二氧化碳爆破效果及振动分析.pdf

问问问题题题探探探讨讨讨二氧化碳爆破效果及振动分析程小兵1,何申中1,吴红波2,吴求忠1,刘 敏1,张小康1,沈占军2(1.安徽枞阳海螺水泥股份有限公司,安徽 铜陵 244000;2.安徽理工大学 化学工程学院,安徽 淮南 232001)摘要:基于露天矿山开采工程开展二氧化碳爆破实验,探究二氧化碳爆破效果,并且对实验进行爆破振动监测,分析振动能量,研究二氧化碳爆破对周围环境的影响。运用希尔伯特-黄变换(HHT)对爆破振动数据进行分析,探究二氧化碳爆破产生的振动信号的频谱特征。结果表明:二氧化碳爆破振动能量主要分布于 0100 Hz 频带,且主频为 060 Hz;本文条件下的二氧化碳爆破振动幅值在允许范围内,对工程建设和周边房屋均不会造成影响。关键词:二氧化碳爆破;爆破振动;露天爆破;希尔伯特-黄变换中图分类号:TD235 文献标志码:A 文章编号:1674-3970(2023)03-0026-05收稿日期:2022-10-30作者简介:程小兵(1975),男,安徽黄山人,高级工程师,主要从事露天矿山开采方面的实践与研究。E-mail:zzyyingaust 。引用格式:程小兵,何申中,吴红波,等.二氧化碳爆破效果及振动分析J.煤矿爆破,2023,41(3):26-30.CHENG Xiaobing,HE Shenzhong,WU Hongbo,et al.Effect and vibration analysis of carbon dioxide blastingJ.Coal Mine Blasting,2023,41(3):26-30.Effect and vibration analysis of carbon dioxide blastingCHENG Xiaobing1,HE Shenzhong1,WU Hongbo2,WU Qiuzhong1,LIU Min1,ZHANG Xiaokang1,SHEN Zhanjun2(1.Anhui Zongyang Conch Cement Company Limited,Tongling 244000,China;2.College of Chemical Engineering,Anhui University of Science&Technology,Huainan 232001,China)Abstract:Carbon dioxide blasting experiment is carried out based on open-pit mining engineering to explore the effect of carbon dioxide blasting.Blasting vibration monitoring is carried out to analyze vibration energy and the impact of carbon dioxide blasting on the surrounding environment is investigated.The Hilbert-Huang Transform(HHT)is used to analyze the blasting vibration data and explore the spectrum characteristics of vibration signals generated by carbon dioxide blasting.The results show the carbon dioxide blasting vibration energy is mainly distributed in the frequency range of 0-100 Hz,and the main frequency is 0-60 Hz.The vibration of carbon dioxide blasting will not affect the engineering constructions and surrounding buildings under the condition of this paper and the magnitude of the blasting is within the permissible range.Key words:carbon dioxide blasting;blasting vibration;open-air blasting;Hilbert-Huang Transform0 引言炸药在采矿、隧道爆破,拆除爆破和硐室爆破等爆破领域内应用广泛1-3,炸药爆破技术作为一种传统的破岩方法,具有高效、经济等优点,是现代工程建设和矿山开采的重要技术手段。但随着时代的发展和环境的要求,某些情况下常规炸药的使62Vol.41 No.3Sep.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 3 期2023 年 9 月用受到一些制约,不能完全满足工程实践需求,这为高压气体爆破技术的采用提供了机会。与炸药爆炸破岩机理不一样的是,二氧化碳爆破过程是物理状态发生变化的同时产生强大的压力,由液态二氧化碳转换成气态二氧化碳时在岩石内产生膨胀压力和拉应力场,对岩石进行破碎4,由于相态的突然变化,对周围岩石也会产生一定的冲击作用,破碎过程中会产生一定程度的振动。为了确保工程实施的安全性,其振动对周边环境的影响值得深入研究。周科平等5-6通过实验测定二氧化碳致裂器管内压力,绘制出压力与时间的关系并结合 Span&Wagner 状态方程得到二氧化碳致裂器爆炸能量的经验公式。陈冠等7设计二氧化碳致裂器破岩实验并测定其振动信号,对所得的数据进行小波包变换分析,得到结论:振动的传播方向和距离对主振频带的影响较小,而随着传播距离的增大,爆破能量逐渐降低。朱宽等8通过理论计算得到某一次性二氧化碳致裂器的平均峰值压力为 53.19 MPa,爆炸 TNT 当量为 264.24 g,通过现场实验测得 5 m处的振动速度为 2.503 2 cm/s。杨幼江等9通过现场实验对二氧化碳致裂过程进行振动监测,得到二氧化碳爆破振动数据,运用 HHT 进行频谱分析得到结论:二氧化碳爆破主振频率较小,能量主要集中在 020 Hz 附近且爆破振动时间与爆破孔数有关。沈鑫等10设计现场实验,对振动信号进行反应谱分析,运用 FFT 变换、EEMD 分解得到二氧化碳爆破信号主要是低频信号,在受限区域内可以取得很好的效果。结合中外文献,希尔伯特-黄变换(HHT)针对非平稳振动信号进行分析,可以取得较好的效果,分析结果能够反映真实的物理过程,相较于 FFT 变换以及小波包分析有一定的优势。本文基于露天矿山台阶爆破的背景,进行二氧化碳爆破实验,探究其爆破效果,并对其爆破振动数据运用希尔伯特-黄变换(HHT)进行处理,得到工程建设中二氧化碳爆破振动数据的频谱特征和对周边环境的影响状况,为后续进一步研究提供经验和参考。1 二氧化碳爆破振动实验1.1 二氧化碳致裂技术二氧化碳致裂技术是利用二氧化碳在气液两相转换中体积变化的特点,在密闭空间内瞬间释放高压气体,对周围介质膨胀做功。二氧化碳在压力高于 7.38 MPa 且温度低于31.1 时,以液态二氧化碳分子存在,而通过激发管化学反应放热使环境温度高于 31.1 时,液态二氧化碳在膨胀管中转变为超临界状态,压力峰值可达 200 MPa 以上,从而击穿膨胀管中的定压片。超临界快速运动二氧化碳气流与岩石接触后,使岩石产生初始裂纹,同时随着体积膨胀,压力降低,超临界二氧化碳分子进一步发生相变气化,体积膨胀600700 倍,依靠相变后的气体产生楔作用,使裂纹进一步扩张。1.2 实验概况实验位于安徽省铜陵市枞阳县的石灰石矿山,矿山为山坡露天矿山,属长江中下游丘陵 冲积平原过渡地带,地势较为平坦,用自上而下水平分台阶的露天采矿方法,台段高 15 m,矿山地质以石灰岩为主,夹有少量泥质灰岩、瘤状灰岩等。矿区周边存在一定数量的单层、多层砖混结构房屋,且矿区距离厂区生产建筑距离较近,为研究受限区域内爆破振动对建筑的影响,在矿区边坡进行二氧化碳爆破振动实验。现场使用钻孔机进行钻孔,孔径 140 mm,孔深4.5 m,5 个炮孔,最小抵抗线为 1 m。致裂管采用108#致裂管,管长 2.2 m,外径 90 mm,二氧化碳单个充装量 6 kg。在距离炮孔每间隔 10 m 处共布置4 台爆破振动测试仪,布孔参数和测振布置如图 1所示。监测采用成都交博公司 L20-S 型爆破振动记录仪,监测方式为传感器箭头方向(水平径向 X)指向爆心,侧面 Z 分量箭头向上,水平放置。台阶面炮孔1.0 m1.5 m1.5 m1.5 m1.5 m1 0 m1 0 m1 0 m1 0 m1 2 3 4 振动监测点说明：1.1 表示测振仪编号2.表示炮孔编号3.测振仪均垂直指向台阶面图 1 测点布置示意图1.3 爆破效果及监测结果起爆瞬间,岩石沿着临空面松动坍塌,岩石均72第 41 卷 第 3 期2023 年 9 月Coal Mine BlastingVol.41 No.3Sep.2023匀破碎,现场震感弱,无飞石,爆破响动很小,整个过程持续 2 s 左右,爆破效果如图 2 所示。爆破后裂纹由爆孔向临空面呈放射状杂乱分布,裂隙分布均匀。图 2 爆破效果示意图爆破振动检测仪数据完整,在爆破远端 4测点显示,其最大振动速度为水平径向 X 方向,最大速度为 0.135 cm/s,水平切向 Y 方向和垂直向Z 方向速度较小,分别为 0.051、0.068 cm/s。其余 3 个测点均是水平径向 X 方向振动速度较大,分别为 1.226、0.370、0.217 cm/s,符合爆破安全规程规定的安全允许标准。实测结果如图 3所示。1.51.00.50.0-0.5-1.0-1.50.00.10.20.30.40.5t/sV/(c m?s-1)水平径向水平切向垂直向(a)R=10 m0.40.20.0-0.20.00.10.20.30.40.5t/sV/(c m?s-1)水平径向水平切向垂直向(b)R=20 m0.20.10.0-0.1-0.20.00.10.20.30.40.5t/sV/(c m?s-1)水平径向水平切向垂直向(c)R=30 m0.1 50.1 00.0 50.0 0-0.0 5-0.1 0-0.1 50.00.10.20.30.40.5t/sV/(c m?s-1)水平径向水平切向垂直向(d)R=40 m图 3 二氧化碳爆破振动监测1.4 爆破振动对比分析气体物理爆炸的爆破能可采用压缩气体与水蒸气容器爆破模型计算方法计算爆破能量:E=PVk-11-(0.1013P)k-1k103(1)式中:E 为气体爆炸能量,kJ;P 为致裂器内气体的绝对压力,MPa;V 为容器的容积,m3;k 为二氧化碳的绝热指数,取 1.295。本次实验所用致裂管为108#致裂管,气体膨胀后的绝对压力可以认为是致裂器的致裂压力,即致裂器致裂瞬间作用在岩石上的压力为 320 MPa,容积为 6.5 L。由式(1)计算得到爆破总能量为 6 681 kJ,单位质量的液态 CO2能量释放率为 1 113.56 kJ/kg。常用岩石乳化炸药的TNT 当量为 0.708,1 kg TNT 爆炸产生的能量为4 250 kJ,即单位质量的岩石乳化炸药爆炸能量约为 3 009 kJ/kg,计算得到单根致裂管的爆炸能量相当于 2.22 kg 乳化炸药的爆炸能量。根据经验公式可知爆破地震波衰减规律的一般公式为:82Vol.41 No.3Sep.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 3 期2023 年 9 月V=KQmR()(2)式中:V 为质点振动速度,cm/s;Q 为爆破药量,由上文可知,5 根致裂管的爆炸能量与 11.1 kg 的岩石乳化炸药相当,故取 11.1 kg;R 为质点到爆源的距离,m;m 为装药系数,一般取 1/3;K 为地质、地形和爆破条件等相关的系数,取 150;为衰减系数,取 1.5。代入计算可以得到乳化炸药爆破破岩引起的质点振动速度随爆源距的变化关系如图 4所示。5 0 04 5 04 0 03 5 03 0 02 5 02 0 01 5 01 0 05 002 04 06 08 01 0 0质点振动速度/(c m?s-1)爆源距R/m图 4 乳化炸药破岩引起的质点振动速度随爆源距的变化曲线由图 4 可知,在距离爆源 10、20、30、40 m 处岩石乳化炸药的质点振动速度分别为 15.805、5.587、3.041、1.975 cm/s。取上文二氧化碳爆破实验中每个测点处岩石质点振动速度矢量和的最大值,10、20、30、40 m 的质点振动速度分别为 1.238、0.370、0.226、0.139 cm/s。可以发现,若使用相当能量的乳化炸药进行爆破,按照经验公式估算出的质点振动速度明显大于液态二氧化碳相变破岩的振动实测值。2 信号能量分析2.1 HHT 分析原理经验模态分解方法11(EMD)是 1998 年由Norden E.Huang 等提出,并将 Hilbert 谱引入 EMD方法,形成了希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform,简称 HHT)。HHT 方法由经验模态分解和 Hilbert 变换两个内容构成。HHT 法是继傅里叶变换、小波变换后的时频性较强的自适应信号处理方法。基于原信号自身的局部均值特征以及时间尺度,EMD 方法将信号按频率由高到低筛分成一系列 IMF 分量的和。那么,每一个 IMF 分量计算得到的瞬时频率以及瞬时幅值就有了真实的物理意义。对原信号进行 EMD 分解后,再对分解得到的 IMF 分量进行 Hilbert 变换就可以得到各自的瞬时频率,然后将所有的 IMF 分量的瞬时频谱综合即可获得信号的 Hilbert 谱。2.2 振动能量分析获取 10 m 炮孔处的振动数据,运用 HHT 方法对水平径向 X 方向分量进行分析。首先,对分量进行 EMD 分解,得到的 IMF 分量如图 5 所示。10-1s i n g l e50-5i m f 1?1 0-310.50-0.5i m f 20.50-0.5-1i m f 30.30.20.10-0.1i m f 40.0 50-0.0 5i m f 50.10-0.1i m f 60.0 20-0.0 2-0.0 4i m f 70.0 20-0.0 2-0.0 4i m f 80.0 10-0.0 1-0.0 2i m f 992第 41 卷 第 3 期2023 年 9 月Coal Mine BlastingVol.41 No.3Sep.2023420-2-4i m f 1 0?1 0-30-0.0 1-0.0 2r e s i d u a lt/s图 5 IMF 分量由图 5 可知,分解得到 IMF 为 IMF1IMF10,R为余量;其中 IMF1 的频率最高,余量 Reside 的频率最低,整个分解过程中 IMF 分量频率逐渐变低,直至不能分解为止;IMF1 的波长最短,Reside 的波长最长,整个分解过程中 IMF 分量波长逐渐变大;IMF2IMF4 在整个 IMF 分量中占据了大部分能量;分量 IMF2 的振幅较大,对建筑物影响较大,是振动信号的重要部分;IMF5R 频率波长大幅增加而频率大幅度减小,其振动数量级也是小到可忽略不计,综合所有 IMF 分量得到水平径向爆破振动原始信号的时间-频率-能量三维 Hilbert 谱(图 6)。2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.202 0 01 5 01 0 05 000.0 5 0.1 00.1 50.2 00.2 50.3 0 0.3 50.4 0频率/H z时间/s时频域波形幅值图 6 Hilbert 三维能量谱图 6 为二氧化碳爆破振动信号 Hilbert 三维能量谱,能量谱可以很好地表示采样时间-频率-瞬时能量三者的关系。对其进行分析,图中颜色表征了能量的改变,浅色表示能量较小,深色表示能量较大,在 0.10.2 s,图谱颜色主要在 0100 Hz,这说明二氧化碳爆破振动能量主要在 0100 Hz 内。信号的大部分频带集中在 60 Hz 以下的区间内,没有超过 100 Hz 的信号,由此可见,爆破振动信号主要的能量分布在低频段,且在 060 Hz 区间内较为集中,在进行 HHT 变换后的图谱中可以看出频率和能量间的关系。根据爆破安全规程(GB 67222014)的规定,结合上述分析,二氧化碳爆破振动在允许范围内,对工程建设和周边房屋均不会造成影响,相较于工业炸药,有着良好的爆炸安全性,适用于露天矿山、城市建筑物的拆除以及其他受限区域内的爆破施工。3 结论1)振动监测点较为合理,装置及调试满足工程测试需要,得到的振动能量符合国家安全标准。2)使用 HHT 方法对爆破施工产生的爆破振动信号分析是一种合理有效的方法,可以很好地分析爆破时产生的振动对周边环境的影响程度,对施工有着很大的指导意义。3)二氧化碳爆破技术的破岩振动能量主要在0100 Hz 信号频带区域内,且主频为 060 Hz。参考文献 1 程小兵 张仲一 何申中 等.液态二氧化碳相变爆破技术的研究现状与展望 J.煤矿爆破 2022 40 3 10-15.2 逄锦伦.煤矿爆破技术应用现状梳理及展望 J.煤矿爆破 2020 38 2 9-11.3 蒋光波 谢兴华 孟祥栋 等.爆破工程用特种器材的研究及应用综述 J.煤矿爆破 2020 38 5 23-27.4 周明安 周晓光 夏军 等.二氧化碳膨胀爆破技术现状及发展 J.采矿技术 2020 20 6 100-102.5 周科平 柯波 李杰林 等.液态 CO2爆破系统压力动态响应及爆炸能量分析 J.爆破 2017 34 3 7-13.6 KE B ZHOU K P XU C S et al.Thermodynamic properties and explosion energy analysis of carbon dioxide blasting systems J.Mining Technology 2019 128 1 39-50.7 陈冠 李启月 刘小雄 等.液态 CO2相变破岩振动信号能量分布特征 J.爆破 2018 35 2 155-163.8 朱宽 钟冬望 周桂松.二氧化碳膨胀爆破一次性致裂管性能研究与应用 J.爆破 2022 39 2 133-139.9 杨幼江 薛维龙 朱禧 等.公路路基准静态爆破开挖爆破振动反应谱分析 J.施工技术 中英文 2021 50 17 65-68.10 沈鑫 李志清 胡瑞林 等.二氧化碳相变致裂信号反应谱分析 J.地球科学与环境学报 2018 40 5 645-651.11 马新娜 杨绍普.滚动轴承复合故障诊断的自适应方法研究 J.振动与冲击 2016 35 10 145-150.03Vol.41 No.3Sep.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 3 期2023 年 9 月