爆破地震波能量分布研究_徐振洋
大煤山山坡露天矿爆破振动数值模拟
大煤山山坡露天矿爆破振动数值模拟徐玖云【摘要】矿山生产过程中产生的爆破振动一直是最主要的爆破危害,因此有必要对其进行严格预测和控制.针对大煤山山坡露天矿特点,阐明了矿山爆破振动产生的机理及传播特性,对山坡地形爆破进行了数值模拟研究,分析了不同山坡地形尺寸以及爆破位置的爆破地震波传播衰减规律.选取5个不同参数变量,通过量纲分析得出了爆破振速预测的函数模型,运用SPSS数据分析软件进行了振速预测公式的回归拟合,并通过现场的测试应用检验了上述数值分析成果的有效性.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】4页(P126-129)【关键词】爆破振动;爆破危害;数值模拟;爆破振速;SPSS【作者】徐玖云【作者单位】湖州南方矿业有限公司【正文语种】中文湖州南方矿业有限公司大煤山石灰石矿位于长兴县城北西28 km的煤山镇西侧。
矿区地处低山丘陵区，山体呈NE—SW长条形展布，最高点位于矿区东侧大煤山，顶部标高约+171.39 m，矿体为硬质碳酸盐岩组石灰岩，薄—厚层状构造，矿石较致密坚硬，抗风化能力较强，倾角较小，构造、节理裂隙较发育，边坡高度总体较小，现状稳定性较好。
矿区开采较规整，自矿山顶部向下分台阶式开采，边坡高度14～16 m，坡度55°～75°。
目前开采平台标高110 m，由于矿山南侧山脚有村庄，生产中的爆破振动对其有一定的影响，因而有必要对该山坡露天矿爆破振动衰减规律进行深入研究。
当炸药在岩体介质中发生爆炸时，首先产生的爆炸冲击波和应力波随着传播能量的衰减产生爆堆地震波。
一般情况下，可认为爆破地震波在岩土介质中的传播及衰减的规律主要受岩体介质特性、传播过程中的地形条件、装药参数、装药结构等因素的影响[1-4]。
当炸药在岩体介质中爆炸时，首先在炮孔内产生高温高压气体，气体膨胀对周围岩石做功，产生爆炸冲击波，对炮孔周围的岩土体造成破坏，形成压碎圈和破碎圈；然后随着传播距离的增加，距离爆源10～15倍的药包半径时转化为应力波，当应力波通过破碎圈时，由于裂隙的存在导致其强度迅速衰减，减弱到不足以对岩体造成破坏，仅能引起岩体质点的弹性振动，该类弹性振动便以弹性波的形式继续向前传播，与自然界地震类似的弹性振动波也会引起地表震动，因而称该类弹性振动波为爆破地震波。
高精度雷管逐孔起爆地震信号的精确时频分析
高精度雷管逐孔起爆地震信号的精确时频分析
徐振洋;杨军;陈占扬
【期刊名称】《煤炭学报》
【年(卷),期】2013(038)0z2
【摘要】靠近煤炭筒仓建筑等的重要设施进行台阶爆破时,必须严格控制爆破振动低频带上能量的大小.基于HHT(希尔伯特-黄变换)方法,结合别斯库都克露天煤矿台阶爆破逐孔起爆方案,研究爆破振动信号的时频及能量分布特征.结果表明:研究建(构)筑物受爆破振动响应,选用爆破振动信号水平分量更为合理;分析爆破振动信号时频特征需结合爆破参数、场地等多因素;高精度雷管逐孔起爆方案可以使爆破振动信号能量分布更均匀,减少能量在10 Hz以下低频带上的分布.
【总页数】6页(P331-336)
【作者】徐振洋;杨军;陈占扬
【作者单位】北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081;北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081;北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081
【正文语种】中文
【中图分类】TD235.22
【相关文献】
1.高精度导爆管雷管及逐孔起爆技术的应用 [J], 汪忠海;周明义;赵改昌;田新邦
2.高精度导爆管雷管及逐孔起爆技术在黑岱沟煤矿的应用 [J], 张勇
3.澳瑞凯高精度导爆管雷管及逐孔起爆技术的应用 [J], 汪忠海;周明义;赵改昌;田新邦
4.逐孔起爆技术及高精度导爆管雷管在大连石灰石矿的应用 [J], 孙晖;刘万刚;魏军;于冰;田小宝
5.基于时频重排的地震信号Wigner-Ville分布时频分析 [J], 吴小羊;刘天佑
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煤矿岩巷爆破振动信号能量分布特征的小波包分析
中 图分 类 号 ：ＴＤ２ ３ ５ ． １ ；０３ ８ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ０ ０ ４ — ４ ０ ５ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ — ０ １ １ ０ ０ ４
［ ３ — ４ ］ 给 出 了关 于小 波 包 分 解 严 密 的 数 学 理论 和 数 值计 算方 法 。 中国生 等 Ｌ ｃ 运 用 小 波 包 分 析技 术 对 爆破 振动 信号 的能 量 分 布 特征 进 行 了研 究 ， 从 能 量
角度 探讨 了爆 破地 震波 的衰减 规 律 。本文 在煤矿 岩 巷 掘进爆 破振 动监 测 的基 础 上 ， 采 用 小 波包 变 换 将
（ 安 徽理 工 大学矿 山地 下 工程 教 育部 工程研 究 中心 ，安徽 淮 南 ２ ３ ２ ０ ０ １ ）
摘 要 ：爆 破 振 动 监 测 与分 析 是 研 究 爆 破 振 动危 害控 制 的基 础 和 前 提 。 以煤 矿 岩 巷 掘 进 爆 破 为 工 程 背景 ， 通 过 现 场 测 试 研 究 了爆 破 振 动 对 周 边 围 岩 及 附 近 既 有 巷 道 结 构 的 影 响 。根 据 小 波 包 及 其 能 量 谱 分 析 基本 理论 ， 对爆破振动信号 进行小 波包 分解 ， 得 到 了 信 号 能 量 在 不 同 频 带 范 围 内 的 分 布 特 征 。结 果 表 明： 能 量 在 频 域 上 的分 布 范 围广 泛 但 极 不 均 匀 。爆 破 振 动 的 优 势 能 量 ， 主 要 分 布 于 主 振 频 率 所 在 的频 段 。
基于希尔伯特-黄变换的远区爆破振动信号能量演化及分布规律
第16卷第30期2016年10月科学技术与工程Vol. 16 No. 30 Oct. 2016 1671 —1815(2016)30-0047-06 Science Technology and Engineering ©2016 Sci. Tech. Engrg.矿冶工程基于希尔伯特_黄变换的远区爆破振动信号能量演化及分布规律唐旭1>2邹飞2’3’4**方正峰1>2(贵州大学资源与环境工程学院1 ,贵阳550003;贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司2,贵阳550081;中南大学土木工程学院3,长沙410075;贵州省交通建设工程质量监督局4,贵阳550000)摘要基于H H T分析法，对远区爆破振动信号进行时频分析。
研究信号中能量随爆源距增加的演化及分布规律。
结果表 明：爆破振动总能量及峰值能量随着爆源距的增加衰减较快;低频段能量在传播过程中会随爆源距增加有增大的趋势；而中 高频能量则是随着爆源距的增加有减小的趋势。
同时，爆源距对远区爆破振动的频率段构成也会造成影响，即频率左右限均 有减小的趋势；但频带宽度总体保持不变。
考虑爆破振动信号所携带的能量信息在爆破振动设计方案的优化中同样具有重 大的工程意义。
关键词希尔伯特-黄变换（Hilben-Huang transformation，HHT) 爆破振动能量 能量集中频段 各频段能量分布中图法分类号TD235. 1; 文献标志码A爆破作为一种快速、有效且经济的施工方法，广 泛应用于工程的各个领域。
爆破振动效应所带来的 负面相应的成为当前研究的重点。
早期衡量爆破振 动安全性的指标仅仅是质点峰值振动速度或加速 度;但是这样单一的安全判据仅仅考虑了爆破振动 对建筑物的影响，忽视了建筑物自身结构对于爆破 振动波的响应特征，不能真实的反应爆破振动过程 中的受力情况，也无法揭示结构破坏的机制。
爆破振动对建筑物影响的实质是一种能量转化 和传递的过程。
不同爆源形式的爆破地震能量分布特征
不同爆源形式的爆破地震能量分布特征李洪涛;杨兴国;舒大强;卢文波;高星吉【期刊名称】《四川大学学报（工程科学版）》【年(卷),期】2010(042)001【摘要】爆破地震对建筑物的影响实质上是一种能量的传递与转化过程,这种传递与转化的过程受到爆破地震波能量分布特征的影响.利用基于功率谱的爆破地震能量分析方法,借助大量工程实测数据,针对爆源形式对爆破地震能量分布特征的影响进行了分析,分析结果表明:对于4类钻孔爆破诱发的地震,能量随频率分布比较分散,0～10 Hz的低频段能量比例非常少;不同爆源形式的爆破地震能量分布特征存在差别,随着孔径、孔深的增大,爆破地震主振能量频带趋于集中,也更倾向低频方向;地下工程爆破地震小于40 Hz的能量比例非常小.不同爆源形式爆破地震能量分布特征上的这种差别,对于控制爆破中钻爆方式的选取具有很好的指导意义.【总页数】5页(P30-34)【作者】李洪涛;杨兴国;舒大强;卢文波;高星吉【作者单位】四川大学水利水电学院,四川成都610065;四川大学水利水电学院,四川成都610065;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072;四川大学水利水电学院,四川成都610065【正文语种】中文【中图分类】TD235.1【相关文献】1.地下厂房开挖爆破地震能量分布特征 [J], 李洪涛;杨兴国;高星吉;周家文;周宏伟2.爆源因素对岩体开挖爆破振动频谱特性的影响研究 [J], 李鹏;卢文波;吴新霞;陈明;严鹏3.爆源远区爆破振动对建(构)筑物危害的原因分析 [J], 张志呈;向开伟;鲍罡武;胡健4.爆破理论的变迁和交替装填不同爆速炸药的爆破法 [J], 刘桂英;费雪锦5.近爆源的既有隧道爆破振动之安全判据 [J], 张国华;刘明贵;刘绍波;李祺因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
临近隧道爆破振动的能量分布特征研究
振动信号的希尔伯特谱是时间和频率的变化规
收稿 日期： ２ ０ １ ３ － ０ １ ． ２ ２
作者简介： 徐振洋 （ １ ９ ８ ２～ ） ， 男， 博士 ， 主要从事爆破工程理论的研究 。Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ｘ ｕ ｚ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ ｌ ０ ＠￣ ｘ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｔ ｏ ｍ 通信作者： 杨军 （ １ ９ ６ ０ ） ， 男， 博 士后 ， 教授 ， 博导 ， 主要从事爆破理论及爆破技术方面 的研究 。Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ｙ ａ ｎ ｇ ｉ ＠ｂ ｉ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
２ ０ １ ３年 ６月
临近隧道爆破振动的能量分布特征研究
徐振洋 等
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ － ８ ３ ５ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ３ ． ０ ０ ２
临近 隧道爆 破振 动 的 能 量 分布 特征 研 究
徐振 洋 杨 军 陈 占扬
北 京理 工大 学爆炸科 学与技 术 国 家重 点 实验 室（ 北京， １ ０ ０ ０ ８ １ ）
［ 摘 要］ 为避免公路隧道爆破施工影响邻近铁路隧道 的结构稳定性 ， 在铁路隧道 内部安 置爆 破振动测试仪对 爆
破振 动信号进行检测 。使用 ＨＨ Ｔ （ 希尔伯特 黄变换 ） 方法对爆破振动信 号的希尔伯 特谱 、 三维能 量谱 、 瞬时能量 谱 进行分析 。结果表 明： 爆破 振动信号频谱 特征受多因素综 合影 响 ， 结 合场地 岩石性 质 、 起 爆药 量 、 距 爆源 距离等 参
破振动信号参数 （ 表１ 、 表２ ） 和爆破 振动信号波形
（ 图２ ） 。 ２ 振 动能 量的分 布 特征
爆破地震波特性研究
爆破地震波特性研究3张义平,吴桂义(贵州大学矿业学院, 贵州贵阳 550003)摘 要:结合现场爆破震动信号,从爆破地震波的传播形式、传播方式、波的特征、波的衰减吸收及传播介质的力学模型等方面分析了爆破地震波特性。
结果表明:爆破地震波是一种与自然地震波相似但又相区别的非常复杂的随机过程,它是不同幅值、不同频率与不同相位的各种波型叠加而成的复合波。
爆破地震波在传播过程中会发生多次反射、折射、绕射、衍射、波型转换甚至波导、层间波等复杂现象,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、场地特征及地形等因素紧密相关。
地震波在发生几何衰减的同时,还因粘弹性介质的内摩擦和热传导导致能量耗散,使得波能不断衰减。
关键词:爆破地震波;波特性;衰减与吸收中图分类号:T D235.1 文献标识码:A文章编号:1005-2763(2007)06-0068-05Study on Character isti cs of Bl a sti n g-Caused Se is m i c W aveZhang Y iping,W u Guiyi(College ofM ining,Guizhou University,Guiyang,Guizhou550003,China)Abstract:Combined with the data collected fr om the in-site monit oring of blasting vibrati on,the characteristics of blasting-caused seis m ic wave are analyzed comp rehensively fr om its p r op2 agati on for m,p r opagati on mode,p r operties,attenuati on,ab2 s or p ti on and the mechanics model of p r opagati on mediu m s.The results show that blasting-caused seis m ic wave,which is a very comp lex random p r ocess rese mbling t o be diffence fr om seis m ic wave,is a composite wave composed of kinds of waves with dif2 ferent ranges,frequencies and phases.I n the p r opagati on p r ocesses of blasting-caused seis m ic wave,comp lex phenome2 na such as many ti m es of wave reflecti on,refracti on,diffracti on and wave type diversi on even wave-guide and layer wave will happen,and relati onal para meters and ti m e-frequency charac2 teristics of waves are cl osely related t o the conditi ons of exp l osi on s ource,physical p r operties of p r opagati on mediu m,field charac2teristics and terrain.The dissi pati on of wave energy caused by the inner fricti on and heat exchange of viscous-elastic mediu m s accompanied with its geometry attenuati on induces the gradual attenuati on of wave energy.Key W ords:B lasting-caused seis m ic wave,Characteristics of wave,A ttenuati on and abs or p ti on爆破是矿山开采中的一个重要环节。
封闭体系内丁烷-空气预混气体爆炸的试验研究
ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１￣８３５２.２０２４.０１.００８封闭体系内丁烷￣空气预混气体爆炸的试验研究❋张宇庭㊀徐振洋㊀闫祎然㊀宋家威㊀秦㊀涛辽宁科技大学矿业工程学院(辽宁鞍山ꎬ１１４０５１)[摘㊀要]㊀为研究不同浓度丁烷￣空气预混气体在封闭管道内的燃爆特性ꎬ利用方形密闭爆炸试验管道对不同体积分数的丁烷￣空气预混气体进行爆炸试验ꎮ结果表明:气体爆炸先后经历了压力上升第一阶段㊁压力上升第二阶段和压力下降阶段ꎻ随着丁烷气体浓度的上升ꎬ爆炸压力上升速率㊁最大火焰速度㊁火焰加速度都呈先升高㊁后降低的趋势ꎻ其中ꎬ当丁烷体积分数为５％时ꎬ上述参数均达到峰值ꎻ含水管道中ꎬ气相与液相的爆炸压力趋势基本一致ꎬ但相较于无水管道中的压力变化更为平缓ꎬ并且最大爆炸压力及升压速率都较低ꎮ为可燃气体燃爆问题研究提供理论参考ꎮ[关键词]㊀预混气体ꎻ封闭管道ꎻ爆炸压力ꎻ火焰速度[分类号]㊀ＴＱ５６０.７ꎻＸ９３２ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＥｘｐｌｏｓｉｏｎｏｆＰｒｅｍｉｘｅｄＧａｓｏｆＢｕｔａｎｅａｎｄＡｉｒｉｎａＣｌｏｓｅｄＳｙｓｔｅｍＺＨＡＮＧＹｕｔｉｎｇꎬＸＵＺｈｅｎｙａｎｇꎬＹＡＮＹｉｒａｎꎬＳＯＮＧＪｉａｗｅｉꎬＱＩＮＴａｏＳｃｈｏｏｌｏｆＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｉａｏｎｉｎｇ(ＬｉａｏｎｉｎｇＡｎｓｈａｎꎬ１１４０５１) [ＡＢＳＴＲＡＣＴ]㊀Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｌｏｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｕｔａｎｅ￣ａｉｒｐｒｅｍｉｘｅｄｇａｓｅｓｗｉｔｈｖａ￣ｒｉｏｕｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｉｎｅｎｃｌｏｓｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅｓꎬａｓｑｕａｒｅ￣ｓｈａｐｅｄｓｅａｌｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｉｐｅｌｉｎｅｗａｓｕｔｉｌｉｚｅｄｔｏｃｏｎｄｕｃｔｅｘｐｌｏｓｉｏｎｔｅｓｔｓｏｎｂｕｔａｎｅ￣ａｉｒｐｒｅｍｉｘｅｄｇａｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｓｏｆｂｕｔａｎｅ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｉｔｇｏｅｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｒｅｅｓｔａ￣ｇｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｉｎｉｔｉａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｒｉｓｅꎬｓｅｃｏｎｄａｒｙｐｒｅｓｓｕｒｅｒｉｓｅꎬａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｉｎｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎ.Ａｓｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｂｕｔａｎｅｇａｓｉｎｃｒｅａｓｅｓꎬｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｒａｔｅｏｆｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅꎬｍａｘｉｍｕｍｆｌａｍｅｖｅｌｏｃｉｔｙꎬａｎｄｆｌａｍｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｌｌｓｈｏｗａｔｒｅｎｄｏｆｆｉｒｓｔｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ.Ｗｈｅｎｔｈｅｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｂｕｔａｎｅｉｓ５％ꎬｔｈｅａｂｏｖｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｌｌｒｅａｃｈｔｈｅｉｒｐｅａｋ.Ｉｎｐｉｐｅｌｉｎｅｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｗａｔｅｒꎬｔｈｅｃｈａｎｇｅｔｒｅｎｄｓｏｆｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｔｈｅｇａｓｐｈａｓｅａｎｄｌｉｑｕｉｄｐｈａｓｅａｒｅｂａ￣ｓｉｃａｌｌｙｔｈｅｓａｍｅꎬｂｕｔｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｐｉｐｅｌｉｎｅｓｗｉｔｈｏｕｔｗａｔｅｒꎬｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃｈａｎｇｅｓａｒｅｓｍｏｏｔｈｅｒꎬａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｒａｔｅａｒｅｌｏｗｅｒ.Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｔｕｄｙｏｎｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎ.[ＫＥＹＷＯＲＤＳ]㊀ｐｒｅｍｉｘｅｄｇａｓꎻｃｌｏｓｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅꎻｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅꎻｆｌａｍｅｓｐｅｅｄ０㊀引言随着我国城镇化的推进与城市范围的扩大ꎬ规模庞大的油气管道与城镇给排水㊁供配电的涵洞㊁暗渠等邻近或交错布置等问题非常突出ꎮ油气长途运输管道在城市地下管线中广泛存在ꎮ然而ꎬ当管线泄露ꎬ油气涌入这些排水管道㊁暗渠等密闭空间中ꎬ极易达到气体爆炸极限且难以及时被检测ꎬ从而增加了封闭空间内可燃气体爆炸的可能性ꎮ㊀㊀为了保证可燃性气体在可控范围内高效地释放能量ꎬ并且能够预防或减少运送过程中的事故损失ꎬ学者们对封闭空间内的可燃性气体爆炸参数以及机理进行了大量研究ꎮ关于单相多组分爆炸ꎬ多集中于对甲烷￣空气混合物爆炸的影响因素和机理的研究ꎮ李哲等[１]对不同浓度梯度的甲烷￣空气预混气体进行了爆炸试验ꎬ结果表明ꎬ爆炸压力上升速率以及爆炸温度都随浓度梯度的增大而呈现先增大㊁后减小的趋势ꎮＨｕａｎｇ等[２]利用高压爆炸室进行了乙烷/丙烷￣空气混合物的点火爆炸试验ꎬ研究了压力的变化对爆炸以及气体易燃性的影响ꎮ第５３卷㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.５３㊀Ｎｏ.１㊀２０２４年２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＥｘｐｌｏｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｆｅｂ.２０２４❋收稿日期:２０２３￣０５￣２４第一作者:张宇庭(２０００ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事爆破与安全工程的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:１６４８６７８５３５＠ｑｑ.ｃｏｍ通信作者:徐振洋(１９８２ )ꎬ男ꎬ博士ꎬ教授ꎬ主要从事工程爆破理论与技术的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:４５８１６３２８＠ｑｑ.ｃｏｍ㊀㊀关于密闭空间中的两相爆炸ꎬ多集中于气㊁固及气㊁液两相的耦合作用及机理研究ꎮＧａｒｃｉａ￣Ａｇｒｅｄａ等[３]利用标准的２０Ｌ爆炸球对甲烷￣烟尘中不同浓度的粉尘与气体进行爆炸试验ꎬ测量了不同工况下的动态压力㊁爆燃指数和可燃性极限ꎬ为气㊁固两相爆炸研究提供了依据ꎮＳｏｎｇ等[４]模拟了当惰性岩尘与煤尘沉积于管道底部时预混甲烷气体局部点燃后的爆炸情况ꎬ获得了两相燃烧机制ꎬ并定量地评价了岩尘对爆炸能量的惰性影响ꎮＷａｎｇ等[５]在封闭管道中进行了一系列不同的液体类型和液体高度的试验ꎬ研究了多相条件下气体爆炸模式分类标准㊁易燃性极限㊁最大爆炸压力的传播和爆炸波能量分布标准ꎮＴｈｏｍａｓ等[６]在圆筒形密闭容器底部蓄水的条件下ꎬ开展了乙炔￣空气爆燃和乙炔￣氧气爆轰试验ꎬ结果表明ꎬ爆炸的峰值压力在液相和气相差别不大ꎬ而液相峰值压力的持续时间明显延长ꎮ由此可见ꎬ单一利用气体爆炸传播机理研究连续流体与气体两相爆炸的过程是不合适的ꎮ因此ꎬ如何预测底部蓄水的暗渠气体爆炸动态压力过程有待于研究ꎮ针对封闭管道内丁烷￣空气预混气体的爆炸特性进行研究ꎮ通过对含水管道与无水管道进行试验ꎬ分析了浓度变化对丁烷￣空气预混气体爆炸压力㊁火焰传播速度特征的影响ꎮ基于非稳态压力场㊁火焰传播特征ꎬ研究典型因素对气体爆炸压力和爆炸指数的影响ꎮ为耐压装置可能发生失效情况提供参考依据ꎬ对可燃气体爆炸的控制措施和防护技术㊁减小气体爆炸事故损失提供基础指导ꎮ１㊀试验１.１㊀试验系统试验系统主要由不锈钢方形管道㊁点火电极㊁压力传感器㊁光电传感器㊁真空泵㊁循环泵以及多通道数据采集系统组成ꎮ爆炸系统示意图见图１ꎮ爆炸试验管道全长约为２ｍꎬ方形管道横截面尺寸为１６８ｍｍˑ１３８ｍｍꎮ点火系统主要由ＢＹＲ￣３００型高能电火花点火装置㊁点火控制线㊁电极针和电源线组成ꎬ点火方式为脉冲点火ꎬ保证为气体爆炸提供足够点火能量ꎮ在距离点火端３５０ｍｍ与１３５０ｍｍ处ꎬ各放置２个ＢＹＲ￣１７０６Ｐ型压力传感器ꎬ位于管道正上方与底部ꎬ测量范围为－０.１ ２.０ＭＰａꎮＢＹＲ￣１７０６Ｇ型光电传感器布置在正上方压力传感器的两侧ꎬ每两个间隔１００ｍｍꎬ测量范围为０ ５０００ＫＬＤ(ｋｕｌｌｂａｃｋ￣ｌｅｉｂｌｅｒｄｉｒｅｒｇｅｎｃｅꎬＫＬ散度)ꎬ输出信㊀１－进气口ꎻ２－数显压力传感器ꎻ３－电极针ꎻ４－光电传感器ꎻ５－压力传感器ꎻ６－爆炸管道ꎻ７－排气口ꎮ图１㊀爆炸试验系统装置示意图Ｆｉｇ.１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｘｐｌｏｓｉｏｎｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ号为０ ５Ｖꎬ供电范围为ＤＣ５ ２４ＡꎮＢＹＲ￣０２９Ａ型多通道数据采集控制系统主要由传感器㊁控制面板㊁数据采集器㊁数据接收器组成ꎬ系统采样间隔为０.２ｍｓꎮ１.２㊀试验方案首先ꎬ用真空泵机将管内抽至负压ꎬ利用集气袋将气瓶内的丁烷通过数显压力传感器定量地通入管内ꎮ之后ꎬ打开空气阀门ꎬ使管内压力达到平衡状态ꎬ并利用循环泵机使管道内的气体预混至少５ｍｉｎꎮ设置点火延迟时间㊁点火时间和数据采集时间ꎮ确定系统阀门全部处于闭合状态后ꎬ开启点火控制系统ꎮ引爆后ꎬ对系统采集数据进行记录ꎮ对于含水管道爆炸试验ꎬ首先ꎬ将一定体积(５００㊁１０００㊁１５００ｍＬ)的水注入密闭管道内ꎬ其余步骤与无水管道试验相同ꎮ２㊀结果与分析２.１㊀丁烷￣空气预混气体爆炸压力变化特征通过试验系统中距离点火源最近的压力传感器５采集不同体积分数丁烷引爆后的管内压力变化数据ꎬ得到了当丁烷体积分数分别为４％㊁５％㊁６％㊁７％㊁８％时丁烷￣空气预混气体的爆炸压力随时间的变化曲线ꎬ如图２所示ꎮ当预混气体中的丁烷体积分数不同时ꎬ无论是最大爆炸压力还是最大爆炸压力出现的时间都存在一定的差异ꎬ但所有浓度曲线都呈现先上升㊁后下降的趋势ꎮ不同体积分数丁烷￣空气预混气体爆炸的压力变化曲线可主要划分为压力上升第一阶段㊁压力上升第二阶段㊁压力下降阶段３个阶段[７￣８]ꎮ㊀㊀以体积分数５％的丁烷为例:在第２１.６ｍｓ以前ꎬ管道内处于短暂恒定状态ꎮ直到封闭管道内预２５ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５３卷第１期㊀㊀图２㊀不同体积分数丁烷爆炸压力随时间的变化曲线Ｆｉｇ.２㊀Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅ￣ｔｉｍｅｃｕｒｖｅｓｏｆｂｕｔａｎｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｓ混气体被点燃后ꎬ火焰从点火源附近开始向四周扩散ꎬ此时ꎬ爆炸压力进入压力上升的第一阶段ꎮ由于反应初期参与燃烧反应的丁烷气体量较少ꎬ所以在压力上升的第一阶段中ꎬ升压速率较低ꎬ火焰传播表现为层流燃烧[９]ꎮ由图２可以看出ꎬ不同体积分数的丁烷预混气体压力上升第一阶段持续时间存在一定差异ꎮ其中ꎬ丁烷体积分数为５％时ꎬ持续时间最短ꎬ直到爆炸发生后９１.６ｍｓ才结束ꎮ在这一阶段中ꎬ燃烧生成的热量导致预混气体中活性分子的化学键断裂ꎬ化学键的断裂会产生有催化燃烧反应的自由基ꎬ并且这些自由基会循环地参与反应ꎬ导致系统热量不断增多ꎬ且产热速率加快[１０]ꎮ理想气体状态方程[１１]ｐＶ＝ｎＲＴꎮ(１)式中:ｐ为压强ꎻＶ为体积ꎻｎ为物质的量ꎻＴ为温度ꎻＲ为气体常数ꎬ取(８.３１４４１ʃ０.０００２６)Ｊ/(ｍｏｌ Ｋ)ꎮ由式１可知ꎬ由于系统热量的积累ꎬ封闭管道内的受热气体膨胀ꎬ导致管内压力指数型上升ꎬ直到压力上升的第一阶段结束都处于增长的趋势ꎮ图３为体积分数５％的丁烷预混气体燃烧压力时序图ꎮ由图３可知ꎬ压力上升第一阶段结束在爆炸发生后第９１.６ｍｓꎬ结束时压力达到了０.２０７ＭＰａꎮ此阶段结束后ꎬ压力经历了短暂的平缓后再持续升高ꎬ压力上升速率先变慢㊁后变快ꎬ此时为压力上升第二阶段ꎮ㊀㊀该阶段的爆炸压力升高趋势持续了２３９.８ｍｓꎬ达到最大爆炸压力０.５３２ＭＰａ后才结束ꎬ而在压力上升阶段出现了升压速率升高㊁降低㊁再升高的现象ꎮ这是由于开始时火焰燃烧的剧烈程度加大ꎬ且火焰面积不断增大ꎬ使得火焰在接触管道壁面之前升压速率持续升高[１２]ꎮ之后ꎬ随着火焰与管道壁面㊀㊀㊀图３㊀体积分数为５％的丁烷预混气体燃烧压力时序图Ｆｉｇ.３㊀Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｑｕｅｎｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆｂｕｔａｎｅｐｒｅｍｉｘｅｄｇａｓｗｉｔｈａｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆ５％的接触面积不断增大ꎬ由于管道壁面的温度低于火焰温度而产生导热作用ꎻ同时ꎬ火焰的纵向传播受阻导致爆炸能量的损失ꎬ两者的作用阻碍了管道内的爆炸压力的增长ꎬ致使在一段时间内压力上升趋势变得较为缓慢ꎮ在这之后ꎬ爆炸压力上升速率加快ꎬ该情景可参照可燃气体升压速率的三次方定律进行考虑[１３]ꎮ火焰沿管道横向持续传播ꎬ丁烷燃烧产生的增压效果逐渐增大ꎻ其次ꎬ管道壁面的导热作用对火焰传播压力的影响开始变弱ꎻ同时ꎬ火焰发展受到空间限制的影响也逐渐变弱ꎬ两者效果作用使得升压速率增大ꎬ直到系统压力达到最大爆压时ꎬ压力上升第二阶段才结束ꎮ对于体积分数５％的丁烷预混气体ꎬ在爆炸发生的３３１.４ｍｓ以后ꎬ进入压力下降阶段ꎮ封闭管道内的丁烷与氧气被大量消耗后ꎬ爆炸能量开始降低ꎬ已燃烧区域的温度开始下降ꎮ根据理想气体状态方程可知ꎬ靠近点火源附近的已燃区域气压降低ꎬ此时燃烧产生的水蒸气开始凝结ꎬ并且管壁导热现象依然存在ꎬ导致气体爆炸压力呈现下降趋势ꎮ对各浓度的丁烷预混气体爆炸压力进行分析ꎬ绘制出爆炸过程中的最大升压速率随丁烷气体浓度变化的特征曲线ꎬ如图４所示ꎮ从图４中可以看出:丁烷体积分数为５％时的升压速率最大ꎻ并且随着丁烷浓度增大ꎬ最大升压速率的变化梯度逐渐减小ꎮ根据图４中升压速率由大到小对应的丁烷体积分数为:５％㊁４％㊁６％㊁７％㊁８％ꎮ在图４中ꎬ曲线表现为中间高㊁向两侧递减的趋势ꎬ表明爆炸压力上升速率随丁烷在预混气体中的体积分数变化呈近似线性的关系ꎬ同时也反映出最大升压速率可作为评估丁烷气体爆炸强度的一个重要指标ꎬ可较为直观地分析丁烷￣空气预混气体爆炸威力的强弱ꎮ２.２㊀丁烷￣空气预混气体爆炸火焰速度变化特征通过对系统中光电传感器捕捉的火焰信号进行３５２０２４年２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀封闭体系内丁烷￣空气预混气体爆炸的试验研究㊀张宇庭ꎬ等㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图４㊀不同体积分数丁烷￣空气预混气体燃烧的最大升压速率Ｆｉｇ.４㊀Ｍａｘｉｍｕｍｐｒｅｓｓｕｒｅｒｉｓｅｒａｔｅｉｎｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｂｕｔａｎｅｐｒｅｍｉｘｅｄｇａｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｓ分析计算ꎬ得出不同浓度丁烷与空气预混气体爆炸时火焰最大速度㊁平均速度以及加速度曲线ꎬ如图５所示ꎮ由图５可知ꎬ当丁烷体积分数在４％ ７％时ꎬ无论是火焰最大速度㊁平均速度还是火焰加速度都呈现先增大㊁后减小的趋势ꎬ并且在体积分数为５％时达到峰值ꎮ㊀㊀㊀图５㊀不同体积分数丁烷￣空气预混气体燃烧的火焰传播速度参数Ｆｉｇ.５㊀Ｆｌａｍｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｂｕｔａｎｅｐｒｅｍｉｘｅｄｇａｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｓ㊀㊀火焰的加速与燃烧物的热膨胀㊁系统产热量㊁边界层效应等相关ꎮ在燃烧初期ꎬ即火焰接触管道壁面之前ꎬ火焰的加速主要因为燃烧物的热膨胀使得燃烧气体的体积增加ꎬ燃烧物体积随时间增加量为ｄＶｂｄｔ＝σＡＳＬꎮ(２)式中:Ｖｂ为丁烷气体体积ꎻσ为体积膨胀系数ꎬσ＝ρａ/ρｂꎻρａ为未燃烧气体的密度ꎻρｂ为已燃烧气体的密度ꎻＡ为火焰的总表面积ꎻＳＬ为层流火焰传播速度ꎮ根据Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程可知[１４￣１５]ꎬ气体反应速率常数为ｋ＝Ａｅ－ＥａＲＴꎮ(３)式中:Ｅａ为表观活化能ꎻＲ为摩尔气体常量ꎻＴ为热力学温度ꎻＡ为引入的频率因子ꎬ与反应物分子间相互碰撞的概率相关ꎮ由式(３)可知ꎬ在其他试验条件相同的情况下ꎬ对于不同体积分数的丁烷预混气体燃烧ꎬ燃烧反应速率与频率因子呈线性关系ꎬ且与反应温度呈指数关系ꎬ表现为在接近当量浓度下燃烧反应最为剧烈ꎬ气体分子间碰撞概率最高[１６]ꎮ由此可见ꎬ在最接近丁烷浓度当量ꎬ即丁烷体积分数为５％时ꎬ气体燃烧反应速率最大ꎮ在单位时间内ꎬ丁烷￣空气预混气体的放热量ｑｅ＝ｋＱＶꎮ(４)式中:ｋ为气体反应速率常数ꎻＱ为单位体积内预混气体反应放热量ꎻＶ为密闭管道总体积ꎮ由式(４)可知ꎬ预混气体在单位时间内的放热量与气体反应速率ｋ呈线性关系ꎮ结合式(３)可知ꎬ单位时间放热量受到反应物分子间的碰撞概率影响ꎬ当预混气体中的丁烷体积分数为５％时ꎬ由于接近当量爆炸ꎬ分子碰撞概率较大ꎬ使得单位时间内放热量较其他浓度时大ꎬ燃烧物的热膨胀与热量的突增促使火焰向前发展ꎮ所以ꎬ丁烷体积分数为５％时ꎬ火焰传播速度及加速度最大[１７]ꎮ由于试验系统中氧气与丁烷所占体积比约为４︰１ꎬ并且在相同的浓度梯度下进行试验ꎬ当丁烷体积分数在６％或以上ꎬ即富燃料燃烧时ꎬ火焰速度相较于丁烷体积分数在４％或以下的贫燃料燃烧要大ꎮ这是因为ꎬ富燃料燃烧时可燃物分子与助燃物分子间的碰撞概率要比贫燃料燃烧时高ꎬ使得气体反应速率较大[１８￣１９]ꎮ对比图５中的３条曲线可知ꎬ火焰传播加速度曲线的变化幅度较大ꎬ相比之下ꎬ最大火焰速度与平均速度曲线较为平缓ꎮ因此ꎬ火焰传播的加速度可作为判定气体爆炸强度的重要指标ꎮ２.３㊀含水管道爆炸压力变化特征根据分别布置在管道上㊁下部的压力传感器采集的数据ꎬ绘制出在丁烷体积分数为５％时含水管道与无水管道内爆炸压力的变化曲线ꎬ如图６所示ꎮ㊀㊀压力记录表明ꎬ在底部蓄水的情况下ꎬ气相与液相的压力变化趋势基本相同ꎬ并且在保证预混气体被顺利点燃㊁管道内产生轰鸣声㊁各传感器成功记录数据并传输至计算机(即试验成功进行)的前提下ꎬ发现含水量的多少对试验结果的影响并不明显ꎮ㊀㊀但是对比无水情况下的爆炸压力曲线ꎬ可以明显看出ꎬ含水管道内爆炸压力变化趋势较为平缓ꎬ不仅最大爆炸压力较小ꎬ而且达到最大爆压的时间以及最大爆压的持续时间都较长于无水管道中的爆炸ꎮ出现这一类现象是因为预混气体在被点燃后火４５ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５３卷第１期㊀㊀㊀图６㊀含水管道与无水管道中体积分数５％的丁烷预混气体爆炸压力的变化曲线Ｆｉｇ.６㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｂｕｔａｎｅｐｒｅｍｉｘｅｄｇａｓｗｉｔｈａｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆ５％ｉｎｗａｔｅｒｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｐｉｐｅｌｉｎｅｓａｎｄａｎｈｙｄｒｏｕｓｐｉｐｅｌｉｎｅｓ焰面与连续的水体的接触面积逐渐增大ꎬ可燃气体分子与水分子发生碰撞ꎬ导致大量可燃气体分子未能参与燃烧反应ꎬ使得气体反应速率降低ꎬ热量和热膨胀的传递受到阻碍[２０]ꎮ此外ꎬ水体作为冷却剂在气体燃烧的过程中起到了一定的抑制与缓冲作用ꎬ使得爆炸压力波传播受限ꎬ这共同导致了爆炸压力变化平缓ꎮ３ 结论利用方形密闭试验管道研究了丁烷体积分数的改变对丁烷￣空气预混气体爆燃特性的影响ꎬ并在底部蓄水的管道内对体积分数５％的丁烷预混气体进行燃烧试验ꎬ得出以下结论:１)在相同浓度梯度下ꎬ丁烷体积分数为５％时ꎬ燃烧最为激烈ꎮ丁烷￣空气预混气体的燃烧压力发展过程大致可以分为３个阶段:压力上升第一阶段㊁压力上升第二阶段㊁压力下降阶段ꎮ压力上升第一阶段开始于燃烧初始时期ꎬ在燃烧压力变化曲线第一次到达拐点并出现短暂平缓时结束ꎮ此阶段中ꎬ管道内升压速率呈持续上升趋势ꎮ之后ꎬ升压速率开始下降ꎬ燃烧压力变化趋于平缓ꎮ进入压力上升第二阶段后ꎬ丁烷燃烧的增压效果逐渐变大ꎬ升压速率再次升高ꎬ并且在结束时达到最大爆炸压力ꎮ最后ꎬ管内水蒸气凝结ꎬ且可燃气体含量减少ꎬ进入压力进入下降阶段ꎮ２)燃烧火焰最大速度㊁加速度㊁最大升压速率都是丁烷￣空气预混气体在不同浓度下燃烧的敏感影响因素ꎮ而加速度和最大压升速率可作为有效的指标参考ꎬ评判丁烷气体爆炸强度的大小ꎮ３)在含水管道内进行体积分数５％的丁烷￣空气预混气体爆炸试验ꎮ压力记录结果显示ꎬ气相与液相压力变化趋势基本一致ꎮ但对比无水管道的爆炸压力变化曲线可知ꎬ无论是气相压力或液相压力ꎬ含水管道的压力曲线都较为平缓ꎬ并且到达最大压力的时间有所延后ꎮ参考文献[１]㊀李哲ꎬ陈先锋ꎬ孙玮康.浓度梯度对甲烷￣空气混合气体爆炸特性参数的影响[Ｊ].振动与冲击ꎬ２０２１ꎬ４０(１１):２６￣３２.ＬＩＺꎬＣＨＥＮＸＦꎬＳＵＮＷＫ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｇｒａ￣ｄｉｅｎｔｏｎｅｘｐｌｏｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｍｅｔｈａｎｅ￣ａｉｒｍｉｘｔｕｒｅ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄＳｈｏｃｋꎬ２０２１ꎬ４０(１１):２６￣３２.[２]㊀ＨＵＡＮＧＬＪꎬＷＡＮＧＹꎬＺＨＡＮＧＬꎬｅｔａｌ.Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｔｈｅｆｌａｍｍａｂｉｌｉｔｙｌｉｍｉｔｓａｎｄｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｅｔｈａｎｅ/ｐｒｏｐａｎｅ￣ａｉｒｍｉｘｔｕｒｅｓｉｎａｃｙｌｉｎｄｅｒｖｅｓｓｅｌ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｏｓｓＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎｉｎｔｈｅＰｒｏｃｅｓｓＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓꎬ２０２２ꎬ７４:１０４６３８.[３]㊀ＧＡＲＣＩＡ￣ＡＧＲＥＤＡＡꎬＤＩＢＥＮＥＤＥＴＴＯＡꎬＲＵＳＳＯＰꎬｅｔａｌ.Ｄｕｓｔ/ｇａｓｍｉｘｔｕｒｅｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｒｅｇｉｍｅｓ[Ｊ].ＰｏｗｄｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１１ꎬ２０５(１/２/３):８１￣８６. [４]ＳＯＮＧＹＦꎬＺＨＡＮＧＱ.Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｐａｒｋ￣ｉｎｄｕｃｅｄｄｕｓｔｌａｙｅｒｅｘｐｌｏｓｉｏｎ[Ｊ].Ｆｕｅｌꎬ２０２０ꎬ２６７:１１７２０５.[５]㊀ＷＡＮＧＤꎬＱＩＡＮＸＭꎬＪＩＴＣꎬｅｔａｌ.Ｆｌａｍｍａｂｉｌｉｔｙｌｉｍｉｔａｎｄｅｘｐｌｏｓｉｏｎｅｎｅｒｇｙｏｆｍｅｔｈａｎｅｉｎｅｎｃｌｏｓｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅｕｎｄｅｒｍｕｌｔｉ￣ｐｈａｓｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ[Ｊ].Ｅｎｅｒｇｙꎬ２０２１ꎬ２１７:１１９３５５.[６]㊀ＴＨＯＭＡＳＧＯꎬＯＡＫＬＥＹＧＬ.Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉ￣ｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｇａｓｅｏｕｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｓａｎｄａｗａｔｅｒｖｏｌｕｍｅｉｎａｃｌｏｓｅｄｖｅｓｓｅｌ[Ｊ].ＰｒｏｃｅｓｓＳａｆｅｔｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎬ２０１０ꎬ８８(１):２０￣２３. [７]㊀余明高ꎬ孔杰ꎬ王燕ꎬ等.不同浓度甲烷￣空气预混气体爆炸特性的试验研究[Ｊ].安全与环境学报ꎬ２０１４ꎬ１４(６):８５￣９０.ＹＵＭＧꎬＫＯＮＧＪꎬＷＡＮＧＹꎬｅｔａｌ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｕｄｙｏｎｅｘｐｌｏｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｍｅｔｈａｎｅ￣ａｉｒｐｒｅ￣ｍｉｘｔｕｒｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳａｆｅｔｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬ２０１４ꎬ１４(６):８５￣９０. [８]㊀秦毅ꎬ陈小伟ꎬ黄维.密闭空间可燃气体爆炸超压预测[Ｊ].爆炸与冲击ꎬ２０２０ꎬ４０(３):０３２２０２.ＱＩＮＹꎬＣＨＥＮＸＷꎬＨＵＡＮＧＷ.Ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｐｒｅｄｉｃ￣ｔｉｏｎｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｉｎｃｏｎｆｉｎｅｄｓｐａｃｅ[Ｊ].ＥｘｐｌｏｓｉｏｎａｎｄＳｈｏｃｋＷａｖｅｓꎬ２０２０ꎬ４０(３):０３２２０２. [９]㊀钟飞翔ꎬ郑立刚ꎬ马鸿雁ꎬ等.ＣＨ４/Ｏ２/ＣＯ２预混体系爆炸动力学研究[Ｊ].爆炸与冲击ꎬ２０２２ꎬ４２(１):０１２１０１.５５２０２４年２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀封闭体系内丁烷￣空气预混气体爆炸的试验研究㊀张宇庭ꎬ等㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＺＨＯＮＧＦＸꎬＺＨＥＮＧＬＧꎬＭＡＨＹꎬｅｔａｌ.ＡｓｔｕｄｙｏｆｅｘｐｌｏｓｉｏｎｄｙｎａｍｉｃｓｏｆａＣＨ４/Ｏ２/ＣＯ２ｐｒｅｍｉｘｅｄｓｙｓｔｅｍ[Ｊ].ＥｘｐｌｏｓｉｏｎａｎｄＳｈｏｃｋＷａｖｅｓꎬ２０２２ꎬ４２(１):０１２１０１.[１０]㊀蒋晓燕ꎬ王文露ꎬ卞维柏ꎬ等.甲烷的生成及对木质素二聚体热解过程的影响[Ｊ].分子科学学报ꎬ２０２３ꎬ３９(２):１１１￣１１７.ＪＩＡＮＧＸＹꎬＷＡＮＧＷＬꎬＢＩＡＮＷＢꎬｅｔａｌ.Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｍｅｔｈａｎｅａｎｄｉｔｓｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｌｉｇｎｉｎｐｙｒｏｌｙ￣ｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｏｌｅｃｕｌａｒＳｃｉｅｎｃｅꎬ２０２３ꎬ３９(２):１１１￣１１７.[１１]㊀贾进章ꎬ冯路阳.密闭直管内瓦斯爆炸温度和压力的实验研究[Ｊ].爆破器材ꎬ２０１８ꎬ４７(１):２２￣２５.ＪＩＡＪＺꎬＦＥＮＧＬＹ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｇａｓｅｘｐｌｏ￣ｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｌｏｓｅｄｓｔｒａｉｇｈｔｔｕｂｅ[Ｊ].ＥｘｐｌｏｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１８ꎬ４７(１):２２￣２５. [１２]㊀章文义ꎬ李玉艳ꎬ潘峰ꎬ等.丙烷￣氧气预混气体的火焰传播及点火特性[Ｊ].爆破器材ꎬ２０１９ꎬ４８(４):２７￣３２.ＺＨＡＮＧＷＹꎬＬＩＹＹꎬＰＡＮＦꎬｅｔａｌ.Ｆｌａｍｅｐｒｏｐａｇａ￣ｔｉｏｎａｎｄｉｇｎｉｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｒｏｐａｎｅ￣ｏｘｙｇｅｎｐｒｅｍｉｘｅｄｇａｓ[Ｊ].ＥｘｐｌｏｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１９ꎬ４８(４):２７￣３２. [１３]㊀李润之ꎬ司荣军.瓦斯浓度对爆炸压力及压力上升速率影响[Ｊ].西安科技大学学报ꎬ２０１０ꎬ３０(１):２９￣３３.ＬＩＲＺꎬＳＩＲＪ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｅｘ￣ｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｒｉｓｅｒａｔｅ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１０ꎬ３０(１):２９￣３３.[１４]㊀池旭辉ꎬ彭松ꎬ赵程远ꎬ等.复合固体推进剂高温加速试验理论与方法(１):Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程的适用性[Ｊ].含能材料ꎬ２０２２ꎬ３０(８):８５３￣８６０.ＣＨＩＸＨꎬＰＥＮＧＳꎬＺＨＡＯＣＹꎬｅｔａｌ.Ｔｈｅｏｒｉｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｔｅｓｔｆｏｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｏｌｉｄｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ(１):ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆＡｒｒｈｅｎｉｕｓｅｑｕａｔｉｏｎ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｅｒｇｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０２２ꎬ３０(８):８５３￣８６０.[１５]㊀ＺＨＵＦＨꎬＸＩＯＮＧＷꎬＬＩＸＦꎬｅｔａｌ.ＡｎｅｗｆｌｏｗｓｔｒｅｓｓｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎＡｒｒｈｅｎｉｕｓｅｑｕａｔｉｏｎｔｏｔｒａｃｋｈａｒｄｅｎｉｎｇａｎｄｓｏｆｔｅｎｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆＴｉ６Ａｌ４Ｖａｌｌｏｙ[Ｊ].ＲａｒｅＭｅｔａｌｓꎬ２０１８ꎬ３７(１２):１０３５￣１０４５.[１６]㊀刘国伟ꎬ董芃ꎬ韩亚芬ꎬ等.富氧条件下煤燃烧特性的热重分析实验研究[Ｊ].哈尔滨工业大学学报ꎬ２０１１ꎬ４３(１):１０４￣１０８.ＬＩＵＧＷꎬＤＯＮＧＰꎬＨＡＮＹＦꎬｅｔａｌ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌｓｕｎｄｅｒｅｎｒｉｃｈｅｄ￣ｏｘｙｇｅｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｂｙｔｈｅｒｍｏ￣ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１１ꎬ４３(１):１０４￣１０８.[１７]㊀杨春丽ꎬ刘艳ꎬ李祥春.甲烷/空气混合气体爆炸基元反应特征及能量分析[Ｊ].煤矿安全ꎬ２０１８ꎬ４９(５):１７１￣１７４.ＹＡＮＧＣＬꎬＬＩＵＹꎬＬＩＸＣ.Ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙｒｅａｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｅｎｅｒｇｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｅｔｈａｎｅａｎｄａｉｒｍｉｘｔｕｒｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ[Ｊ].ＳａｆｅｔｙｉｎＣｏａｌＭｉｎｅｓꎬ２０１８ꎬ４９(５):１７１￣１７４.[１８]㊀马红和ꎬ朱旭东ꎬ李春玉ꎬ等.基于Ｈ２Ｓ生成简化动力学模型的富燃料煤粉燃烧数值模拟研究[Ｊ].中国电机工程学报ꎬ２０２１ꎬ４１(９):３２４０￣３２４９.ＭＡＮＧＨＨꎬＺＨＵＸＤꎬＬＩＣＹꎬｅｔａｌ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｕｅｌ￣ｒｉｃｈｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｗｉｔｈｒｅｄｕｃｅｄｋｉｎｅｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆＨ２Ｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ[Ｊ].Ｐｒｏｃｅｅ￣ｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥꎬ２０２１ꎬ４１(９):３２４０￣３２４９. [１９]㊀黄建青ꎬ李磊ꎬ蔡伟伟.贫燃熄火实验预测方法综述[Ｊ].实验流体力学ꎬ２０１８ꎬ３２(２):１￣９.ＨＵＡＮＧＪＱꎬＬＩＬꎬＣＡＩＷＷ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｌｅａｎｂｌｏｗｏｎｔ:ａｒｅｖｉｅｗ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓꎬ２０１８ꎬ３２(２):１￣９.[２０]㊀王悦ꎬ白春华ꎬ李斌ꎬ等.密闭空间瞬态液雾粒径及浓度测量实验研究[Ｊ].兵工学报ꎬ２０１５ꎬ３６(９):１６６５￣１６７０.ＷＡＮＧＹꎬＢＡＩＣＨꎬＬＩＢꎬｅｔａｌ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｄｒｏｐｌｅｔｓｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａ￣ｔｉｏｎｉｎｃｏｎｆｉｎｅｄｓｐａｃｅｓ[Ｊ].ＡｃｔａＡｒｍａｍｅｎｔａｒｉｉꎬ２０１５ꎬ３６(９):１６６５￣１６７０.６５ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５３卷第１期。
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Blasting seismic waves energy distribution based on EEMD XU Zhenyang，YANG Jun，CHEN Zhanyang，LIU Yanyan
（ State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081 ，China）
［1 ］
。现场结合预裂爆破， 严格控制爆破振
动并对爆破区域周边建筑物进行振动安全分析。使用 EEMD（ 集合经验模态分解） 方法， 对各测点爆破振动信 号振速、 频率与能量分布主频带及其变化规律进行分 析
［ 2 ］
。将爆破振动信号能量分布主频带概念引入建筑
图1 爆破现场图
物保护研究， 为深入探讨爆破振动安全问题提供依据。
。
本次爆破总药量约 3 600 kg， 预裂孔单孔最大药量 10
图3
爆破延时时间
Fig． 3 Blasting delay time 表1 爆破监测数据表
Tab． 1 Table of blasting vibration monitoring results 测点 序号 测点 1 测点 2 测点 3 测点 4 测点 5 测点 6 测点 7 测点 8 测点 9 测点 10 水平切向 －1 振速 / （ cm·s ） 1． 21 1． 19 0． 83 4． 65 4． 18 1． 22 0． 64 0． 39 0． 41 0． 3 水平径向 垂直向 －1 －1 振速 / （ cm·s ） 振速 / （ cm·s ） 0． 98 0． 97 0． 78 3． 83 2． 66 1． 09 0． 58 0． 40 0． 29 0． 43 1． 36 1． 25 0． 59 3． 82 2． 2 1． 03 0． 52 0． 35 0． 30 0． 32 水平切向 主频 / Hz 19． 2 19． 1 15． 6 30． 6 28． 4 18． 4 20． 8 23． 6 23． 9 20． 6 水平径向 主频 / Hz 18． 4 18． 8 18． 7 18． 3 21． 0 17． 9 21． 2 22． 4 21． 2 18． 4 垂直向 主频 / Hz 21． 8 21． 0 15． 3 16． 5 24． 7 18． 9 18． 2 24． 1 23． 8 20． 5 与爆心 距离 / m 39 39 47 15 28 35 47 47 52 59 与爆源底面 高程差 / m 3 3 3 7 7 7 7 7 7 7
图4
波形图
图5
边际能量谱
图6
三维能量谱
图7
能量分布图
Fig． 4 Blasting vibration signal waveform
［6 ］
将各个 IMF 分量记为 c ij （ t） ， 余项记为 r i （ t） 。 解， （ 3 ） 将之前得到的 IMF 分量进行总体平均运算， 得到 EEMD 分解后最终的 IMF 分量， 即 c i （ t） = 2. 2 爆破振动信号分析 建（ 构） 筑物水平向抗震能力相对薄弱， 建 （ 构） 筑 物受相同强度水平荷载的剪切破坏更为强烈
1
1. 1
实验设计
g． 1 Blasting areas
东西两侧山体开挖扩展， 表面覆盖层开挖后， 下部岩体
2 区域面积约 13 500 m ， 平均下挖深 需要进行爆破开挖， 3 度 7 ～ 8 m， 爆破方量约 6 000 m 。图 1 为爆破现场， 图
Abstract：
Blasting with electronic detonators can be used to make the main frequency band of energy distribution of
blast vibration signals move towards highfrequency and the distribution trend is more even． Here，EEMD （ a collection of empirical mode decomposition） was used to analyze the main frequency band of blasting vibration energy distribution． The results showed that the main frequency band of blasting vibration energy appears in the range of 15 ～ 45 Hz； blasting vibration energy distributing in the frequency range of below 10 Hz is less than 4． 5% of the total energy，the lowfrequency vibration damage was avoided effectively； introducing blasting vibration energy distribution and energy distribution proportion in frequency domain into the building safety analysis is an effective attempt． Key words： electronic detonators； accurate delay； EEMD； energy； frequency 爆破地震效应是复杂环境控制爆破工程中的主要 危害， 电子雷管延时时间长、 精度高， 已广泛应用于各 类爆破工程中
徐振洋等： 爆破地震波能量分布研究
39
2 为监测点布置示意图。 1. 2 爆破及监测点布置方案 采用精确延时逐孔起爆方案， 所用雷管均为电子 雷管， 为确保临近建筑物的安全， 在主爆区和保留区之 达到减震的目的 间利用预裂爆破形成一条预裂缝，
［3 ］
kg， 孔内不耦合装药， 预裂孔孔距 0． 8 m， 排距 2． 3 m。 预裂孔先于主爆孔 70 ms 起爆， 孔数为 33 个， 三个孔一 每组之间延期时间同为 3 ms。 主爆孔单孔最大药 组， 量约为 21 kg， 孔距 3 m， 排距 2． 5 m， 采取孔内延期与孔 所标注 外延期结合。 具体延期时间设定如图 3 所示， 时间为炮孔雷管引爆时刻。
振 第 33 卷第 11 期
动
与
冲
击 Vol． 33 No． 11 2014
JOUＲNAL OF VIBＲATION AND SHOCK
爆 破 地 震 波 能 量 分 布 研 究
徐振洋，杨
摘
军，陈占扬，刘燕燕
［9 － 10 ］
。
爆破振动是时间、 频率、 振速三者共同作用的， 爆破振 ， 使用 EEMD 方法
， 且建 。测
（ 构） 筑物高度对水平振动具有明显放大作用
［15 ］
点 4 与测点 5 信号水平切向振速均大于其余两个方向 振速， 超出安全振动标准， 为讨论建筑物振动安全， 选 择测点 4 信号水平切向分量作为分析对象。 图 4 为监 测点 4 爆破振动信号水平切向分量波形图， 图 5 为边 际能量谱。 由于电子雷管精确延期， 图 4 中可以看出， 信号出 现多个峰值， 除 0． 29 s 处开始的 2 个峰值明显较大以 外， 其余峰值大小相当， 分析峰值出现时间， 考虑由于 预裂孔距离测点 4 更为接近， 信号最大峰值为预裂爆 破振动信号。 在预裂爆破之后， 主爆区信号表现出精 确延时逐孔起爆控制爆破振动速度的优势， 且避免了 信号叠加形成的峰值过大。 图 5 中看出， 信号能量分 （ 1） 10 Hz 以下的低频能量较 布主频带为 17． 6 ～ 38． 2 Hz， 少， 可以有效地减小共振危害。 图 6 为监测点 4 三维 能量谱， 图 7 为能量分布图。
2
2. 1
信号能量分布
（ EEMD） 集合经验模态分解 在 EEMD 方法中附加的白噪声均匀分布在整个时
频空间， 不同尺度的信号区域将自动映射到与背景白 噪声建立的相应尺度上。 EEMD 分解通过加上有限的 IMF 分量均值保持在正常的动态滤波器窗口范 噪声， 围内， 自动排除了模态混叠
［11 － 12 ］
10 个监测点， 均使用三向传感器进行爆破振动信号监 测， 表 1 为爆破振动信号监测数据表。 测点 1 、 测点 2 、 测点 3 位于爆区侧面， 高程相同， 三 个方向质点峰值振速均在安全标准之内。 测点 4 ～ 10 位于爆区后方， 高程相同， 与爆破抛掷方向相反， 一般 爆区后方振动速度较大
［14 ］
。
由于建（ 构） 筑物的自振频率一般都比较低， 所以 降低低频振动能量与提高信号能量分布主频带是很重 要的
［7 ］
1 c ij （ t） N∑ i =1
N
（ 2）
， 使用电子雷管精确延时主控起爆可以减少振
［8 ］
动叠加， 避免峰值振速过大并使振动信号主频提高 动能量即为三个参数综合表现 对信号能量特征进行分析。
（ 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室 ， 北京 100081 ）
要： 使用电子雷管精确延时逐孔起爆可使爆破振动信号主频及能量分布主频带向高频发展且分布更加均匀 。
利用 EEMD（ 集合经验模态分解） 算法分析振动能量分布规律 ， 结果表明： 爆破振动能量主频带出现在 15 ～ 45 Hz， 主频带 内能量占信号总能量的 80% 以上； 爆破振动能量在 10 Hz 以下频带分布仅占总能量 4． 5% 以下， 有效避免了低频振动损 伤； 将爆破振动能量分布主频带及能量分布比例引入建筑物安全保护进行分析 ， 是一种有效地尝试。 关键词： 电子雷管； 精确延时； EEMD； 能量； 频率 中图分类号： TK235． 1 ； TD235． 37 文献标志码： A DOI： 10． 13465 / j． cnki． jvs． 2014． 11． 007