炮孔内起爆位置对爆炸振动场的影响及其机理

抽象的

在钻孔和爆破中，填充在每个凸起的爆炸性是圆柱形的，通常由雷管引发。因此，必须解决起始位置的效果，因为它确定沿整个柱爆炸的爆炸方向。在本文中，通过理论，计算和实验方法全面地研究了启动位置对爆炸场的影响及其作用机制。结果表明，启动位置在圆柱电荷的爆炸振动中起着重要作用。起始位置的潜在效果可以被认为是柱爆炸源的能量分布和相位延迟效应的组合结果。单孔爆破实验中的岩石质量的行为表明爆炸能量优先传递到爆炸波的前向方向。基于种子波的计算模型验证，由于相位延迟效应，圆柱电荷的喷射振动场不均匀分布，并在爆炸波的前方方向上加强。生产爆破实验表明地面PPV下启蒙比上启蒙大61.3% ~ 211.7%。此外，起爆位置对电荷长度的影响也很敏感l以及外延速度D．同时，起始位置的影响随着距离的增加而消失。本研究为了解起爆位置对钻爆振动的影响提供了有价值的参考。

1.介绍

钻探和爆炸，作为经济，高效和适应性的方法，仍广泛应用于采矿，水电，交通和土木工程领域[1- - - - - -5]。在实践中，炮眼是由完成的炸药装药(图)1(一)）或通过半成品充电车辆（图1 (b)）.无论如何，填充在血液中的爆炸物都是具有大长度的圆柱电荷。每个Blasthole内的圆柱电荷通常由雷管引发。由于爆炸（VOD）特性的几何和有限速度，爆轰反应沿着柱爆炸的整个长度具有时间和定向效应[6]。起爆位置决定了爆震波的传播方向。因此，在凿岩爆破中必须考虑起爆位置的影响。

许多研究人员对起始位置的影响进行了研究。Fry等和Sichel研究了爆轰方向对周围介质动态行为的影响[7，8]。张概述了矿石萃取与雷管定位的关系，并在瑞典的Lkab Malmberget矿区进行了许多田间实验[9]。长期以来，通过大量的现场试验，确定了起爆位置对岩石破碎的影响，并从爆炸能量利用率的角度提供了令人信服的解释[10]。Onederra等。发现，如果通过HSBM（混合应力爆破模型）方法模拟爆破过程，则顶部损伤的岩石损伤程度大于爆炸电荷底部的底部底部。11]。Liu等通过数值和实验研究表明，台阶爆破时，炮眼底部岩趾的形成或顶部岩体的形成都与起爆位置密切相关[12]。Leng等人。比较侧起始和结束 - 起始模式之间的爆炸能的传动机制，并揭示了冲击波和气体的分区[13]。Gao等讨论了在岩石爆破中起爆位置对爆炸能量分布和利用的影响，并在实践中对起爆位置的选择提出了一些建议[14]。上述研究主要集中在不同启动位置下的爆破介质的行为，例如岩石碎片。与球面充电不同，其中源辐射在所有方向上相同[15]，圆柱电荷的源辐射图案具有其独特的特征[16- - - - - -19]。因此，一些研究者也把重点放在了圆柱电荷本身。Heelan首先发现纵波和纵波可以同时从短柱炸药中发射出来，而且它们都以不同的速度向特定的方向传播[16]。布莱尔假设Heelan辐射的种子波，从扩展的圆柱形电荷推导出源辐射[20.]。Liu等人计算了圆柱形电荷产生的应变波，发现应变振幅随相对于起始点的规片方向而变化[21.]。triviño等。发现，在分析来自地下挖掘的大量收集的数据之后，通过柱面电荷引起的柱面电荷引起的爆震振动的幅度和频谱受到爆轰方向的显着影响[22.]。

如上所述，发起位置的效果通常体现为爆破介质（例如岩石碎片）的行为和爆炸充电本身的源极辐射。然而，以前的研究大多强调岩石碎片，但启动位置对爆炸振动场的影响以及其作用机制仍然没有很好地研究。结果，最先前的研究人员建议底部启动，因为它对岩石碎片的益处[9，10]。未妥善考虑启动位置对爆炸振动场的影响，而爆炸振动始终被称为爆破中最重要的不良影响[23.- - - - - -26.]，因为它极大地影响岩石的行为[27.- - - - - -29.]、结构的稳定性、周边设施的安全性等。本文从柱状爆炸源的能量分布和相位延迟效应两方面分析了起爆位置的作用机理。然后利用基于种子波的计算模型，比较了不同起爆位置下圆柱装药的爆炸振动场。最后进行了单孔爆破和生产爆破两项现场试验，验证了起爆位置对爆破振动的影响。本研究对广泛应用的钻孔爆破具有重要意义，可更好地控制爆破振动。

2.启动位置的作用机制

2．1．沿爆轰方向的能量分布效应

炸药爆轰是一个复杂的化学反应过程，其化学能转化为气态产物的内能和动能。根据Chapman-Jouguet理论，当爆轰波的传播速度趋于某一常数时，爆轰反应达到稳定平衡状态。数字2说明了炸药的爆轰和爆轰波的传播，其中D表示稳定点播。爆轰波实际上是在炸药中传播的一种冲击波。显然，爆轰反应在整个柱状炸药长度上具有时间和方向效应。因此，起爆位置不可避免地影响爆轰产物和爆炸能量的分布。

如图所示3.， Zhang等[30.[]采用一维流动模型分析了炸药放置在真空刚性管中的能量分布。电荷的总长度定义为l，长度b和一个，分别位于左侧和右侧（l=b + 一个，b≤一个）.炸药的初密度和初速度为ρ₀和D₀，电荷的截面面积为年代．在一定时间后，在管道中将形成八种不同类型的流场。根据流场的分区（图3.），质量和能量分布可以通过方程计算（1)和(2）， 分别： 在哪里米_b和米_一个分布在左右两侧的爆轰产物的质量分别是E_b和E_一个分别为爆炸能量分布在左右两侧。如果电荷是从左端开始的(b=0，一个=l),方程(1)和(2）可以简化为等式（3.)和(4）， 分别：

方程式（1)和(2）表明，质量和能量分布与长度参数密切相关一个和b．从方程(3.)和(4)，爆轰产物和爆炸能量优先分布于爆轰波的正向。在左端起爆时，分布在右侧的爆生物质量和爆炸能量分别是分布在左侧的1.25倍和1.45倍。

2.2。电荷元件的相位延迟效应

如图所示4（a），通过沿着整个长度求和短电荷元件的贡献，通常近似通过圆柱电荷产生的爆炸应力场[20.，31.]。总长度为l，它被分成了n元素。每个充电元件的源功能可以通过以下等式描述： 在哪里基于“增大化现实”技术^-α距离处应力波的振幅是多少R并表现出一种关注R^-α，描述电荷元件的波形是从每个充电元件到观察点的应力波的行程时间。

由于爆轰速度(VoD)不是无限高，而是体现为岩体声速的同一水平，因此在叠加过程中必须考虑相延迟效应。单元(我 − 1) isl/nD比由元素发出的要早我．以底部起始点为例，如果观测点P位于顶部，由单元我大于元素(我−1)因为后面的元素我相对更接近观测点。结果是，该点的后续电荷元素的应力叠加P逐渐加强。相反，从后续收费元素的贡献问位于底部变得越来越弱，较弱。数字4（b）示出了归一化峰值应力的轮廓线。它表明圆柱电荷的爆炸应力场不会均匀分布。如果圆柱形电荷是底部启动的，则顶侧的BLANT应力大于底侧的强应力。实际上，在爆炸波的向前方向上加强了爆炸应力场。这种现象也称为圆柱电荷的最终效果。

如图所示4，启动位置的作用机制可以被解释为以下两个点：（1）圆柱电荷的能量分布与启动位置密切相关，因为它决定了爆炸方向以及爆炸产品的流动场．（2）圆柱电荷的爆破应力场不均匀分布，但具有由相位延迟效应引起的最终效果。底层机构位于几何特征（大长度为直径比）和有限的爆炸电荷储存。

3.不同起爆位置下爆炸振动场的比较研究

3.1。基于种子波的计算模型

如图所示5， Heelan对短柱源的源辐射模式作出了重要贡献，他发现P波和S波同时从有限长度的炸药[16]。此外，P波和S波具有一定的方向和不同的传播速度。下面的方程给出了短爆炸柱的Heelan辐射: 在哪里u_P，u_年代， ，和分别是p和s波的水平和垂直位移，C_P和C_年代分别为P波和S波的传播速度，R为到源中心的距离，φ.是辐射方向和充电轴之间的角度，p（t)为作用在等效柱腔上的压力F₁（φ.),F₂（φ.)为纵波和横波的震源模式，其表达式为: 式中∆为等效柱腔和的体积μ是剪切模量。

如本节所述2，对于扩展的圆柱形电荷，每个电荷元素的贡献应根据VoD延迟，并沿整个长度求和。使用这种技术，并假设希兰辐射的种子波，图6与方程(9）〜（10）提供扩展圆柱电荷的爆炸振动场的计算过程。等式（9)描述电荷元素的速度辐射，由微分和求和方程(6)和(7）.然后方程(10)给出了底部起爆时整个圆柱装药的爆炸振动场(一个启动)。同样，上起爆时的爆炸振动场(B-Initiated），中点启动（O-initiated)和双端初始化(AB- 也可以通过改变等式中的几个正或负符号来获取 -10）. 在哪里V_ri.和V_Zi.分别是每个充电元件的水平和垂直爆破振动速度。

在此分析中，炸药产生的压力波形用下列方程和图来描述7，基于Grady等人的实验数据。[32.拉森[33.]： 在哪里p_b峰值压力和κ取决于所用的特定炸药。爆炸性充电和岩石质量的参数如下：爆炸密度为1243千克/米^3.装药长度为3 m，装药直径为32 mm，岩体密度为2700 kg/m^3.，杨氏模量为25 GPA，泊松比率为0.25。数字8显示通过上述方法计算的典型速度波形。

3.2。相对比PPV在不同的初始化位置

3.2.1。相对比PPV沿轴向观察

的PPV此外，还选用了评价结构损伤的常用指标(峰值质点速度)来研究爆破振动场。如图所示9， 桌子1列出了PPVS沿电荷轴向观察到。这些信一个，B，O,AB分别表示底部启动，最高启动，中点开始和两端启动。矢量PPV是径向和垂直的合成PPVs。数字10同样的情节PPV相对SD(缩放距离，m/kg^1／2）.

表格1和图10表明,PPV底起动(一个- 实施）是最大的，PPV在最佳启动下（B-initiated)最小，而PPVs下的中点和两端发起（O启动和AB基本相等，体现为中级水平。这归因于电荷元件的相位延迟效应。对于底部起爆，观测点位于爆震波的前进方向，后续电荷元素的贡献越来越大。而在顶部起爆时，随起爆波向下传播，后续电荷元的波幅值减小。因此，对于位于顶部一侧的观测点，PPV在底部启动下大于顶部开始的底部。

数字11说明了PPV差异比例η底部和最高启动。基于向量PPV， 这PPV差异比例η定义为: 在哪里和分别是向量吗PPV在底部和最高启动下。数字11表示这一点PPV差异比例η约为8% ~ 13%，并随SD降低。也就是说，起爆位置主要影响药包附近的爆炸振动场，如果观测点足够远，其影响可能被忽略。

3.2.2。相对比PPV沿径向观察

表格2列出了PPVs沿着电荷的径向观察(图12）和图13同样的情节PPV反对SD。表格2和图13表明,PPV在底部启动下大于顶部开始的底部。然而PPV在中点下，如果r增加。实际上，两个电荷元件有助于中点下的爆炸振动场的叠加，因为爆炸波同时向上和向下传播爆炸电荷的两端。因此，不管爆炸性电荷的长度效果如何，双向叠加（中点或两端启动）的振动幅度大于单向叠加（底部或顶部引发）的振动幅度。

有趣的是，垂直PPV没有严格下降r但在某一特定位置会达到最大。这可能是由P波和S波的沟道辐射造成的(图)5）.但它仅影响局部振幅，不能改变距离的全局衰减。数字14情节的PPV定量差异η沿圆柱电荷的径向观察。它还表明了PPV定量差异η当SD超过7 m/kg时趋于零^1／2（r ≈ 30 m).

３．３．炸药装药参数灵敏度分析

如前所述，其内在机理在于装药的几何特性和有限VoD。因此，当装药的长径比可以忽略，或爆速无限高时，相位延迟效应将消失。在本节中，电荷长度的灵敏度l以及爆速D通过比较来分析爆炸振动场PPV它在底部和顶部初始化，如图所示15．它表明PPV差异比例η随电荷长度的增加而增加l且随爆速而减小D．这说明起爆位置对爆炸振动场的影响对装药长度很敏感l以及爆速D．启动位置可能在深孔爆破的爆炸振动场中发挥重要作用。但如果使用具有大VOD的高能量爆炸性，则相位延迟效果将大幅折扣。

4.实验验证启动位置对爆炸振动的影响

4．1.白河滩水电站单孔爆破试验

以下4.4.1。爆破设计

白河滩水电站是目前在建的最大水电站，总装机容量16000兆瓦。它是金沙江下游四座水电站(吴东德、白河滩、西罗渡、湘家坝)的第二步，位于中国四川省宁南县和云南省乔家县的交界处。在白河滩水电站围堰基础开挖过程中进行了单孔爆破试验。

如图所示16，四个垂直炮眼分别放置在四角处。钻机和爆破参数列于表中3.．所有的血液列表都在同一启动网络中触发（图(17日)），并且使用内孔非电毫秒（MS）雷管用于分离每个射击。延迟时间分别是MS1（0ms），MS5（110ms），MS9（310ms）和MS13（650ms）。为了研究起始位置的效果，血液olesi和II是顶部启动的，而Blastholes III和IV是底部启动，如图所示18．需要指出的是，冲击波反射块被放置在炮眼I和炮眼III的底部。额外的设计超出了本研究的范围，但不影响对比组，即炮眼I与III，炮眼II与IV，如图所示17 (b)，在监测孔内安装了三个单轴振动传感器，分别为1.0米，1.5米和Blasthole底部下方2.0米。此外，一个三轴振动传感器放置在地面，距离方形中心为70米（图16）.

4.1.2。检测结果

数字19在爆破后呈现地面岩石的图片。这表明四个血糖谷的岩石质量的行为非常不同。对于脱血栓涕I和II（顶部启动），产生了几种爆破裂缝，几乎没有岩石碎片被向外抛出。而对于血液脱离III和IV（底部启动），形成小的爆破陨石坑，并且一些岩石片段被向外抛出。此外，血液溶解III和IV的岩石质量的颜色比苯脱离I和II较暗。这是因为通过苯脱石III和IV的向上透射爆炸能量抬起地面表面下方具有更高湿度的岩体。显然，如果爆炸性充电是底部启动的，则在接地表面上传递更多的爆炸能量。爆破后的岩石质量的行为表明，爆炸能量优先传递到爆炸波的向前方向。

数字20.绘制2号振动传感器测得的典型爆破振动波形。4个爆炸信号在时间轴上分离，每个信号的到达时间与延期雷管一致。它们分别代表炮眼I ~ IV的爆炸振动。表格4列出了测量PPV四个blastholes的s。数据21.和22.也说明比较PPVs在直方图形式的不同启动位置下。

测试结果表明振动幅度与观察点和爆炸波之间的相对取向相关联。对于振动传感器＃1〜＃3位于Blasthole底部（爆炸充电的底部）下方，PPV在顶部启动下比在底部启动下大得多（图21.）.然而，对于位于地面(炸药顶部)的振动传感器4号，则需要PPV上起始比下起始小得多(图)22.）.数据21.和22.验证了爆震波前进方向的振动幅值大于后退方向的振动幅值。这与本节中提到的圆柱电荷的能量分布和相位延迟效应是一致的2和3.．需要澄清地面（＃4）在地面（＃4）诱导的爆炸振动被其他爆破操作覆盖，所以它PPV表格不包括在表格中4和图22.．

4．2.舟山石化基地生产爆破试验

4.2.1。准备爆破设计

周山石化基地位于中国浙江省周山群岛的大宇山和萧宇山区。它由4100公顷的土地填海融化组成，是综合精炼和化学石化基础。在山脉生产挖掘过程中进行了爆破实验。数字23.展示了实验区的图片。

如图所示24.生产爆破包括7排129个炮孔。在爆破区域的侧面放置了6个地面振动传感器。钻机和爆破参数列于表中5．所有炮孔均在同一起爆网络中发射，孔间和排间雷管分别为MS3 (50 ms)和MS5 (110 ms)。每个炮眼内的炸药由雷管MS10 (380 ms)发射。为了进一步研究起爆位置对起爆效果的影响，将最后两个单炮孔S1和S2通过孔间雷管MS9 (310ms)与起爆网络分离。S1、S2炮眼装药结构如图所示25.，其中炮眼S1为上启动，炮眼S2为下启动。的距离R炮眼S1和S2的监测点的变化范围为26.0 ~ 86.4 m。

4.2.2。检测结果

如图所示26.，生产苯脱硫的爆炸振动波形彼此重叠，而诸如抑制抑制S1和S2的冲压振动在时轴上彻底分离。表格6列出了测量PPVs的爆孔S1和S2，其中向量PPV是径向，切向和垂直的合成PPVs。数字27.绘制的拟合曲线PPV对SD的计算公式如下: 在哪里K和α是与现场地质条件有关的衰减因素。

表格6和图27.还验证爆炸波的前向的振动幅度大于向后方向的前方。由于地面振动传感器位于爆炸充电的顶部，因此PPV炮眼S2(底部起爆)的s均大于炮眼S1(顶部起爆)的s。数字28.情节的PPV差异比例ηBlastholes S1和S2对抗SD。它表示如果SD足够大，则启动位置的效果是忽略的，因为PPV差异比例η随着SD逐渐减小。生产实验再次为起爆位置对爆破振动场的影响提供了有力的证据。

5.讨论

计算和实验结果既表明，启动位置在圆柱电荷的爆破振动场中起着重要作用。由于大的长达直径比和有限的VOD特性，圆柱电荷的爆炸反应通常在起始点处开始，然后传播到整个长度，也是所谓的时间和方向效应。因此，启动位置的底层机制在于爆炸充电的几何和有限VOD特性。如本节所述2，它可以被解释为沿爆轰方向和电荷元件的相位延迟效应的能量分布效果的组合结果。

在能量分布效应方面，单孔爆破实验中地表岩体的行为表明，爆炸能量优先传递到爆震波的正向。基于种子波的计算模型验证了引起爆炸振动场非均匀分布的相位延迟效应。需要澄清的是，计算模型只关注相位延迟效应，而不考虑能量分布效应。因此，PPV差异比例η从计算结果中获得（图11和14）相对小于从实验结果中获得的相对程度（图11，14,28.）.显然，能量分布效应和相位延迟效应不是相互独立的，它们共同作用于爆炸振动场。

此外，启动位置的效果对爆炸电荷的参数敏感，特别是对于电荷长度l以及爆速D(图15）.这也是由于装药长度大、爆速小的情况下，通常会出现明显的时间和方向效应。数据11，14,28.所有这些都表明PPV差异比例η随距离而减小。也就是说，如果观测点足够远，起始点位置的影响可以忽略，这符合圣维南原理。

6.结论

本文旨在揭示启动位置对圆柱电荷的爆炸振动场及其作用机制的影响，以便更好地控制广泛使用的钻头和爆破引起的爆破振动。观察到以下结论：（1）起爆位置的潜在影响是由装药的几何特性(长径比大)和有限的VoD引起的。它可以看作是柱状爆炸源能量分布和相延迟效应的综合结果。（2）理论分析和实验结果表明，爆炸能量优先传递到爆炸波的向前方向。此外，计算和实验结果验证了爆震波的前向方向上的振动幅度大于向后方向的振动幅度。生产爆破实验表明地面PPV下启蒙比上启蒙大61.3% ~ 211.7%。（3）起爆位置的影响对装药长度很敏感l以及爆速D。此外，如果观察点足够远，可以忽略起始位置的效果。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

国家自然科学基金项目(no. 51809016; no. 51779190);重庆市自然科学基金项目(no. 51809016;cstc2019jcyj-msxmX0645)，水工岩石力学教育部重点实验室访问学者基金项目(RMHSE1903)。作者向所有支持者表示感谢。

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