爆破地震波及防护探析

爆破地震波及防护探析

1、引言

爆破地震波是爆炸能量引起爆区周围介质点相继沿其平衡位置发生振动而形成的地震波。尽管爆破地震波波压低、速度慢，其传播能量仅为爆炸总能量的很少部分，但由其所致周围建（构）筑物的毁伤效果却不容忽视，特别是其低频部分能量引起建（构）筑物所产生的共振，对建（构）筑物能产生致命的毁伤。目前对于爆破地震波的研究主要是在防护方面，目的是为了减小在工程实践中爆破地震的危害。炸药爆炸释放出来的能量以两种形式表现出来，一种是冲击波，另一种是爆炸气体。随着传播距离的增大，冲击波衰减为应力波和地震波，地震波引气的（近地表）地面振动称为地震动。当这种震动达到一定强度是，就会对爆区周围的建筑物造成一定的破坏。因此，很多爆破工作者正在进行不断地试验和研究，寻求有效地控制爆破震动的方法。

2 爆破地震波特性研究

2.1 爆破地震波的形成及分类

当炸药在岩体中爆炸时，一部分能量使炸药周围的介质引起扰动，并以波的形式向外传播。在爆破近区、中区传播的依次是冲击波、应力波，地震波由应力波在传播远区到达界面产生反射和折射叠加而形成，它包括在介质内部传播的体波和沿分层岩石层面传播的面波。体波具有周期短、振幅小、衰减快的特点；面波特点是周期长、振幅大、传播速度慢、衰减慢和携带的能量大。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，其在爆破近区起主要作用；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，其在爆破远区起主要作用。

2.2 爆破地震波的传播特性及影响因素

由于爆源的复杂性，传播介质的物理力学特性和地形地貌的多变性，使得爆破地震波具有随时间作复杂变化的随机不可重复的特性。不同条件下的爆破所产生的震动波形是明显区别的，不但在震动幅值上变化复杂，而且波的频率和持续时间也与震源特性、爆心距、爆破规模和介质的不同显出明显的差异性。文献[2]指出爆破地震波富含各种频率成份，具有瞬态性、随机性和危害性的特征。在传

播过程中，波的有关参数和时频特征常与爆源条件、传播介质的物理性质、结构特征及地形地貌等因素密切相关。

对爆破地震而言，爆破地震波参数——幅值、频谱和持续时间能较全面地反映地震波的特性，但其影响因素复杂。概括来说爆破地震波特性主要受爆源和地质地形因素的影响。主要影响因素为：1）装药量和爆心距的影响，震动强度随着装药量的增加而增大，随着爆心距的增加而减小；2）爆破作用指数的影响，爆破震动随着爆破作用指数的增大而减小；3）爆区地质条件的影响，顺岩石层理总比逆岩石层理震动大，不同岩石的震动强度也不一样；4）裝药结构的影响，采用不耦合装药能降低振动的速度；采用空气间隔装药时，振动能减少10%-30%；5）爆破微差间隔的影响，微差时间间隔t>9s时，振动强度和微差时间无关，大孔距较小孔距的振动速度小。

以上研究成果表明，影响地震波传播的主要因素在不同的条件下各有不同。在理论研究的基础上，建立合理的数学模型，对爆破地震波的传播过程进行数值模拟计算，然后通过实验数据验证理论计算模型及计算结果，这对工程应用有着重要的指导意义。

2.3 爆破地震波信号分析

通过国内外大量实测结果分析，大致可总结得出以下形式的经验公式：

A=KQmRn

式中

A ——反映爆破振动强度的物理量（振动加速度或速度）；

Q ——炸药量，kg；

R ——测点到爆源中心距离，m；

K、m、n ——反映不同爆破方式、地质、场地条件的系数和指数。

爆破地震波是一种短时非平稳随机波形，其复杂性是无法用单一谐波描述的。爆破震动波形可以直观的分析出爆破震动强度的物理量，但像频率的高低，分布情况，能量的大小等物理量从波形图中很难得到。只有经过频谱分析才能获得振动各参量中的各频率成分和分布范围，得到主振幅的频率值。目前进行频谱分析的主要方法有FFT法、小波分析法、HHT分析方法。

3 爆破地震波的防护

3.1 爆破震动安全判据

早期的安全判据制定一般都根据单一强度参数来制定，我国1986年颁布的《爆破安全规程》就是以地面质点振动速度作为安全判据的。但随着爆破技术的深入研究，美国、德国、瑞典等一些国家已经考虑了振动速度和对应频率的综合影响。文献[3]就此问题阐述了同时采用质点振速和频率两个指标作为爆破震动安全判据的必要性、可行性，并介绍了爆破震动频率的计算公式。文献[4]提出应用频响效应原理和药量等级系数评判振动安全。

实践证明：被保护的结构物的破坏是与结构响应有关的多种因素综合作用的结果，它除了与爆破地震引起的质点振动速度、加速度、位移、频率以及持续时间有关外，与结构物本身对于爆破地震波的动力响应特性也有着很大的关系。总体来说，爆破地震效应安全判据正在由独立阈值理论向多因素综合判据发展。

3.2 爆破地震波的防护与利用

为了降低爆破地震效应，国内外进行了长期的探讨和研究。较为普遍的观点认为，降震的目的是解决炸药爆炸能量最大限度利用与爆破地震效应的矛盾。

文献[5]提出从能量源、能量传播介质和能量传播过程三方面，来考虑减少炸药剩余爆炸能量的有害效应。文献[6]从微差爆破实现爆破震动灾害主动控制入手，研究并得到了微差爆破的较优微差延期时间。周国祥[7]等人介绍了缩量减震法、截波减震法、爆源分散减震法及不耦合装药减震法。此外，还有大量关于预裂缝、减震沟等措施的文献。

总结起来，对爆破地震的防护主要从两方面着手：一是在传播途径中加以控制，开挖预裂缝或减震沟；二是控制爆破参数及爆破方式等，主要都是在控制爆破地震波的振幅、频率、持续时间以及传播等方面来下工夫。

前已述及，对于在工程爆破而言，人们一般只认识到爆破地震波的危害，从而在防护方面研究较多。而在军事领域，由于近年来军用高能炸药发展缓慢，提高武器爆炸威力的两个手段：增加装药量和提高炸药比威力都受到了制约。因此，人们开始着力于对炸药爆炸能量破坏规律进行研究，通过分析爆破地震波的振动传播规律，了解和控制地震破坏特性，使之应用于对军事目标的破坏。

4 结束语