大当量炸药齐爆远区安全性分析.pdf

3 2 爆破器材E 】【灿谳v eM a l e r i a l 8第3 8 卷第2 期 大当量炸药齐爆远区安全性分析’ 张朋军何洋扬赵红宇 北京达安爆锚工程部 北京，1 0 0 0 9 3 张炜 总装工程兵北京军代室 北京，1 0 0 0 7 1 [ 摘要] 炸药爆炸后的安全性问题是涉爆类试验研究的关注重点，文中分别从爆炸冲击波与爆破地震波的危害 效应进行了研究，计算得出了某当量装药条件下爆炸远区的相关爆炸参数，总结出了其分布与衰减规律，为今后类 似试验研究工作的顺利进行与安全组织管理莫定了科学基础。 [ 关键词] 爆炸冲击波爆破地震波爆炸安全 [ 分类号] 。I J 4 1 0 ．8 9 l 引育 当炸药在大气环境中爆炸时，瞬间形成由爆炸 产物组成的高温、高压火球，该火球急剧、迅速地向 周围空间膨胀，压缩空气形成极强的冲击波⋯。爆 炸冲击波的破坏效果主要取决于冲击波的超压、动 压峰值及其作用时间。当爆炸能量释放到大地上， 爆炸冲击波会转换为爆炸地震波向四周传播，引起 地面质点速度、加速度发生突越，对建筑物构成威 胁。 为减轻和预防、预测炸药爆炸的破坏作用，研究 爆炸冲击波、爆炸地震波在不同距离 远区 的传播 规律，给出其爆炸威力的预测计算值有着重要的实 际意义。 2 算例背景 研究问题3 0 0k g 铵梯炸药平铺在5 m 2 m 的 地面上同时起爆，计算其远区爆破危害的影响程度。 铵梯炸药是以硝酸铵和梯恩梯 ’ⅢT 为主要成分的 粉状炸药。其组分还有木粉、防结块剂、防潮剂或消 焰剂等。最典型的代表品种为2 号岩石铵锑炸药， 配比为硝酸铵8 5 ％，梯恩梯1 1 ％，木粉4 ％，另加 入微量的防潮剂等。这类炸药的密度变动范围不 大，一般在0 ．9 5 一1 ．1 0 9 ／c m 3 。装药密度大于此值 时，起爆的感度下降，甚至不能起爆或产生熄爆现 象，其爆速为3 0 0 0 一3 5 0 0 r n ／s 【2 J 。 当量换算铵梯炸药与梯恩梯的当量换算值约 为l 0 ．7 0 。即3 0 0 k g 铵梯炸药的当量约为2 1 0 k g 梯恩梯炸药。 3 远区冲击波超压计算方法 空气冲击波一般存在于爆源附近的一定范围 内，对建筑物、设备和人员等会造成不同程度的危 害，常常会造成爆区附近建筑物的破坏、人类器官的 损伤和心理反应。而其空气冲击波在传播时，随着 距离的增加，高频成分的能量比低频成分的能量衰 减得更快，这种现象常常造成在远离爆炸中心的地 方出现较多的低频能量，这是造成远离爆炸中心的 建筑物不会被破坏的原因。因此，爆破作业时必须 确定其危害的距离。 在现有的爆炸冲击波参数的研究中，由于冲击 波传播规律的复杂性，还不曾给出传播过程中在远、 中和近区普适成立的统一解析描述。随着电子计算 机的发展，近几十年来利用这种手段对各种爆炸进 行了大量计算，以寻求冲击波的传播规律。在工程 上，已有不少从实用的角度出发，根据相似理论和大 量数值计算结果，拟合出分别在不同距离上适用的 经验公式。这些研究从不同的侧面研究了爆炸冲击 波的特性，得到了在某些特定范围和区域中适用的 解析描述。 由高速摄影光测试验得到的平面装药爆炸冲击 波波阵面发展图像可知，平面装药爆炸形成的冲击 波波阵面是随着距离的变化而变化的。靠近药包 时，波阵面是两端为半椭球形的圆柱面；较远时，波 阵面近似为椭球面；趋于很远时，则接近于圆球面， 如图l 所示p 1 。 由图1 可知，在爆炸远区 1k m 、2k m 平面装 药爆炸冲击波的传播与衰减规律可按球面情况处 理。利用积分形式的能量方程H 】 苦J ．p 【譬 面{ 而】d y p o ‰害警 1 式中r 激波半径； p o 、晶激波前气体密度和比内能； 收稿日期2 0 ∞伪彩 作者简介张朋军 1 9 6 3 一 ，高级工程师．主要从事地雷与爆破器材应用技术研究。E 岫d 锄哪1 1 2 3 l “u ．咖 万方数据 2 0 0 9 年4 月大当量炸药齐爆远区安全性分析张朋军等 3 3 冲击波 图l 平面装药爆炸冲击波波阵面传播图 单位m E 激波阵面所包围的体积； p 妒、耻气体压力、密度和速度； 后气体的绝热指数。 在强激波问题中，流场的特点是激波后的质量 几乎都集中在激波附近 例如球对称单点爆炸，若 取J | } 1 ．4 ，则约9 5 ％的波后质量集中于波后2 0 ％一 2 5 ％的半径区 ，质点速度与激波阵面上 后 速度 很接近。 装药在普通土壤地面爆炸时，地面土壤受到高 温、高压爆炸产物的作用发生变形、破坏，甚至抛掷 到空中形成炸坑。1 0 0 0 k gn 盯在地面爆炸留下的 炸坑约3 8m 3 。因此在这种情况下就不能按刚性地 面反射来考虑，而应考虑地面消耗了一部分爆炸能 量，即反射系数要比2 小，在此种情况下，等效药量 c ． 1 ．7 一1 ．8 l 【g 。于是，对普通地面可以取c ． 1 ．8 k g ，有 △p ．- o ．- 0 2 譬 o ．3 鲫 譬 2 ．．2 6 譬 3 2 根据贝克 w ．E ．B a l 【e r 一书中的 数据可以得到从装药表面到很远距离处冲击波超压 胁 的计算公式为 △见 o ．0 6 7 譬 o ．3 0 譬 2 o ．4 3 - 譬 3 3 式中 △p 无限空气中爆炸时冲击波的峰值超 压； C - 梯恩梯当量，k g ； r _ 测点距爆心的距离，m 。 分别选取1 0 0 m 、5 0 0 m 、1 0 0 0 m 、1 5 0 0 m 和3 0 0 0 m 处进行计算，结果如表l 所示。绘制△p r 曲线 图 2 ，可知其呈指数型衰减。 表l3 0 0 k g 铵梯炸药的爆炸冲击波超压计算 距离，／m 1 0 05 0 0 1 0 0 01 5 0 03 0 0 0 超压△p ／P a 2 2 3 ∞8 8 43 0 81 7 26 4 图2 平面装药爆炸冲击波远区衰减规律 对比表1 和表2 中的数值可知，3 0 0k g 铵梯炸 药同时起爆后在5 0 0m 、1 0 0 0m 、1 5 0 0m 、3 0 0 0m 处 所形成的冲击波超压均在安全限制以内。不会对人 员造成任何伤害，而在1 0 0m 处冲击波超压处于轻 微伤害范围，可认为1 0 0m 为爆炸冲击波临界安全 距离。 表2 冲击波超压对人体的伤害 △p ／1 旷P a伤害等级 伤害情况 0 ．2 0 ．3 轻微轻微挫伤 0 ．3 0 ．5 中等听觉器官损伤，中等挫伤，骨折 0 ．5 1 ．0严重内脏严重挫伤。可能死亡 1 ．O 极严重大部分死亡 4 远区爆破地震波计算方法 场地爆破振动衰减规律是爆破设计的理论依 据，是爆破工程中必须解决的关键问题【5 】。然而， 由于爆破荷载作用下介质中质点振动特性受爆破参 数、地质地形条件、岩土体介质动力学特性等因素影 响，无论是理论上还是实际工程应用中准确分析爆 破振动衰减规律都具有相当大的难度。目前，有关 爆破振动衰减规律的研究方法可大致分为4 种波 动法、数值法、数据拟合法和萨道夫斯基法。 1 波动法基于波动理论研究爆破地震波在 介质中的传播过程，进而推导出爆破振动速度衰减 公式。卢文波等采用波动法推导得到了岩石中爆破 振动速度幅值衰减公式。但波动法假定介质为均质 连续线弹性材料，这使公式在工程应用方面仍有一 定局限性。 2 数值法以运动学方程及能量守恒定律为 理论基础，通过建立数值模型计算得到爆破荷载作 用下介质的实时应力场、位移场等，以实现对真实物 理过程的模拟。常用的数值法有离散元法、有限元 法、有限差分法、边界元法及耦合法等。杨伟林等采 用波动有限元分析法研究了复杂场地条件下爆破振 动特征及衰减规律。夏祥等运用离散元法分析了节 万方数据 3 4 爆破器材＆p 1 0 8 i v eM a t c r i a l 8第3 8 卷第2 期 理岩体中质点振动速度幅值随爆源距离变化的衰减 规律。数值法可以真实再现物理过程，揭示爆破振 动衰减规律的影响因素；然而由于难以准确描述爆 破初始荷载、岩体结构特征等，数值分析结果难以直 接应用于工程爆破设计中。 3 数据拟合法在爆破实测数据的基础上，采 用遗传算法或人工神经网络等算法，使算法预测值 对实测值具有很高的拟合度。然而，这种方法抛开 了物理量之间的相互关系及变化规律，缺乏明确的 物理意义，有”黑箱”之嫌，在实际工程中应用也具 有一定的局限性。 4 萨道夫斯基法以传统的爆破振动速度衰 减公式萨道夫斯基公式为基础，给出爆破振动速度 随炸药量、爆心距等因素的定量关系。引用这种方 法具有明确的物理意义，应用方便快捷，可为爆破设 计提供理论依据，至今仍是爆破工程中最普遍采用 的方法。萨道夫斯基法有两个关键问题需要解决， 即萨道夫斯基公式形式及公式中参数的确定。 在爆破工程中，爆破振动衰减规律主要通过介 质质点振动速度幅值与装药量和爆心距的变化关系 来反映。一般而言，振动速度幅值随炸药量增加而 增加，随爆心距增加而减小。这一规律可通过工程 中常用的萨道夫斯基公式定量描述 谳 芋 4 叫 4 式中口介质质点振动速度幅值，c n ∥8 ； 9 啡药当量，k g ，齐发爆破时为总药量， 延时爆破时为最大一段药量； r 爆心距，m 。指爆破点到介质质点的 距离； K ，口一从爆破点至介质质点间的地形、地质 条件有关的系数和衰减指数，分别取 1 5 0 和1 ．5 ； 介上 p 比例药量p 。 分别选取1 2 0 m 、5 0 0 m 、1 0 0 0 m 、1 5 0 0 m 和3 0 0 0 m 处进行计算，结果如表3 所示。绘制坩曲线 图 3 ，可知其呈指数型衰减。 表33 0 0 k g 铵梯炸药的爆破地震波计算 依据 G B 6 7 2 2 ．1 9 8 6 规定一 般砖房、非抗震的大型砖块建筑物的爆破振动安全 图3 平面装药爆波地震波衰减规律 允许标准为2 ．0 3 ．Oc n ∥s 。故当一次齐爆3 0 0k g 铵梯炸药时在5 0 0m 、l 0 0 0m 、1 5 0 0m 、3 0 0 0m 处所 形成的爆炸地震波引起的质点运动速度均在安全限 制以内，不会对建筑物构成威胁，而1 2 0 m 处地面振 动速度处于一般建筑物震动安全临界值，可认为 1 2 0 m 为爆炸地震波临界安全距离。 5 结论 1 爆炸冲击波的传播距离、起爆药量和装药 形状以及地形条件等因素均对其峰值压力有影响， 这使得以往的研究结果得到了进一步证实。 2 爆破地震波主振相的持续时间主要与介质 阻尼系数、爆破能量的大小和形式有关，特别是对于 确定的测点，其速度最大幅值是衡量其爆破安全性 的重要指标，且随传播距离的增加呈指数型衰减。 在一般岩石介质中，爆破地震速度峰值在折合距离 为1 2 l n ／k g 以内时衰减较快。当折合距离在1 2 3 7 n ／k g 之间时，则其衰减趋于平衡。 3 通过上述计算、分析可知，当3 0 0k g 铵梯炸 药同时起爆后，其所形成的爆炸冲击波与爆破地震 波在距爆心1 2 0 m 处为其临界安全距离 未考虑飞 石影响 ，5 0 0 3 0 0 0 m 范围内是绝对安全的，无需进 行特殊防护，该爆炸试验方案可行。 参考文献 [ 1 】乔登江．核爆炸物理概论[ M ] ．北京原子能出版社。 1 9 韶．1 1 0 一1 1 4 ． [ 2 】王晓峰，郝仲璋．炸药发展中的新技术[ J ] ．火炸药学 报，2 0 0 2 ，3 l 4 3 5 3 8 ． 【3 】都浩，李忠献，郝洪．建筑物外部爆炸超压荷载的数值 模拟[ J ] ．解放军理工大学学报，2 0 0 7 ，8 5 4 1 3 4 培． [ 4 ] 周南，田宙．爆炸冲击波参数计算的普适公式[ J ] ．兵 工学报，1 9 9 5 ，1 6 3 2 3 2 7 ． [ 5 ]张雪亮，黄树堂．爆破地震效应[ M ] ．北京地震出版 社，1 9 9 1 ．1 2 2 1 2 6 ． 下转第3 7 页 加协m佗m倔∞∞陀0 O O 0 O O O O O O O 【IIS．Eu，， 万方数据 2 0 0 9 年4 月危桥控制爆破拆除实践沈彤等 3 7 管 图2 爆破网络局部示意图 的稳定性，大大地降低了起爆网络拒爆的可能性。 延期时间的设计主要考虑三个因素一是构件 的塌落时间；二是有利于桥梁倒塌和解体；三是延期 雷管的种类和段数。本工程桥梁为三跨结构，中间 跨最先起爆，接着其余两跨同时起爆；对于同一跨来 说，两侧先爆，中间后爆；同一切口上下同时起爆。 经过分析和计算，此次爆破均采用5 0 0 啦时差延 期。每次爆破均采用多段延时起爆技术。 4 安全措施 由于七闸桥地处环境复杂，桥梁东西引桥也为 钢筋混凝土结构，引桥下皆有居民区；桥的两河堤岸 为通行路。所以对于飞石散逸距离的控制和居民的 生命及财产安全要求都非常严格，本次爆破采取了 如下防护措施 1 根据桥梁的实际情况，桥梁的中跨南侧拱 肋被运输船撞断的影响，采取了预加固的措施，保证 了施工过程中的安全性； 2 对陆地及水域危险区进行严格警戒； 3 在连接好起爆网络后。在桥面的炮孔上第 一层覆盖两层竹笆，第二层覆盖沙袋。在拱梁的两 侧悬挂两层竹笆，并用铁丝固定进行近体防护； 4 选用优质炮泥，对炮孔加以严密堵塞。 5 爆破效果 此次施工从开始钻孔到处理完全部钢筋砼桥梁 上部共用2 0d ，与预期计划吻合。起爆后所有钢筋 全部外露 只需稍稍敲打后就直接将钢筋进行焊 割 ，经严密防护，飞石仅落在周围十几米范围内。 具体是每一跨都是从中间起爆，然后依次向两侧延 伸。倒塌过程是每一跨以拱脚为轴，向每一跨的中 心旋转倒塌。由于是空中爆破加上水的缓冲，爆破 振动非常小。爆破脉冲噪声控制在l o od B 以内H J 。 总体上达到了预期的效果。 6 结语 本次危桥的拆除控制爆破非常成功，得到了江 都市市政府各级领导的好评。因桥面上钢筋混凝土 结构的护栏爆破后不利于桥梁的倒塌，所以预先将 对应布孔位置的栏杆采用机械破碎断开，给桥梁的 断裂倾倒创造了便利条件。 参考文献 [ 1 】秦明五．控制爆破[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 鲐． 2 6 0 3 ∞． [ 2 ]王有志，王广洋，任锋，王广月，等．桥梁的可靠性评估 与加固[ M ] ．北京水利水电出版杜，2 0 0 2 ．1 8 0 一2 2 0 ． [ 3 】刘殿中．工程爆破实用手册 第二版 【M ] ．北京冶 金工业出版社。2 ∞3 ．6 5 8 6 7 7 ． n 舳o m 氲咂o fB d g e 栅b yC 伽舾枷e dB l a s 血喀 S 加狲T 帆g ，x UQ I 珊I j 姐，K O N G 眦，T A N GB i r I g w 饥 B l g i ∞口i 嵋I I l s 咖u 钯E I l g i I l 嘟C o r p 8 ，P L Au I l i w 巧畸o fS c i e n ∞＆‰l l l l o l o 盯 J i 肌g 叭N 鲫j i 唱，2 1 哪 [ A B S r I lA c T ]B 枷玛枷t i ∞0 fg 砌e r ．a m h 晡d g ei nd 柚8 盱i 8 傀r r i e do u t ．P r e r e i 血鹏e 哪吐肌dp 陀d e m 出6 蚰 a 地u 6 e df 打t b ep 叭i c 崎t y0 ft h eb r i d g e ．T h ec l u 8 t e r - 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