爆炸空气冲击波超压影响因素分析及控制.pdf

第 1 9卷第 2期 2 0 0 2年 6月 爆破 BLAS TI NG Vo 1 ． 1 9 NO． 2 J u n ． 2 0 0 2 文 章编 号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 0 2 0 20 0 1 5 0 3 爆 炸 空气 冲击波超压 影 响 因素分 析及控 制 顾 垒， 向 文飞 武汉 大学水利水 电学院 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 摘 要 爆 炸能量利 用率和空 气冲击波在传播 过程 中的外界 环境是影 响空 气冲击 波超压的 重要 因素 ， 在 因 素分析 的基础上 ， 介绍从 “ 减 源” 和“ 削波” 两方 面控制空 气冲击波超压 的措 施。 关键 词 空气冲击波超 压 ； 爆炸能量利 用率 ； 外界环境 ； 控 制措 施 中图分 类号 T D 2 3 5 ． 1 文献 标识码 A Ana l y s e s o n I nf l u e nt i a l Fa c t o r s a b o ut Ai r b l a s t Ov e r pr e s s u r e a nd I t s Co r n t r o l GU Le i， XI ANG W e n一 Wu h a n Un i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e c o e f f i c i e n t o f b l a s t i n g e n e r g y u t i l i z a t i o n a n d t h e o u t s i d e e n v i r o n me n t wh e r e a i r b l a s t p r o p a g a t e s a r e t wo i mp o r t a nt i nflue nt i a l f a c t o r s o n a i r bl ast o v e r pr e s s ur e．On t h e b a s i s of t h e f a c t or s a na l y s e s me t ho d，t he a i r - b l a s t o v e r p r e s s u r e i s c o n t r o l l e d f r o m t wo asp e c t s b y r e d u c i n g wa v e h e a d s p fi n g a n d b y we a k e n i n g wa v e ． Ke y wo r d s a i r b l a s t o v e r p r e s s u r e ；c o e f f i c i e n t o f b l a s t i n g e n e r g y u t i l i zat i o n；o u t s i d e e n v i r o n me n t ；c o n t r o l me a - sur e 1 引 言 超 压 是 反 映 空气 冲 击 波 特性 的 重 要 参 数 ， 是 对 建 筑 物进 行 动 态计 算 的理 论 基 础 。爆 炸空 气 冲击 波 是 一个 复 杂 的 高速 流 体 动 力 学 问 题 ， 通 常 采 用 非 定 常流 动理 论 和 实验 。以往 的 研 究成 果 一般 均 为利 用 实验 手 段 获得 真 实 爆 炸 过 程 中的 记 录 结 果 ， 并 在 此 基础 上 给 出空 气 超 压 的实 验 统 计 模 型 ， 同 时 运 用 流 场数 值 模 拟 方 法 开 展 研 究 ⋯ 1。 由 于 超 压 的 影 响 因 素 十分 复 杂 ， 影 响 了超 压 计 算 的 准 确 性 。对 超 压 的 重要 影 响 因素 进 行 合 理 的分 析 ， 并 采取 有 效 防 护 措 施 ， 尽 量 减小 空 气 冲击 波超 压 值 ， 把 空气 冲击波 对 人 和物 的 损 伤与 危 害 控 制 在 安 全 限 之 下 ， 具 有 重 要 的 工程 意 义 和理 论 价值 。 收稿 日期 2 0 0 20 32 9 作者 简介 顾 垒 1 9 7 5一 ， 男 ； 武 汉 武 汉 大学 水利 水 电学 院 硕 士 研 究 生 ． 2 爆 炸能量 利用率对 空气 冲击波超压 的影 响 2 ． 1 岩 石 性质 和 地质 条 件 在 爆 破设 计 中 ， 爆破 参 数 如 炸药 的单 耗 量 、 炮 孔 孔距 和 排距 、 堵 塞 段 长度 、 边 坡 保 护 层 厚 度 、 爆 破 安 全距 离 等 的选 择 都 应根 据 岩石 的物 理 力 学性 质 和普 氏 系数 加 以确 定 。 当软 弱带 穿 过爆 源 通 向临 空 面或 岩 体 爆破 作 用 范 围 内有 某些 空 洞 如 溶 洞 时 ， 爆 破 能 量 就 可 能 以 “ 冲炮 ” 或其 它 方式 溢 出 ， 增 大 了空 气 冲击 波 能量 ， 所 以在 爆 破 工程 中应考 虑 断层 、 层 理 、 褶 曲 、 节 理 裂 隙 、 软 弱 夹层 等 地 质结 构 面 的 性 质 及 其 产 状 ， 合 理 布 置 药 包 的位 置 ， 防 止 爆 破 能 量 沿 这 些 裂 隙 或 一 些 薄 弱 岩 体 部位 泄 露 到空 气 中 ， 产 生 较 大 的 爆 炸 空 气 冲击 波 。 维普资讯 1 6 爆 破 2 0 0 2年 6月 2 ． 2炸药 与 岩 石 的匹 配 状况 2． 2． 1 炸药 波 阻抗 同岩 石波 阻抗 问 的匹 配 为 了提 高爆 炸 能 量 利 用 率 ， 必 须 根 据 岩 石 的波 阻抗 来 选 择炸 药 品种 ， 使 它 们 的波 阻抗 达 到 良好 的 匹配 。实 验证 明 ， 炸药 的 波 阻 抗 值 愈 接 近 岩 石 的 波 阻抗 值 ， 则 爆 炸 能 量 的传 递 效 率 愈 高 。 对 坚 硬 致 密 的岩石 需 选 用波 阻抗 较 大 的 炸 药 品 种 ， 对 软 岩 则 需 选 择 波 阻抗 较小 的炸药 品种 【 3 l 。 2 ． 2 ． 2药 包 与 孔壁 的耦 合状 况 药 包 和炮 孔 间 留一 定 空 气 间 隙 ， 形 成 不 耦 合 装 药结 构 ， 由 于 药 包 四周 存 在 空 隙 ， 降 低 了 爆 炸 的 峰 压 ， 使爆 压 作 用 时 间增 长 ， 从 而提 高 了爆 破 能量 利 用 率 。 2 ． 3爆 破 方 法 和爆 破 施 工技 术 工艺 2． 3． 1 自由面 自由面 的大 小 、 数 目和位 置 对 爆 破 作 用 有 明 显 影 响 。 实践 证 明 ， 充 分 利 用 多 临 空 面 的地 形 或 创 造 人 工 自 由面 ， 有利 于提 高 能量 利用 率 ， 降 低爆 破 的单 耗 量 ， 减 少 总装 药 量 。平 行 坡 面 的斜孔 爆 破 。 由于爆 破 时 沿坡 面 的阻 抗 大 体 相 等 ， 且 反 射 拉 力 波 的作 用 范 围 增 大 ， 能量 利 用率 通 常 较 竖孔 高 。 2 ． 3 ． 2分段 间隔装 药 装药 结 构 的改 变 影 响能 量利 用 率 。在 炮 孔 中预 留空 隙 的 分 段 间 隔 装 药 可 以降 低 孔 壁 上 受 到 的 压 力 。爆 破 时 空气 间 隙起 着 像 弹 簧 的作 用 ， 把 初 始 阶 段爆 轰 气 体产 物 中 的一 部 分 能 量 贮 存 起 来 ， 使 得 爆 炸 初始 压 力 稍低 而 气 体作 用 时 间延 长 。在 爆轰 的后 阶段 中 ， 受 压 空 气将 大 量储 存 的 能量 释放 出来作 功 。 在露 天 深孔 爆 破 时 ， 建 议 空 气 间 隙长 度 与药 包 长 度 之 比为 0． 1 7--0． 4。 2 ． 3 ． 3起 爆药 包 的位 置 起爆 药 包 的位 置 决 定着 炸 药起 爆 后 爆轰 波 的传 播 方 向 ， 也 决定 了爆 轰气 体 的作 用 时 间 。近 2 0年来 我 国在 深 孔爆 破 中 逐 步 采 用 了反 向起 爆 技 术 ， 结 果 表 明孔 底 起爆 可 延 长爆 炸 产 物 在 孔 内作 用 的 时 间 ， 提 高爆 破 能量 利 用 率 ， 大 大 降 低 了爆 破 空 气 冲 击 波 等爆 炸 有 害效 应 【 。 2． 3． 4 堵 塞 堵 塞质 量 的好 坏 直 接影 响空气 冲击 波 的初 始 能 量 。有堵 塞 时爆 轰 气 体 产物 对 岩石 的作 用 时间 大于 无堵 塞 时 气体 作 用 时 间 ， 大 大 提 高 了爆 炸 能 量 利 用 率 。 在黄 土 和 石 灰 岩 中进 行 的有 无 堵 塞 钻 孔 爆 破试 验 如果 如表 1 。对 比结 果 说 明 了堵 塞 在 爆 破 中 的重 要 作 用 。 2 ． 3 ． 5起 爆 顺 序 与 问隔 时 间 在 成 组 药 包爆 破 时 ， 先 起 爆 的药 包 为 后 续 起爆 药包 创 造 了 自由面 。齐发 爆 破 和延 期爆 破 对岩 石 的 作用 过 程是 不 同 的 ， 秒 差 延 期 爆 破 实 际 上 是 单 发 爆 破 的简单 相 加 ， 毫 秒 微 差 挤 压 爆 破 是 利 用孔 问 微 差 迟发 不 断创 造 临 空 面 ， 使 岩 石 内 的应 力 波 与 先 期 产 生且 残 留在 岩体 内 的应 力 相 迭 加 ， 从 而提 高爆 破 的 能量 利 用 率 。在 深 孔 微 差 爆 破 中可 降低 单 耗 1 5 ％ ～ 2 5％ 。 表 1 钻 孔爆破有无堵 塞试验结 果 介质 装药量 分 ／ m／ m m ／ g ／m ／m ／％ 3外界环境对 空气 冲击波超压 的影 响 3 ． 1地 形地 貌 空气 冲击 波 在 传 播 过 程 中 ， 周 围 的地 形 条 件 会 对 它 产生 重要 影 响 。地 势 的起 伏不 平 或 山峰 的屏蔽 作用 会 大 大 阻 碍 其 传 播 ， 削 弱 冲击 波 的 强 度 ， 灌 木 丛 、 障 碍物 等发 生 的反 射 和绕 射 现 象 都 会 起 到 一 定 的阻挡 作用 ， 并 且 遇 到 障碍 物 多 次 反 射 的 能 量 损 失 都影 响到 冲击 波 的强 度 。开 阔水域 在 冲击 波作 用下 水 面产 生运 动 、 压 缩 而 且 还 会 蒸 发 由 此 会 吸 收 部 分 能量 ， 从 而 起 到 削 波 作 用 。 有 学 者 认 为 L 6 j ， 在 爆 炸 近 区 ， 水 在爆 炸 高 温 下 产 生 的蒸 气 阻 隔 氧 气 供 应 以 及通 过 吸收 热量 对 炸药 爆 轰 物 降 温 。 会 使 爆 轰 物 不 能充 分燃 烧 或者 使 燃 烧 过 程 减 缓 ， 这 也 是 水 能 缓 减 爆 炸 冲击 波 的原 因 。 3 ． 2空 气温 度 的倒 置 效应 如果 发 生 空 气 温 度 的倒 置 现 象 ， 即温 度 随着 高 度 升 高 而升 高 ， 那 么会 对 冲击 波 的强 度造 成 影 响 。 温度 对波 速 有 重 要 功 效 ， 温 度 高 则 波 速 大 。在 冷空 气 下波 速 降 低 ， 一 般 导 致 冲 击 波 方 向 从 地 面 朝 空 中弯 曲 ， 部分 能量 会 被 空 气 吸 收 。 当 空 气 倒 置 现 象发生 时 ， 温 度 升 高 时 波 速 也 增 加 ， 由于 波 速 被 增 加 ， 所 以波 的方 向会 朝 向地 面 弯 曲 ， 而在 离 爆 源某 个 距 离 的地 方 波返 回到地 面 ， 起 到加 强 波 的功 效 ， 波 的 方 向会 朝 空 中或 地 面弯 曲遵循 斯 奈尔 规 则 。在 某 个 合适 的 空气 温 度 倒 置 情 况 下 ， 冲 击 波 会 集 中在 某 一 个 狭窄 区域 造 成 比邻 近 区域 大 很 多 的 冲 击 波 强 度 ， 甚 至会 产 生邻 近 区域 没 有 冲击 波 的情 况 。 3． 3风 向 在顺 风 情 况下 ， 将 产生 风 速转 化 波速 效应 ， 增加 维普资讯 第 1 9卷 第 2期 顾 垒 等 爆 炸空 气冲击波超 压影响 因索分 析及控制 1 7 波速 。 在顶 风 情 况下 ， 风 速将 会 抵抗 速度 转化 效 应 ， 降低 波速 。 当风 速 足 够 大 时 ， 波 的 方 向 将 会 完 全 偏 离 顶 风 向而 成 为 顺 风 向 。在 没 有 风 的影 响下 ， 冲击 波 的集 中 区域 会 在爆 源 周 围成 环形 。 在风 向的 影 响 下 ． 此 圆环被 削 弱 成 新 月 形 的更 大 冲 击 波 强 度 集 中 区域 。 空 气 冲击 波 集 中能 够在 空 气温 度倒 置效 应 和风 向的共 同作 用下 发 生 。一 个关 于 冲击 波集 中的 例子 指 出[ ] 高 强度 的冲 击波 集 中在 大 约 1 8 ～2 0 k m 的 区域 ， 波 的强 度 可 以被 加强 到 正 常情 况下 的 1 0 0倍 ， 这也 可 能 就是 会 产 生 爆 源 近 区 的建 筑 物 未破 坏 、 而 较 远 区域 的 建筑 物 被破 坏 的 反常 现象 的 原 因之 一 。 3 ． 4热 空气 层 在 爆 炸 条 件 下 ， 由于爆 心 投影 点 附 近地 面 受 到 强烈光辐射的照射 ， 地面温度很高， 使得地面易蒸发 和挥发 的物 质 喷发 出地 面 ， 在 地 面 上 方 形 成 含 有 烟 雾 的 热空 气 层 。若 在 冲击 波 到达 某点 之 前热 空 气层 已经 形成 ， 那 么 冲 击波 将 在热 空气 层 中传 播 ， 其 影 响 是 极其 明显 的 ， 这 种 影 响通 常 又称 热 效 应 。在 热 空 气 层 中传 播 的 冲击 波 与 正 常 大气 中传 播 即理 想 条 件 下 的 冲击 波 相 比较 ， 其 超压 峰 值会 降 低 。 3 ． 5海 平面 高 度 根据 苏 联资 料 介 绍 ， 海 拔 3 0 0 0 m 处 冲击 波 超 压要 比海 平 面 上 的 超 压 小 9 ％， 而 海 拔 6 0 0 0 m 处 要 小 1 9％。 4 空气冲 击波超压 的控 制措施 针 对 以上 的分 析 与讨 论 可 发 现 ， 空 气 冲击 波 超 压 的控 制 问题 即是 “ 减 源” 与“ 削波 ” 。 4 ． 1 减 源 控 制措 施 减 源 控 制 措 施 应 该 与 影 响 因素 相 对 应 ． 从 提 高 爆 炸 能 量利 用率 人手 ． 采 取合 适 措 施 。 1 大规 模 爆破 前 应尽 量 查 明爆 区岩 石 性 质 和 地 质 条件 ， 特别 是 岩石 的波 阻抗 参数 ， 各 种地 质 结 构 面 的 性质 及 其 产状 等 ， 选取 与 之 较 匹配 的炸 药 品种 一 般 炸 药 的 波 阻抗 小 于 岩 石 的 波 阻 抗 ， 可 以采 用 增 加装 药 密 度 的办 法 来 提 高炸 药 的 波 阻抗 ， 达 到 二 者 的合 理 匹 配 。确 定 合 适 的装 药 量 十 分 关 键 ． 但 由 于 岩石 性 质 和爆 破 条 件 的多 变 性 ． 炸 药 爆 轰 反 应 和 岩 石 破碎 过程 的 复杂 性 ， 条 件 允 许 时 最 好 以 现 场 实 验 得 到炸 药 单 耗量 和 总 的 装 药 量 ； 按 被 爆 区 的 实 际 资 料来 确 定 合 理 的爆 破 参 数 ， 避 免 采 用 过 大 的 最 小 抵 抗 线 ， 防止 产 生 冲天 炮 ． 做 好爆 破 设计 。 2 提 高爆 破 施 工 工 艺 ， 改 善 爆 破 条 件 。充 分 利 用 自由面 ， 消 除 爆 破 夹 制 条 件 ， 减 少 炸 药 单 耗 量 ； 合理 采 用不 耦合 装 药 和 分 段 间 隔 装 药 结 构 ， 甚 至 在 深孔 的 不 同部位 装 填 不 同 威 力 的 炸 药 ， 降 低 孑 L 壁 所 受的压力峰值 ， 通过延长爆轰产物 在孑 L 内的作用时 间来提高爆炸能量利用率 ； 尽量采用反 向起爆技术 ， 选择 合 理 的微差 起 爆 方 案 和 微 差 间 隔 时 间 ， 微 差 间 隔 时间 应既 能保 证 先爆 孔 能 为 后 继 孑 L 创 造 临 空 面 ， 又能 达 到应 力 迭加 的要 求 ； 由 于 电 雷 管 能 准 确 控 制 起 爆及 延 时 时 间 ， 应 大力 推 广使 用 ， 尽 量 不采 用 高能 导 爆 索起爆 。 3 保证 堵 塞 质量 和 堵塞 长度 。 堵 塞 质 量 的好 坏 直接 关 系到爆 能 的 利 用 率 ， 应 绝 对 避 免 因堵 塞 质 量 而 出现 的 冲炮 现象 。堵 塞 材 料一 般 以较粗 的 有效 钻 屑 棱 形 碎 石 和 硬 质 黄 泥 为 好 ， 应 尽 量 使 堵 塞 密 实且 与 炮孔 壁 接 触 良好 ， 以保 证 二 者 间 有 足 够 大 的 磨 擦 力 。最优 堵 塞 长度 随着 岩 石 实际 强 度 的减 小 而 增 加 ， 堵塞 长 度一 般 大 于 2 5倍 炮 孑 L 直 径 ， 且 不 应 小 于最小 实 际抵 抗 线 。 4 合 理规 定放 炮 时 间 ， 最好 不 要 在 早 晨 、 傍 晚 或 雾 天放炮 ， 综合 考 虑爆 区 的地 形及 爆 时 的 风 向 、 天 气 气象 等 因素 。 4 ． 2削波 控 制措 施 为 削 减 空 气 冲击 波超 压 强 度 ， 可 在 爆 破 地 点 附 近 用各 种材 料 混 凝 土 、 岩 石 、 金 属 和其 它 材 料 构筑 阻波 墙或 阻 波排 柱 ， 可 使 空 气 冲击 波 在 形 成 的 瞬 间 减小到 1 ／ 5 0以上。试验表明 水力阻波墙的防止效 果较 好 ， 在 冲击 波 反 向 喷洒 水 的 防 止 效 果 较 差 。在 实 际应用 中综 合 考 虑 各 种 阻 波 墙 的 优 劣 ， 根 据 具 体 情况 合 理选 择 。 参 考 文献 [ 1 ] 林 大超 ， 白春华 ， 张 奇 ． 空气 中爆炸时爆 炸波 的超压 函数[ J ] ． 爆 炸与冲击 ， 2 0 0 1 1 4 l 一4 6 ． [ 2 ] 林从谋 ， 赵锦 桥 ． 工程爆 破 实用 技术 [ M] ． 北 京 煤炭 工 业 出 版 社 ． 1 9 9 8． [ 3 ] 中国力学 学会工 程爆 破 专业 委员 会 ． 爆 破工 程 [ M] ， 北 京 冶 金 工 业 出 版 社 ． 1 9 9 2． [ 4 ] 李孝 林 ．起爆 点 位 置 影 响爆 破 效 果 [ J ] ． 爆 破 ， 1 9 9 9 4 6 36 7． [ 5 ] 陆 文 ， 张志呈 ．钻孔爆 破 中炮 孔堵 塞作 用机 理研 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