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对毫秒延时爆破地震公式的讨论发布时间：2007-08-08顾毅成（铁道科学研究院，北京 100081）摘要：毫秒延时爆破以其降低爆破振动效应，改善爆破质量得到了日益广泛的应用，但对毫秒延时爆破地震动强度的计算方法，存在着不同的观点。
通过归纳分析毫秒延时爆破地震波的时域特性，对目前几个公式和观点进行了讨论与分析，并提出了用于毫秒延时爆破振动安全设计和评估计算模式的建议。
关键词：毫秒延时爆破爆破地震效应爆破振动公式中图分类号：文献标识码：文章编号：Discussion about Seism equation of Delay MS Blasting Gu Yicheng(China Academy of Railway Sciences)KEY WORDS: Delay MS blating；Blasting seismic effect；Blasting seism equation1 引言采用毫秒延时爆破，可以改善爆破质量、降低爆破地震效应，扩大一次爆破的规模；而采用导爆管起爆网路，通过高精度导爆管毫秒雷管及孔内、孔外毫秒延时雷管的合理设计，更有可能实现毫秒差为10ms、乃至更小的毫秒段间隔延时起爆，因而毫秒延时爆破得到日益广泛的应用。
但对毫秒延时爆破地震动强度的预报计算公式，目前还没有比较统一的意见，并影响到毫秒延时爆破的设计与爆破振动安全。
加强对毫秒延时爆破地震效应机理及地震动强度计算公式的研究，有重要的实际意义。
2 毫秒延时爆破地震动强度预报的几个公式与观点关于毫秒延时爆破地震动幅值预报或安全允许距离计算公式，当前可见以下几个。
2.1 爆破安全规程（GB6722-2003）[1]爆破安全规程（GB6722-2003）第6.2.3款规定：爆破振动安全允许距离，可按式（1）计算。
（1）式中：R—爆破振动安全允许距离，m；Q—炸药量，kg，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，单位为千克(kg)；V—保护对象所在地质点振动安全允许速度，单位为厘米每秒（cm/s）；K、α—与爆破点预计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。
爆破振动测量报告1. 引言爆破振动测量是一种常用的地震监测手段，用于记录爆破活动引起的地面振动情况。
本报告旨在分析某爆破活动的振动测量数据，并对其进行评估和总结。
2. 测量设备与方法本次测量使用了三个加速度计（Accelerometers），分别安装在离爆破点一定距离的不同位置，以测量不同方向上的振动。
加速度计的采样频率为500Hz，并以数字方式记录数据。
3. 测量数据与分析通过对测量数据进行处理和分析，得到了以下结果：3.1 最大振动幅值在三个测点的振动数据中，分别选取了最大振动幅值。
结果显示：•离爆破点最近的测点振动幅值为5.1mm/s。
•离爆破点较远的测点振动幅值为2.8mm/s。
•另外一个测点振动幅值为3.5mm/s。
3.2 频谱分析对测量数据进行频谱分析，得到了下图所示的频谱图：从频谱图可以观察到主要能量集中在10Hz附近，并有一些低频和高频成分。
3.3 振动时间历程下图展示了三个测点的振动时间历程：从时间历程图可以看出，振动信号具有明显的脉冲性质，持续时间较短，峰值出现在爆破后不久，并逐渐衰减。
4. 评估与总结结合测量数据和分析结果，对本次爆破活动的振动进行评估和总结：•本次爆破活动引起的振动幅值较小，远离爆破点的振动更加微弱。
•振动频谱主要集中在10Hz附近，具有一些低频和高频成分。
•振动时间历程显示了明显的脉冲特征，持续时间较短。
综上所述，本次爆破活动对周围地面的振动影响较小，不会对周围建筑物和设施产生明显的损害。
5. 结论根据对测量数据的分析，本次爆破活动引起的地面振动幅值较小且持续时间较短。
振动频谱主要集中在10Hz附近，具有一些低频和高频成分。
基于这些分析结果，可以判断该爆破活动对周围建筑物和设施的影响较小，不会造成严重的损害。
概述爆破时通过炸药能量的释放，使炮孔周围介质破碎，同时由于爆破应力波作用又使远处介质产生剪应力和拉应力，使介质产生裂隙；剩余的一部分能量以波的形式传播到地面，引起地面质点的振动，形成爆破地震。
地面与地下工程结构均受爆破地震的影响，在爆破工程设计时需根据实际情况进行爆破地震强度的检算。
近年来，爆破拆除工程日益增多，为了不致损伤破坏爆体周围的建筑与设备，严格控制爆破振动是极为重要的。
因此，在控制爆破设计中，同样需要进行爆破强度的检算。
爆破地震与自然地震爆破地震与自然地震有相似之处，即二者都是急剧释放能量，并以波动的形式向外传播，从而引起介质的质点振动，产生地震效应。
但爆破地震还有以下特点：一、爆破地震的震源能量小，影响范围小；二、持续时间短，爆破地震一般在0.1～0.2 S左右，而自然地震持续时间长，一般在10～40 S左右；三、爆破地震振动频率高，而自然地震一般是低频振动；四、可以控制爆破震源大小及作用方向；五、通过改变爆破技术可以调节振动强度。
虽然在同一地点的两种地震波参数相同，但爆破地震对该处建筑的影响和破坏程度要比自然地震轻。
因此，对于爆破地震问题不应按自然地震的计算方法来处理。
爆破振动速度爆破所引起的地面振动与天然地震一样，是一个非常复杂的随机变量。
它是以波的形式传播的，其振幅、周期和频率都随时间而变化。
振动的物理量一般用质点的振速、加速度、位移和振动频率等表示。
用振动的哪些物理量作为衡量爆破地震效应强度的判据，在不同的工程实践中，各有侧重。
目前，国内外多采用地面质点的振动速度作为衡量爆破地震效应强度的判据。
这是因为：一、它可以使爆破振动的烈度与自然地震烈度相互参照；二、目前采用的速度传感器及二次仪表比较普遍，标定与信号检测较容易。
三、便于换算与结构破坏判据相关的参数。
爆破振动速度的计算岩石介质的振动矢量是由相互垂直的三个方向的矢量和求得的。
一般用垂直振动速度作为判据。
在理论的推导上，由于爆破振速的大小与炸药量、距离、地形、爆破方法等有关，推导出的公式（经验公式）较多，目前使用较多的是由相似理论量纲分析的结果，给出按药量立方根比例推算的方法决定函数关系（萨道夫斯基提出的经验公式）v=k(Q^(1/3)/R)^α式（1）式中：V为爆破产生的振动速度（cm/s）；K为介质系数；α为衰减系数；Q为最大一段装药量（kg）；R为测点与爆心的距离（m）。
爆破震动公式爆破震动安全技术爆破震动安全允许震速爆破振动强度计算（1）V=K ·(Q 1/3/R)α式中Q ：一次起爆最大药量；kgV —控制的震动速度，cm/sK-爆破介质为普坚石，但保护的民房与爆破地岩石之间的有些软岩与土层相隔，R-装药中心至保护目标的距离 m 在不同距离上的的地面质点震动速度计算如表：爆破震动速度表爆破振动安全允许距离311.Q V K R α??? ??=式中:KR ——爆破振动安全允许距离，单位为米(M);Q ——炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，单位为千克(kg);V ——保护对象所在地质点振动安全允许速度，单位为厘米每秒(cm/s);K 、α ——与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，为确保爆区周围人员和建筑物等的安全，必须将爆破震动效应控制在允许围之。
目前通常采取如下技术措施来控制或减弱爆破地震效应 1）限制一次齐发爆破的最大用药量确定合理的爆破规模及正确的爆破设计与施工，充分利用爆炸能的有用功，也就是根据爆破的目的要求和周围环境情况，按允许最震效应原则应用公式计算确定一次允许起爆的最大药量。
如：一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物最大安全允许震速为3.0cm/s，可计算出最大起爆药量为17kg。
（K取250，a取1.8，R为30m）。
2）采用微差爆破技术根据微差爆破原理，采用微差爆破技术可以使爆破地震波的能量在时空上分散，使主震相的相位错开，从而有效地降低爆破地震强度，一般可降低30％～50％。
3）预裂爆破或减震沟减震在爆破区域与被保护物体之间，预先钻凿一排或二排密集减震孔、或采用预裂爆破形成一定宽度的预裂缝和预开挖减震沟槽等，均可收到明显的减震效果，一般可减弱地震强度30％～50%。
为了提高减震效果，预裂孔、缝和沟应有一定的超深（20～30cm）或宽度（不小于1.0cm），而且切忌充水。
4）采用低威力、低爆速炸药降震根据能量平衡准则，采用低爆速、低威力可以明显地降低爆破地震强度。
爆炸的危害作用炸药爆炸时, 人类可利用其化学能转变成的机械功, 完成一些人工或机械不能或难以完成的工作。
爆炸的同时还将产生爆破地震波、空气冲击波、爆破噪音、个别飞石、爆破毒气等危害作用, 这些危害作用亦称危害效应或负面效应。
它们对人员、建筑物和设备所造成的危害范围, 因爆破规模、性质与周围环境的不同而异。
如露天爆破时, 地震与飞石的影响范围较大, 空气冲击波在加强抛掷时有显著作用, 而松动爆破则几乎没有影响。
爆破规模较大时, 还要考虑爆破毒气的危害问题。
为了保证人员和设备的安全, 必须正确计算各项安全影响范围, 以便采取相应措施。
对于建筑物与构筑物必须评价其安全程度。
对于重要目标必须保证不受爆破地震、空气冲击波和爆破飞石的破坏, 要严格进行安全校核, 必要时应减少一次(或一段的爆破装药量或采取其它安全措施。
1.1 爆破地震波1.1.1 地震的有关概念在地底下发生地震的地方,叫震源。
地面上与震源相对处,叫震中。
地震的大小,在地震学上用震级和烈度来衡量。
1.1.1.1 震级震级也称地震强度, 用以说明某次地震本身的大小。
它是直接根据地震释出来的能量大小确定的。
用一种特定类型的、放大率为 2800倍的地震仪,在距震中100km 处,记录图上量得最大振幅值 (以 1/1000mm 计的普通对数值, 称为震级。
例如, 最大振幅为 0.001mm 时,震级为“ 0”级;最大振幅值为 1mm 时,震级为“ 3”级;最大振幅值为 1m 时,震级为“ 6”级。
地震震级的能量究竟有多大?可用爆炸能量来说明。
在坚硬岩石(如花岗岩中,用 2~3×106kg 炸药爆炸,相当于一个 4级地震。
一个 8级地震的功率大约相当于100万人口城市的发电厂在 20~30年内所发出电力的总和。
由此可见, 虽然地震仅仅发生于瞬时的变化, 但地震释放出来的能量却是巨大的。
1.1.1.2 烈度烈度是指某一地震在具体地点引起振动的强度标准,它标志着地震对当地的实际影响, 作为工程建筑抗震设计的依据。
爆破地震波传播过程的振动频率衰减规律研究摘要：爆破振动频率的研究是爆破振动危害控制技术发展的重要基础。
基于引入介质阻尼项建立的黏性岩体爆破振动频谱表达式，数值模拟分析球状药包、柱状药包爆破振动主频和平均频率的衰减机制和规律。
结果表明：无论是球状药包还是柱状药包，由于爆破地震波频谱曲线的多峰结构和高低频衰减速度的差异，其爆破振动主频随爆心距的增大并非严格的衰减，在衰减过程中出现局部突变或者波动，而爆破振动平均频率则随爆心距规则地衰减。
关键词：数值模拟；爆破振动；振动主频；平均频率；频谱曲线；衰减规律一、爆破振动主频的衰减1.球状药包基于弹性介质中球形空腔激发的弹性波理论解，引入介质阻尼项，获得了黏性岩体中爆破振动速度谱表达式Fn（ω）其中，式中：λ，μ为拉梅系数；CP为纵波速度；Qr为岩石的地质品质因子；re为弹性空腔半径；Sσ（jω）为弹性空腔内的荷载谱；ω为角频率；r为爆心距。
在弹性空腔作用三角形爆破荷载，其爆破荷载谱为式中：σmax为爆破荷载的峰值；τ为荷载作用持续时间；ae=τ1/τ；be=τ2/τ；τ1，τ2分别为荷载上升时间及荷载从峰值下降为零的时间。
本节利用振动速度谱Fn（ω）通过数值计算分析球状药包主频fd随爆心距r的衰减规律。
采用的计算参数为：σmax=50MPa，Cp=5000m/s，ρ=2700kg/m3，re=2.0m，ae=0.25，be=0.75，τ=10ms，泊松比ν=0.25。
岩体在考虑阻尼条件（Qr=12）下得到黏性岩体的fd随爆心距r的变化曲线如图1所示。
图1球状药包fd-r曲线结合式（1）可知，黏性岩体（Qr=12）有高频滤波特性，fd不仅随r的增大而衰减，且在r=72m处发生了突变。
为揭示球状药包爆破振动主频的突变机制，本节对不同爆心距爆破振动频谱曲线分布及其演化规律分析，随r增大，高频衰减快，低频衰减慢，频谱曲线由以主频为对称轴的三峰结构变成主频位于低频带的单峰结构。
爆破振动测试技术探讨1 爆破振动波时频特性爆破地震与天然地震主要区别在于时频特征差异。
天然地震振动时间较长，一次振动能持续几秒至几十秒，而爆破地震持续时间很短，一次振动只有几十毫秒～几秒，常用的毫秒延期雷管段数为15段以内，15段雷管延时为1秒。
更长的延时依靠接力传爆，但爆破震动波持续时间大多数在3秒以内完成，所以时域特性来看爆破地震的单次记录时间不会很长。
另外从振动次数上来看，天然地震常伴有多次余震，而爆破震动大多数是一次完成，也有采石场或某些石方开挖爆破工程中，需要多次爆破或长期生产爆破，地震波作用造成的危害会不断累加，产生疲劳破坏。
因此对于多次或长期爆破产生震动应作多段爆破记录。
爆破地震波的频域特性上，主振频率较高，一般爆破振动主频在5Hz～300Hz，爆破地震频率受多种因素影响，而建筑物对各频率震波的动力响应关系与振动危害性密切相关。
根据国内外众多测试资料分析表明，一方面爆破地震波随着传播距离的增加，其振动主频不断降低；另一方面爆破地震波主频受爆破类型、装药结构、地形地质条件等多种因素影响。
为了获得真实的爆破振动信号，在爆破振动检测前应当初步估计爆破地震波的主振频率特征，从而更好地设定记录仪的采样频率、选择合理的传感器响应频率，才能有效地满足爆破振动测试的要求。
2爆破振动检测设备目前爆破振动测试所用仪器类型很多，随着计算机技术的发展，数字式记录仪越来越多，有国产的也有进口的，数字式记录仪使用更方便、可靠，但缺乏统一的标准。
此外传感器的选型和安装尚无统一的规定和要求，振动数据的分析软件各不相同，所以很多爆破振动测试并没有规范，甚至有些测试数据可信度较低。
下面对爆破振动测试技术现状作简要介绍。
2.1 振动速度传感器2.1.1 传感器频率要求前面已论述过爆破地震波的频域特性，大多数情况下爆破地震频率范围在5Hz～300Hz。
选用的振动速度传感器频率响应范围一般宜在3Hz～500Hz，但一般国产振动速度传感器频率范围较窄，大多数传感器低频域高于10Hz，低频域小于10Hz的传感器高频域又只能到80Hz，这类传感器基本不能用于完整的爆破振动测试。
爆破地震地震学用震级和烈度来衡量地震的大小。
（1）震级震级也称地震强度，用以说明某次地震本身的大小。
它是直接根据地震释放出来的能量大小确定的。
用一种特定类型的、放大率为2800倍的地震仪，在距震中100km处，记录图上量得最大振幅值（以1/1000mm计）的普通对数值，称为震级。
例如，最大振幅为0.001mm时，震级为“0”级；最大振幅值为1mm时，震级为“3”级；最大振幅值为1m时，震级为“6”级。
地震震级的能量可用爆炸能量来说明。
在坚硬岩石（如花岗岩）中，用2～3×106kg炸药爆炸，相当于一个4级地震。
一个8级地震的功率大约相当于100万人口城市的发电厂在20～30年内所发出电力的总和。
由此可见，虽然地震仅仅发生于瞬时的变化，但地震释放出来的能量却是巨大的。
（2）烈度烈度是指某一地震在具体地点引起振动的强度标准，它标志着地震对当地的实际影响，作为工程建筑抗震设计的依据。
烈度不是根据地震仪器测定的。
判断烈度大小是根据人们的感觉、家具及物品振动情况、房屋及建筑物受破坏的情况，以及地面出现的崩陷、地裂等现象综合考虑后确定的。
因此，地震烈度只能是一种定性的相对数量概念，且有一定的空间分布关系。
必须指出：地震震级与地震烈度是两个不同的概念，不可混淆。
如把地震比作装药爆炸，那么，装药量就相当于地震震级，而装药在爆炸时的破坏作用则是地震烈度。
一个地震只有一个震级，但在不同地区可以有不同的烈度，因为在一个地震区域内，不同部位的破坏程度是不同的。
在地底下发生地震的地方，叫震源。
地面上与震源相对处，叫震中。
显然，震中区的烈度（叫震中烈度）就比其他地方的大。
所以震中烈度就是最大烈度，用以表示该次地震的破坏程度。
天然地震烈度表2、爆破地震波（1）爆破地震波的产生当装药在固体介质中爆炸时，爆炸冲击波和应力波将其附近的介质粉碎、破裂（分别形成压碎圈和破裂圈），当应力波通过破裂圈后，由于它的强度迅速衰减，再也不能引起岩石的破裂而只能引起岩石质点产生弹性振动，这种弹性振动是以弹性波的形式向外传播，与天然地震一样，也会造成地面的震动，这种弹性波就叫爆破地震波。
