间长使结构出现较大永久变形的概率提高 ; 震动持续时间长的地震动的破坏能力大 ,实验表明 ,震动持续时间从 1s 变为 50s ,破坏能力平均增大 40 倍。6 结 论(1)上分析表明 ,反映爆破震动的各物理量与炸药量、爆心距、岩石性质
16、及场地条件等因素有密切关系。虽然各国实验条件不相同 ,但经验公式形式相同 ,只是待定系数不同。(2)毫秒延迟间隔时间对震动强度有影响 ,当延迟间隔时间等于传播介质的震动周期 T时 ,震动强度最大 ,其大小接近甚至超过总药量计算的齐发爆破引起的震动强度 ;当延迟间隔时间接近 015 T 或 115 T 时 ,震动强度较小。同时 ,震动强度小的延迟间隔时间长短 ,不但与爆破的岩石物理性质有关 ,而且随爆破规模的增大而增大。(3)毫秒延迟间隔时间对震动频率有影响 ,为减少受震结构的震动量 ,延迟间隔时间 d 应选为在 n/ d 时受震结构不会产生共震。因此 ,通过频谱分析获得的爆破震动特性 ,选择合
17、理的微差间隔时间 ,可有效地控制爆破震动的主频率。(4)爆破震动持续时间对结构的破坏不容忽视 ,震动持续时间越长危害越大 ,故应尽量减少爆破震动的持续时间。参 考 文 献1 张雪亮 ,黄树棠 . 爆破地震效应 . 北京 : 地震出版社 , 19812 黄吉顺 ,将志光 . 爆破震动工程特性及其安全技术措施 . 工程爆破文集 (第六辑 ) . 深圳 :海天出版社 ,19973 将进军 . 地下爆源引起的表面震动 . 爆破 , 1993 , (2)4 孟吉复 ,惠鸿斌 . 爆破测试技术 . 北京 : 冶金工业出版社 , 19925 亨利奇 J . 爆炸动力学及其应用 . 北京 : 科学出版社 ,
18、19876 应怀樵 . 波形和频谱分析与随机数据处理 . 北京 : 中国铁道出版社 , 19837 何震业 . 数字信号处理的理论与应用 . 北京 : 人民邮电出版社 , 19838 Hudson D E. Response Spectrum Techniques in Engineering Seimology. Proc. World Conference on EarthquakeEngineering. Eqke. Eng. Res. Inst. and Univ. of Calif , 19569 Blare D P. The Measurement , Modelling and Control of Ground Vibration due to Blasting , Keystong , Cilordo ,1987(收稿时间 :1998 - 10 - 13)76李的林等 : 爆破震动危害中的几个重要因素分析
