岩石中爆炸应变波信号测试与分析.pdf
第3 0 卷第2 期 2 0 1 3 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 .3 0 N o .2 J u n .2 0 1 3 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 l 一4 8 7 X .2 0 1 3 .0 2 .0 0 9 岩石中爆炸应变波信号测试与分析宰 高祥涛4 ,解北京“ 中国矿业大学 北京 a .力学与建筑工程学院;b .资源与安全工程学院,北京1 0 0 0 8 3 摘要针对岩石爆破过程中爆炸应变波信号易失真、难测试的特点,建立了一套稳定可靠的超动态应变 测试系统。实测了小药量耦合装药在岩石模型中爆炸产生的径向爆炸应变波信号,得到了装药爆炸应变波 .形的特点以及应变峰值与药包长径比、药量、相对距离的变化关系。试验结果表明 1 岩石爆破过程中爆 炸波综合作用时间约为l O s ,表现出初始以压应力为主,持续的压、拉应力交替现象,爆炸加载应变率以 1 0 4s “的数量级变化; 2 药包长径比和药量的变化对应变峰值变化幅度影响在爆源近距离处较大,在相对 距离大于4 5 后影响较小; 3 长径比大的药包的爆炸能量对介质作用较为分散,有利于提高炸药的能量利 用率。 关键词岩石爆破机理;高应变率;爆炸应变波;长径比; 超动态 中图分类号0 3 8 4文献标识码A 文章编号 1 0 0 l 一4 8 7 X 2 0 1 3 0 2 0 0 4 l 0 6 A n a l y s i sa n dM e a s u r e m e n to fB l a s t i n gS t r a i nW a V eS i g n a li nR o c k ‘甜D 胁愕.£∞8 ,朋EB e i 善愕“ a .S c h 0 0 lo fM e c h a n i c s C i v i lE n g i n e e r i n g ;b .s c h o o lo fR e s o u r c e s S a f e t yE n 舀n e e r i I l g , C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o I o g y B e i j i n g ,B e i j i n gl0 0 0 8 3 ,C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i I I gt ot } l er o c kb l 踮t i n gp m c e 鹪e x p l o s i o ns t r a j nw a v es i 印a le 幽yd i s t o r t i o n 柚dd i m c u l tt ot e s t c h 啪c t 耐s t i c s ,as t a b l e 柚dr e l i a b l es u p e rd y 腿I I l i cs 喇nt e s ts y s t e mw 鹳s e tu p .n 伽g l lt e s t i n gt h e 刊i a le x p l ∞i o n s 岫i n 帆v es i 印a lo fs r I l a l ld 惦a g ec o u p l i n gc h a r g ei nm c km o d e le x p l 鹏i o 璐,t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h a r g ee x p l ∞i o n s t r a i n 眦v e f o m 锄d 陀1 8 t i o m h i pb e t w ∞ns t 糟i np e a l 【明dc h a r g el e r I g L ht od i a m e t e rr 砒i o ,d o s a g e ,陀l a t i v ed i s t 粕c e w e mf 抽n d .T h et e s tr ∞u l t ss h o wt h 砒 1 T h ep m c e s so fb l 鹪tw a v ec o m p r e h e n 8 i v ea c t i o nt i m ei sa b o u tl O 暑i n t l l em c kb l a s t i n g ,舭dc o m p r e s 8 i v es 晌Bi s 舀v e np r i o r i t yt o 山ei n i t i a l ,t h e nt h ep h e n o m e n o no fa l t e m a t i n gb e t w e e n c 仰8 t a I l tp 托s s u r e 锄dt e n s i l es 响8i sg e n e m t e d ,明de x p l 0 8 i o nl o a d i n g6 h 面n 眦ei 8i n1 0 4 s 叫o r d e ro f 删l 印i t u d e c h a n g e ; 2 T h ec h a n g eo fl e n g t } I t 0d i a m e t e r 附t i oa n dv a l u eo ft h ec h a r g ew e 陀g r e a ti r I n u e n c eo fs 嘶np e a ki I l c r i t i c a ls 伽r c ec l o s ep l a c e ,蚰dw a r el e s se 商e c ti nt | I e 陀I a t i v ed i s 劬c ea f t e rm o r et h a n4 5 ; 3 T h ee h a r g ee x p l ∞i o n e n e r g y ,诵t hb i g g e rl e n g t ht od i 锄e t e r 枷o ,w 鹊m o 陀d i s p e 璐i o nt om e d i u me H t ,w h i c hi sb e n 曲c i a lt oi m p m v e t h ee x p I o s i v ee n e I j g yu t i l i z a t i o n . 1 【e yw o r d s m c kb l 鹏t i n gm e c h 锄i s m ;h i g l ls t r a j nm t e ;b l 髂t i I l gs 嘣nw a v e ;l e n g t h /d i 趼把t e rm t i o ;u l t r ad y - n a m i c 目前,对爆炸瞬间在岩体近中区激起的爆炸波 破岩的实验研究方法主要有电测法、光测法、高速摄 收稿日期2 0 1 3 0 2 2 9 作者简介高祥涛 1 9 8 3 一 ,男.博士研究生,主要从事工程爆破理 论与爆炸测试技术研究, E 眦i I x ‘g ∞1 9 印l a i l .c 帅。 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 1 1 3 4 0 2 5 影法等‘1 .2 】。电测法的传感器主要以锰铜传感 器‘3 1 、石英压电传感器‘4 | 、电阻传感器‘5 母3 和P v D F 传感器等为主[ m 1 。光测法从宏观类型分两类 1 以应力场测量的动光弹法和全息干涉法; 2 以位 移场测量的动焦散、动态云纹、云纹干涉、全息干涉、 万方数据 4 2爆破2 0 1 3 年6 月 散斑法等,其中动光弹法和全息干涉法用得最 多[ 1 。三种实验方法相比,动光弹法能测量全场的 应力、应变,且能观察到爆炸波产生、发展、叠加过 程,高速摄影能直观观察爆破模型表面破裂的破坏 过程,而电测法中的电阻传感器能测定特定点的压 拉应力。但在这些研究方法中仍存在一些不足,动 光弹法要取得高质量的全息图往往需要相当数量的 全息试验,才能完成一张可供分析的超动态过程,且 试验的重复性差;而脉冲全息干涉实验极其复杂,要 成功进行实验全凭借实验人员的经验进行操作,且 试验设备及费用高;对于电测法,相比动光弹法试验 成本低,可重复性强,费用相对较低,但有诸多测试 困难‘3 引,而压力传感器,如P V D F 等不能测定拉应 变,致使在测试数据上存在缺陷,不能反映爆炸的真 实作用过程。基于电阻应变片超动态应变测试系统 和测试技术,对耦合装药条件下水泥砂浆模型中测 试到的装药爆炸应变波信号进行了定量系统的 研究。 1 试件制作及实验系统 1 .1 试件制作 装药在水泥砂浆中爆破应变波测定装置如图1 所示。 堵塞\ . N N C 旷 寸 N | / D D N P / 应变计 l 起爆器卜-一超动态应变仪卜_ | 高速数据采集仪l 水泥砂浆 西4 0 0 一 图l 爆炸应变测定装置示意图 单位m m F i g . 1 .E x p l ∞i o ns 嘶nm e 鼬u r e m e n td e v i c es c h e m a t i cd i a g m m u n “m m 水泥砂浆试件为圆柱体,尺寸为直径4 0 0m m , 高4 5 0m m 。水泥为P C 3 2 .5 普通硅酸盐水泥,细骨 料为黄砂。采用水泥砂浆配比 质量比 及模型养 护2 8d 后测其物理力学参数如表l 所示。 表1 水泥砂浆试件物理力学参数 T a b l e1C e m e n tm D 一甜叩e c i m 蚰p h y s i c m a n dm e c h a I I i c a Ip a r 咖e t e 鹅 水泥黄砂水 2 .35 6 .52 4 .8 70 .2 54 4 4 52 0 8 0 l 2 O .5 试块中炮孔及装药布置如表2 所示,实验药包 为圆柱形,装药为二硝基重氮酚C 。H 2 N O N O , 装药密度p o O .8 2 ∥c m 3 ,爆速3 9 9 lI n /s ,采用桥丝 贯穿装药轴心瞬时起爆m 】。炮孔用石英砂与A B 胶混合后堵塞密实。 裹2 水泥砂浆试块炮孔装药设置 T 曲I e2C 哪蚰tm o n 盯b I o c kh o l ec h a r 群s e 懈n 擎 1 .2 超动态应变测试系统的组成 岩石中炸药爆炸应力波,具有频带宽、上限频率 高以及幅值变化大等特点。试验建立的测试系统由 电阻应变计、S D Y 2 1 0 7 A 型超动态应变仪 频率响应 为2 .5M H z 、俗乃0 4 6 C 高速数据分析仪、台式计算 机组成。应根据被测应变波频率范围确定应变片长 度;用于混凝土测试的应变片长度不应小于5 一1 0 倍的骨料粒径H 3 ’MJ 。试验中采用的应变片为1 2 0Q 的箔式环氧酚醛类电阻应变片,敏感栅尺寸3m mx 嚣一篓一 桫 泊H 性量} 罨弹模趴 艋搬∥胁 彰一哪 容. 沁 刚 万方数据 第3 0 卷第2 期高祥涛,解北京岩石中爆炸应变波信号测试与分析 4 3 2m m ,灵敏系数为2 .0 8 %。每块模型预埋1 个应变 砖,应变砖尺寸为1 8 0m m 2 0m m 1 0m m ,应变砖 埋设深度2 2 .5c m ,应变砖上布置4 个测点,分别距 爆源4c m 、8c m 、1 3c m 、1 8c m ,每个测点处设置一个 径向应变计。应变片首先张贴于应变砖上,应变砖 所用材料配比与水泥砂浆模型试块严格一致,并和 被测试件弹性模量、波阻抗一致,经防水绝缘处理 后,浇筑于水泥砂浆中。在测量中,采用测量导线和 电源线绞扭,使每一绞的感应电流与下一绞的感应 电流相反,并在绞扭线的外面采用厚度大的铜金属 屏蔽套,且屏蔽套两端接地。测量导线长度1 0m , 并使测量导线与电源线的方向垂直。对信号电路采。 用一点接地方式,即仪器的外壳和金属铜屏蔽套在 同一点接地,而应变片采用环氧树脂防潮绝缘,使其 与被测构件绝缘电阻加大,分布电容变小,防止接 地。根据实际需要,针对特定的干扰源采取屏蔽、接 苦 董 Ol23456789l O △Ⅳu s a 药包长径比5 a C h a r g el e n g t ht od i 锄e t e r 眦i oi 85 卜一 6 舡1 地等措施。 2 测试结果及分析 2 .1 岩石中爆炸应变波信号波形特征 对水泥砂浆模型试块进行超动态应变测试,同 一种装药结构的模型设置4 次水平试验,所得爆炸 应变波形重复性很好,测试结果中长径比为3 .3 、5 、 8 .3 的初始爆炸应变波形相似,长径比为2 2 .9 、3 0 的初始爆炸应变波形相似,长径比为1 7 .1 、5 4 .3 的 初始爆炸应变波形彼此各不相同。典型的原始波形 如图2 所示。 由图2 所示实测信号的动应变变化特征,可知 整个动应变一时间曲线是爆炸应力波和爆生气体综 合作用的结果,爆炸波综合作用时间约为1 0 斗s ,爆 炸波对岩石介质综合作用结果表现为持续的压应力 和拉应力的交替,初始以压应力为主。 6 4 2 兰 罢。 誊.2 .4 .6 Ol23456789l O △丌m b 药包长径比1 7 .1 b C h a I 伊l e n g t ht od i 矾l e t e rr a I i oi s1 7 .1 Ol23456789l OOl23456789l O △矽岫 厶巩s c 药包长径比3 0 d 药包长径比5 4 .3 c C h 孵l e n g t ht od i 啪e t e r 训oi s3 0 d C h a r g el e r I g t ht od i 锄e t 盱r a t i oi 8 ”.3 图2 不同长径比装药爆炸应变波典型波形 F i g .2D i f f e r ;e 毗l e n g t ht od i a r I l e t e r 枷oc h a r g ee x p l ∞i ∞s 嘶nw a v ew a V e f 0 咖 O 五 4 击 o P m 兰.-o_童-豸 . ●O d 之0 4 6 击刁母 兰%_、零虏 万方数据 爆破2 0 1 3 年6 月 将各测点应变信号数据对时间求导数,得到爆炸 波对介质中各测点作用的平均应变率,由图3 可知本 试验条件下爆炸加载应变率以1 0 4s 。1 的数量级变化。 2 .2 药包长径比和药量的变化对应变峰值影响 表3 中列出了不同装药结构4 个比例距离处应变 峰值,可见应变峰值随比例距离增加而衰减。然而由 初始爆炸应变波形图 图2 可知,每种药包爆炸后岩体 中4 个测点处爆炸波持续作用时间大抵相当。 由图4 可知,从总体来看,不论药包长径比如何 变化,介质中的应变峰值变化趋势大致相似,药包长 径比和药量的变化在爆源近距离处对应变峰值变化 幅度影响较大,在相对距离大于4 5 时,药包长径比 和药量的变化对应变峰值变化幅度影响较小。其中 相对距离是指测点位置距爆源中心距离与药包直径 的比值。 图3 典型的应变率曲线 F i g .3 r n I et y p i c a ls ”a i nr a t ec u r v e 裹3 各种装药爆炸应变峰值 T a b I e3A Ⅱ鲫r t s0 fc h a r 薛e x p I 吲蛐s t r a i l Ip e a l 【V a I u e 注占,为径向应变。 - 4 5 .6 喜., 藿.。 毫.9 - 1 。 .I l I O 2 03 0 4 05 06 0 l k { d t h 电d i s t ∞ o e 图4 不同长径比装药应变峰值随相对距离的变化 F i g .4D i 如呦tl e n g t I It od i 锄e t e rm l i oc h a 孵s 嘣np e a k 诵t } It l I ec h 舭g eo f m 舢v ed i s t 眦e 在药包直径相等的情况下,l 、2 撑、3 的应变峰 值具有相似的衰减规律。在离爆源最近的测点处, 3 、2 、l 撑应变峰值依次衰减,由于l 撑、2 、3 撑长径比 ≤8 ,可以近似为集中药包;6 、7 撑的应变峰值具有 相似的衰减规律,应变峰值的分布受药量的变化影 响较小。 在药包重量相等的情况下,长径比大的药包在 介质中爆炸应变峰值比长径比小的药包要大,尤其 在中远区表现的更加明显。长径比小于2 0 时,应变 峰值衰减快,体现了长径比小的药包的爆炸能量主 要作用于近区介质,对介质造成过度粉碎。长径比 大于2 0 时,应变峰值衰减较为缓慢。 图5 为不同长径比装药爆破效果。同等药量不 同长径比装药爆破后,长径比小于8 的装药爆破块 度不均匀,长径比大于2 0 的装药爆破块度均匀。长 径比大的药包的爆炸能量对介质作用较为分散,有 利于提高炸药的能量利用率。 3 结论 针对岩石爆破过程爆炸应变波信号易失真、难 测试的特点,建立了一套稳定可靠的超动态应变测 3 2 , O J o 0 4 巧 l-sb一翟芷≈耍奶 万方数据 第3 0 卷第2 期高祥涛,解北京岩石中爆炸应变波信号测试与分析 试系统,实测了小药量不同长径比装药在岩石模型 中爆炸产生的应变波,结论如下 a 3 药包长径比8 a 3 C h a r g el e n g t ht od i a m e t e rr a t i oi s8 b 7 药包长径比5 4 .3 b 7 C l I a 瑁el e n g I l lt od i 锄e t e rr “oi 85 4 .3 图5 不同长径比装药爆后效果 F i g .5D i 触n t l e 啦t od i a m 咖砒c 嘶加 b l a s t i l l ge 矗 t r 1 本次爆炸条件下岩体中应变的试验研究, 芦’用了较好的试验布置形式,能在爆源中心面上不 同距离处布点测试,取得了较好的试验结果。采用 合理的抗干扰措施,成功得到了稳定、可靠的爆炸波 信号,为研究岩体中爆炸波的传播奠定了基础。 2 岩石爆破过程中整个动应变一时间曲线是 爆炸应力波和爆生气体综合作用的结果;爆炸波综 合作用时间约为l O 炉,爆炸波对岩石介质综合作用 结果表现为持续的压和拉力的交替,初始以压应力 为主;本试验条件下爆炸加载应变率以1 0 4s 。1 的数 量级变化。 3 通过水泥砂浆模型中不同长径比耦合装药 爆炸波测试试验,测到了距爆源相对距离为1 4 .3 6 l 范围内爆炸波作用过程的应变信号。结果表明 药包长径比和药量的变化对应变峰值变化幅度影响 在爆源近距离处较大,在相对距离大于4 5 后影响较 小;装药长径比的改变直接影响着炸药爆破能量的 分配、传播及其对介质的作用效果,长径比大于2 0 时,应变峰值衰减较为缓慢。长径比大的药包的爆 炸能量对介质作用较为分散,有利于提高炸药的能 量利用率。 [ 1 ] 刘建亮.工程爆破测试技术[ M ] .北京北京理工大学 出版社,1 9 9 4 2 5 - 3 2 . 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P r e 8 吼l 弛b a rm e I [ I I o dt o Ⅱ地曩期J 弛t h e 棚e c t e db l a 或w m p r ∞叭t ei n8 删田1 l ∞a l ed i 如c e [ J ] .A c 协山哪明撇m 晡i , 2 0 0 7 ,2 8 1 0 1 2 5 6 一1 2 ∞. i I IC l l i n e ∞ [ 8 ] 徐国元,古德生,陈寿如.爆破破岩机理的实验研究 [ J ] .中南工业大学学报,1 9 9 r 7 ,2 8 6 5 2 2 - 5 2 5 . 万方数据 4 6爆破2 0 1 3 年6 月 上接第1 5 页 省级爆破有害效应公共信息网平台搭建容易、 管理运行难,如何确保快速、准确、安全地公布爆破 有害效应实测数据还有很多工作要做。如何让城 市、风景名胜区和重要T 程设施附近实施爆破作业 的爆破有害效应监测资料均纳入省级爆破有害效应 公共信息网,还需得到各级爆破主管部门的支持和 帮助。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 R e f e r e n c 髂 吴新霞,沙保卫.白莲河抽水蓄能电站取水口围堰拆 除爆破控制标准研究[ J ] .爆破,2 0 1 0 ,2 7 1 9 9 一1 0 3 . W UX i n - x i a ,S H AB ∞w e i .S t u d yo nb l 酗t i n gc ∞t m l l e d s L a n d a r do fi n t a l 【ec o 脆m 锄e x p l o s i v ed e m o l i t i 0 I Ia tB a i l - i 柚h ep u m p e ds t o r a g ep o w e r8 t a t i o n [ J ] .B l 鹅t i f I g ,2 叭O , 2 7 1 9 9 - 1 0 3 . i nC h i n e s e 张建华,黄刚.爆破震动对H M L 露天矿边坡影响的 研究[ J ] .爆破,2 0 1 2 ,2 9 2 1 1 4 - 1 1 8 . Z H A N CJ i 蛐一H u 8 ,H U A N GG 帅g .S t u d yo fb l ∞“n gv i - b m t i o ne f f &to nH M Lo p e n - p i tI I I i n es I o p e [ J ] .B l 鹳t i n g , 2 0 1 2 ,2 9 2 1 1 4 - 1 1 8 . i nC h i n e s e 苏贺。汪海波,宗琦.临近建筑物基坑岩石松动爆 破振动监测[ J ] .爆破,2 0 0 9 ,2 6 1 9 9 一1 0 1 . S UH e ,W A G NH a i .b 0 ,Z O N GQ i . B l 踮山1 9v i b r a t i o n m o n i t o r i n g0 ff o u n d a t i o nr o c kl o ∞eb l 鹅t i n gn e a rb u i l d i n g [ J ] .B l 鹊t i n g ,2 0 0 9 ,2 6 1 9 9 1 0 1 . i nc h i n e 跎 李君婷,崔建文.魏昶帆。等.2 2 层楼房爆破拆除震动 监测分析[ J ] .爆破,2 0 1 3 ,3 0 1 1 2 6 - 1 3 0 . [ 4 ] u J u n - t i r I g ,C u IJ i 鲫- 雠n ,w E lc h n g - ‰,e ta 1 .B l 酗- t i n gv i b m t i o nm ∞i t o r i r l go fe x p l o s i v ed e m o l i t i o no f2 2 - s t o . m ys t m c t u r { e [ J ] .B l a s t i n g ,2 0 1 3 ,3 0 1 1 2 6 - 1 3 0 . i n C h i n e ∞ [ 5 ] 曲广建,黄新法,江滨,等.数字爆破 I [ J ] .工程 爆破。2 0 0 9 ,1 5 2 2 3 - 2 8 . [ 5 ]Q uG u 肌g _ j i 锄,H U A N Gx i n f a ,J I A N GB i n ,e ta 1 . D i g i “b l 鹊t i I l ge n 舀n e 谢n g I [ J ] .E n g i n e e r i n gB l 脚 t i n g ,2 0 0 9 ,1 5 2 2 3 .2 8 . i nC h i n e s e [ 6 ] 黄跃文,吴新霞,张慧,等.基于物联网的爆破振动 无线监测系统[ J ] .工程爆破,2 0 1 2 ,1 8 1 6 7 .7 0 ,7 4 . [ 6 ] H u A N GY u e - w e n ,w ux i n .x i a ,z H A N GH u i .e ta 1 . W i r e l e %n e t w o r km o n i t o r i n gs y g 钯m b l a s t i n gv i b r 砒i ∞ b 鹊e d ∞i n t e m e to ft h i n 轳[ J ] .E n g i n e e r i n gB l 鹪t i n g , 2 0 1 2 ,1 8 1 6 7 - 7 0 ,7 4 . i nC h i n e s e [ 7 ]张慧,黄跃文,罗熠.工程爆破振动无线网络化记 录仪设计[ J ] .长江科学院院报,2 0 1 2 ,2 9 3 7 2 - 7 5 . [ 7 ]z H A N GH u i ,H u A N cY u e - w e n ,L U OY i .D e s i g no fe n g i . n e e r i n gb l 舾t i n gv i b 枷o nr e c o r d e rb a s e d 帅稍r e l e 鼹n e t . w o r kt e c l l f I o l o 盱[ J ] .J o 哪a lo fY 蚰异t z e 磁v e rS c i e n t i f i c R e ∞a r c hI 璐t i t u t e ,2 0 1 2 ,2 9 3 7 2 _ 7 5 . i nC h i n e 鸵 [ 8 ]杨年华,薛里,林世雄.爆破振动远程监测系统及应 用[ J 】.工程爆破,2 0 1 2 ,1 8 1 7 1 .7 4 . [ 8 】 Y A N GN i 锄.h u a ,x u E “,u NS h i .五o I l g .B l 舾t i I l g “. b T 砒i 佣弛m o t e 啪n i t o r i n g8 y s t e m 如di t sa p p l i c a t i o n [ J ] . E n g i n ∞r i r I gB l a s t i I l g ,2 0 1 2 ,1 8 1 7 l - 7 4 . i nC h i n e ∞ 万方数据