13爆破安全技术

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1、13爆炸的危害作用炸药爆炸时，人类可利用其化学能转变成的机械功，完成一些人工或机械不能或难以完 成的工作。爆炸的同时还将产生爆破地震波、空气冲击波、爆破噪音、个别飞石、爆破毒气 等危害作用，这些危害作用亦称危害效应或负面效应。它们对人员、建筑物和设备所造成的 危害范围，因爆破规模、性质与周围环境的不同而异。如露天爆破时，地震与飞石的影响范 围较大，空气冲击波在加强抛掷时有显著作用，而松动爆破则几乎没有影响。爆破规模较大 时，还要考虑爆破毒气的危害问题。为了保证人员和设备的安全，必须正确计算各项安全影 响范围，以便采取相应措施。对于建筑物与构筑物必须评价其安全程度。对于重要目标必须 保证不受爆破

2、地震、空气冲击波和爆破飞石的破坏，要严格进行安全校核，必要时应减少一 次（或一段）的爆破装药量或采取其它安全措施。13.1爆破地震波13.1.1地震的有关概念在地底下发生地震的地方，叫震源。地面上与震源相对处，叫震中。地震的大小，在地 震学上用震级和烈度来衡量。13.1.1.1 震级震级也称地震强度，用以说明某次地震本身的大小。它是直接根据地震释出来的能量大 小确定的。用一种特定类型的、放大率为2800倍的地震仪，在距震中100km处，记录图上 量得最大振幅值（以1 / 1000mm计）的普通对数值，称为震级。例如，最大振幅为0.001mm 时，震级为“0”级；最大振幅值为1mm时，震级为“3

3、”级；最大振幅值为1m时，震级 为“6 ”级。地震震级的能量究竟有多大？可用爆炸能量来说明。在坚硬岩石（如花岗岩）中，用 23X106cg炸药爆炸，相当于一个4级地震。一个8级地震的功率大约相当于100万人口 城市的发电厂在2030年内所发出电力的总和。由此可见，虽然地震仅仅发生于瞬时的变化， 但地震释放出来的能量却是巨大的。13.1.1.2 烈度烈度是指某一地震在具体地点引起振动的强度标准，它标志着地震对当地的实际影响， 作为工程建筑抗震设计的依据。烈度不是根据地震仪器测定的。判断烈度大小是根据人们的 感觉、家具及物品振动情况、房屋及建筑物受破坏的情况，以及地面出现的崩陷、地裂等现 象综合考

4、虑确定的。因此，地震烈度只能是一种定性的相对数量概念，且有一定的空间分布 关系。必须强调指出，地震震级与地震烈度是两个不同的概念，不可混淆。如把地震比作装药 爆炸，那么，装药量就相当于地震震级，而装药在爆炸时的破坏作用则是地震烈度。一个地 震只有一个震级，但在不同地区可以有不同的烈度，因为在一个地震区域内，不同部位的破 坏程度是不同的。显然，震中区的烈度（叫震中烈度）就比其他地方的大。所以震中烈度就 是最大烈度，用以表示该次地震的破坏程度。13.1.2爆破地震的概念当装药在固体介质中爆炸时，爆炸冲击波和应力波将其附近的介质粉碎、破裂(分别形 成压碎圈和破裂圈)，当应力波通过破裂圈后，由于它的强

5、度迅速衰减，再也不能引起岩石 的破裂而只能引起岩石质点产生弹性振动，这种弹性振动是以弹性波的形式向外传播，与天 然地震一样，也会造成地面的震动，这种弹性波就叫爆破地震波。图13-1应力波引起的介质变形纵波b横波c勒夫波d瑞利波e瑞利波质点运动方向爆破地震波由若干种波组成，它是一种复杂的波系。根据波传播的途径不同，可分为体 积波和表面波两类。体积波是在岩体内传播的弹性波，它可以分为纵波(P)和横波(S)两种。P 波的特点是周期短、振幅小和传播速度快；S波的特点是周期较长，振幅较大，传播速度仅 次于P波。表面波又分为瑞利波(R)和勒夫波(L)。R波的特点是介质质点在垂直面上沿椭圆 轨迹作后退式运动

6、，这点与P波相似。它的振幅和周期较大，频率较低，衰减较慢，传播 速度比S波稍慢；L波的特点是质点仅在水平方向作剪切变形，这点与S波相似，L波不经 常出现，只是在半无限介质上且至少覆盖有一层表面层时，L波才会出现。各种应力波传播 过程中引起介质变形的示意图见图13-1。体积波特别是其中的P波能使岩石产生压缩和拉伸变形。它是爆破时造成岩石破裂的 主要原因。表面波特别是其中的R波，由于它的频率低、衰减慢、携带较多的能量，是造 成地震破坏的主要原因。由爆破引起的振动，常常会造成爆源附近的地面以及地面上的一切物体产生颠簸和摇 晃，凡是由爆破所引起的这种现象及其后果，叫做爆破地震效应。当爆破地震波的强度达

7、到 一定程度时，可以造成爆区周围的地表或建(构)筑物及设施的破坏。因此，为了研究爆破 地震效应的破坏规律，找出减小爆破地震强度的措施和确定出爆破地震的安全距离，对爆破 地震效应进行系统的观测和研究是非常必要的。13.1.3爆破地震波引起地面质点振动参数的确定爆破引起的振动是一个非常复杂的随机过程。它的振幅、周期和频率常常是随时间变化 的，即时间的函数。因此要计算出这些参数每一时刻的值是比较困难的。为简化对此问题的研究，可近似认为介质是均匀弹性体，其质点作简谐运动。而且对大多数工程来说，最感兴趣的是要找出振动的最大幅值。因此，一般在爆破振动的波谱图上读 取振动的最大幅值，并按简谐运动来处理，这样

8、既满足了工程的要求，也简化了计算。众所周知，质点作简谐运动时，质点运动的力学状态可以用位移X、速度V和加速度a 来表示，它们的数学表达式为：X = A sin & t（13-2）（13-3）V = = Ao sin(t + ) dt兀d 2 Xa = A 2 sin(ot +兀)dt 2在确定爆破振动地面质点运动参数时，一般只选取爆破振动的最大幅值，因此得:（13-4）（13-5）V =oX = 2 啪（13-6）式中 X 一时间为t时的质点振动位移，mm；A 质点的最大振幅，mm；V 一质点的振动速度，mm / s；a 一质点的振动加速度，mm/ s2；o 一角频率，其值为2时，s-1；f

9、一质点振动频率，Hz。从以上诸式可以看出，如果已知位移、速度和加速度三个参数中的任一个参数，经过积 分或微分就可求出其余两个参数。但是，在数值换算中存在着固有的误差，所以在实际观测 中最好直接测量所需的参数。爆破地震波在介质中传播时，实际上每一质点的运动力学参数应由三个互相垂直的分向 量（即水平径向X、水平切向Y和垂直向Z ）的矢量和R求取，即R = X + Y + Z，其大I 、！ I小为：R = ；X2 + Y2 + X2。然而许多国家并不采用质点运动的矢量，而采用实测中的最大分向量作为衡量爆破振动 的标准。即取Max X，Y，Z 。由于近区的垂直振动分量往往大于其它两个分量，因此 采用最

10、大的垂直振动分量作为衡量爆破振动和划分破坏程度的统一标准。13.1.4爆破地震效应的观测爆破地震效应的观测包括宏观观测和仪器观测两种方法，一般都把这两种方法结合起来 使用。13.1.4.1宏观观测宏观观测一般根据观测的目的，在爆破振动影响范围内和仪器观测点附近选择有代表性 的建筑物、构筑物、矿山巷道、岩体的裂缝和断层、边坡、个别孤石以及其它标志物。在爆 破前后用目测、照相和录像等手段，把观测对象的特征用文字、图片或影视进行记录，用以 对比爆破前后被观测对象的变化情况，或估计爆破振动的影响程度。13.1.4.2 仪器观测采用仪器观测时，观测系统包括拾震器、记录仪和便于记录而设置的衰减器或放大器。

11、（1）拾震器 拾震器是测量地面震动的仪器。它将地面的振动转换成电信号输出。一 般又将它叫检波器、地震仪和传感器，拾震器按测量的物理量不同而分为位移计、速度计和 加速度计。（2）衰减器和放大器 衰减器和放大器的作用是将输出的电信号衰减或放大的仪器。 若地面的振动强度很大和拾震器的灵敏度较高时，其讯号若不经过衰减，将导致部分波形记 录超出记录纸的边界；反之，如果爆破后地面运动强度较小或拾震器灵敏度不够高时，输出 信号常常需要经过放大器放大以后才能分辨和判读。（3）记录装置 过去记录装置是将拾震器测出的地面振动信号记录在记录纸、胶卷或 磁带上的设备，现在则普遍采用爆破振动信号自记仪。爆破振动自记仪可

12、直接将速度或加速 度等传感器，与仪器一起置于爆破现场的观测点上，自动触发并记录数据，有的则是遥测数 据采集系统，实现远距离控制及数据传输。13.1.4.3测点的布置测点的布置需要根据观测的目的和要求不同而采取不同的布置方法。例如，为了研究爆 破地震波随距离变化的衰减规律或者为了计算爆破振动强度而需要获得某些系数时，则宜沿 着爆破中心的辐射方向布置测线，每条测线按50100m的等间距布置测点，一条测线布置图13-2实测震波波形46个测点。如果为 了观测爆破地震对建 筑物或构筑物的影响 从而确定出破坏判据 时，测点则宜布置在 建筑物或构筑物附近 的地表上。如果想摸 清高层建筑物不同高 度的爆破地震

13、影响， 那么测点就应在不同 高度的位置上布置。布置测点时，测 点上的拾震器一定要 埋没牢固而且要保持 水平。13.1.4.4爆破地震波波形图的分析实际记录的爆破地震波波形图是比较复杂的。爆破地震波不是振幅和振动周期为常量的 简谐运动，而是振幅和振动周期随时间而 变化的振动（如图13-2所示）。在大多数 工程爆破应用中，通常需要知道的是振动 的最大值。即质点振动的最大位移、振速 和振动加速度。因此，在对爆破地震波波 形图的分析中主要量取最大的振幅及其相 对应的振动周期。此外，还要量取主震相 的持续时间和计算波在土岩介质中的传播 速度。振幅是表示质点在振动时离开平衡位图13-3单振幅量取示意图置可

14、能达到的最大位移。目前量取最大振幅值时，多数是量取最大单振幅（或称最大半幅值）， 即零线（或基准线）到最大波峰（或波谷）之间的距离（见图13-3），它标志地震强度的大 小。但是，当波形不对称时也可量取最大波峰和波谷之间的距离，取其一半作为最大半幅值 （如图13-4所示）。由于爆破具有瞬时性，因此读取周期比读取频率更为方便和适宜。周期一般是与最大振 幅相对应，其量取方法如图13-4和图13-5所示。振动周期的倒数即频率：f = 1T（13-7）式中f 振动频率，Hz；T 一周期，s。爆破振动持续时间的长短与传播地震波的介质性质，装药爆炸时所释出的能量大小以及 传播的距离有关。在读取震动持续时间时

15、，通常将爆震图划分为主震段和尾震段两部分。关于主震段的划分目前有不同意见，其中一种意见认为，从初始波到波的振幅值A = A .Mmax（。为自然对数的底）这一段，称为主震段；主震段相应的历时时间为地震的振动持续时间;主震段的振动次数与该段的历时时间之比称为主震段的平均周期（主周期），主周期的倒数 称为主频率（用以反映地震中占优势的频率成份）。其读图方法如图13-5所示。波速是分析波型、波的传播规律和研究岩石性质的一个重要的物理量。一般是在震波图 上量取相邻两测点初始波到达之间的时间差。用此时间差去除两测点之间的距离，就得到初始波的传播速度。图13-5震动延续时间和波速的测定13.1.5爆破地震

16、的特点爆破地震与天然地震一样，都是由于能量释放，并以地震波形式向外传播，引起地表振 动而产生的破坏效应。它们造成的破坏程度又都受地形、地质等因素的影响。但天然地震发 生在地层深处，其造成破坏的程度主要决定于地震能量（震级）与距震源的远近。爆破地震 的装药则是在地表浅层爆炸的，其造成破坏的程度主要决定于装药量与距震源的远近。通过对大量爆破地震和天然地震的实测分析，可以得出以下几点认识：（1）爆破地震振动幅度的数值虽大，但衰减很快，破坏范围并不大，天然地震振幅度 的数值虽小，但衰减缓慢。破坏范围比前者大得多；（2）爆破地震地面加速度震动频率较高（约1020 Hz以上），远超过普通工程结构的 自振频率。天然地震地