爆破损害及测试技术

十一章：爆破危害及测试技术主讲人：XXX西南科技大学目录相应爆破测试仪器2常见的爆破危害类型311.常见的爆破危害类型1.常见的爆破危害类型随着爆破技术的发展和完善，以及城镇建设改革的需要，工程爆破的应用范围已由最初的采矿，隧道建设发展到现在的城镇大型建（构）筑物的拆除，基坑的开挖，以及城区道路和机场的平整等；爆破环境相应的也由人烟稀少的野外转到人口密集的城镇。但是随着爆破技术的广泛应用，爆破对周围环境以及建筑物所造成的危害也越来越受到人们的关注。1.常见的爆破危害类型1.常见的爆破危害类型爆破过程中导致房屋的损毁现象1.常见的爆破危害类型爆破过程中飞石伤害现象1.常见的爆破危害类型

1.爆破地震效应

2.

空气冲击波

3.

爆破噪声

4.

爆破飞石

5.

爆破有毒有害气体在爆破的过程中，常见的爆破公害有哪些？1.常见的爆破危害类型1.1爆破地震效应1.1.1.爆破地震波

（1）爆破地震波的形成与特征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，冲击波会逐渐衰减为应力波和地震波。1.常见的爆破危害类型

冲击波：在爆炸近区传播，

范围为药包半径的10~15倍

应力波：在爆炸中区传播，范围为药包半径的15~400倍

地震波：应力波到达界面产生反射和折射叠加形

成，是一种弹性波

1.常见的爆破危害类型地震波分类地震波体波面波纵波（p波）瑞利波勒夫波横波（s波）说明：爆破过程中造成岩石破裂的主要原因是体波的作用，而造成爆破地震破坏的主要原因是面波的作用.特点：周期长、振幅大，传播速度较体波慢，衰减也较慢，但携带的能量较大。周期短，振幅小，传播速度快，5－6km/s。周期较长，振幅较大，传播速度仅次于纵波3-4km/s。1.常见的爆破危害类型纵波的波形特征1.常见的爆破危害类型横波的波形特征1.常见的爆破危害类型勒夫波的波形特征1.常见的爆破危害类型瑞利波波形特征1.常见的爆破危害类型地震波形图中包含三个相：

初震相主震相余震相地震波形图1.常见的爆破危害类型tA初震相主震相余震相A完整的地震波形图1.常见的爆破危害类型一幅完整的爆破地震波形图中：

开始：一系列振幅较小、频率较高波形主要是

P波和S波；

紧接：振幅较大、频率较低的R波，持续一段

时间后，波形逐渐衰减。

在短距离内：三种波(P波、S波、R波)几乎一起

到达，地震波辩认复杂而困难。

在远距离处：传播速度较慢的S波、R波开始与

P波分离，地震波辩认容易。完整的爆破地震波形图：1.常见的爆破危害类型初震相完整的爆破震动波形图1.常见的爆破危害类型(2)爆破地震波基本参数

振幅A：主震相中的最大振幅是表征地震波的重要参数，是振动强度的标志。

频率f0（或周期T0）：一般用最大振幅所对应的一个波的周期作为地震波的参数，

频率：f0=1/T0

振动持续时间TE：指测点振动从开始到全部停止的时间，反映振动衰减的快慢1.常见的爆破危害类型1.1.2爆破地震动及爆破震动效应爆破地震动：爆破地面的运动。爆破冲击波→应力波→地震波→地表附近土层震动爆破地震效应：爆破地震波引起的破坏现象及后果。

爆破地震效应是一个包含建（构）筑物本身以及爆破地震波多种因素的综合性的现象。1.常见的爆破危害类型爆破地震效应问题的研究可以归纳为两个方面：

（1）爆破地震波的特征及传播规律；（2）爆破地震波对建筑物的影响。解决办法：

(1)宏观调查：地震波特征分析；

建筑物危害现象与破坏特征

(2)振动测试：地震波；结构动力响应；

结构动力特性参数爆破振动测试是研究爆破地震效应的基本手段和方法1.常见的爆破危害类型1.1.3衡量爆破震动强度的物理量及破坏判据的确定(1)衡量爆破震动强度的物理量衡量爆破震动强度的物理量主要有三种，震动位移，振动速度和震动加速度，其中振动位移具体地反映了震动幅度的大小，振动速度反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大小。但是，具体以哪种物理量作为衡量标准最合适，目前在国内外有不同观点。

目前，多采用振动速度作为衡量安全的主要物理量1.常见的爆破危害类型（2）衡量爆破震动破坏判据的确定《爆破安全规程》(GB6722一2003)规定：

1）地面建构筑物：

爆破震动判据：保护对象所在地质点峰值震动速度和主震频率

2）水工/交通隧道、矿山巷道、电厂中心控制室、新浇筑大型砼：

爆破震动判据：质点峰值震动速度1.常见的爆破危害类型1.常见的爆破危害类型1.2爆破冲击波

1.2.1爆破冲击波的形成与特征

（1）冲击波的形成

炸药爆炸时,无论介质是空气还是岩石,都将有空气冲击波从爆炸中心传播开来。炸药若是在空气中发生爆炸,其高温高压的爆炸产物就会直接作用在气体介质上;炸药若是在岩石中爆炸,这种高温高压的爆炸产物就在岩石破裂的瞬间冲入周围空气中,强烈地压缩邻近的空气,使其压力、密度、温度突然升高,形成空气冲击波。1.常见的爆破危害类型

高温高压高速爆炸气体产物→极高速度扩散→压力密度温度状态参数突跃升高→形成初始空气冲击波1.常见的爆破危害类型（2）冲击波的特征

冲击波在空气中传播时,将会形成压缩区和稀疏区。压缩区内因空气受到压缩,其压力大大超过当地大气压,称之为冲击波超压;稀疏区随着爆炸气体生成物的继续膨胀，波阵面后面的压力急剧下降，由于气体膨胀的惯性效应所引起的过度膨胀，会产生压力低于大气压的负压。在波中由于压缩的不可逆性，会发生能量的弥散，机械能转变为热能，导致波强下降。同时，在波的传播过程中，被波卷入的空气质量的增加的结果，也加速了空气冲击波的衰减，最终变为声波。1.常见的爆破危害类型1.2.2爆破冲击波的危害

由于空气受到压缩而向外流动,这种向外流动的空气所产生的冲击波压力称为动压。由于冲击波具有较高的压力和流速,所以不但可以引起爆破点附近一定范围内建筑物的破坏,而且还会造成人畜的伤亡。如1945年8月,美国在日本长崎和广岛所投的原子弹爆炸后,其中死伤者70%是由冲击波造成的。由此可见,冲击波的破坏作用是十分严重的。1.常见的爆破危害类型原子弹爆炸后的日本广岛1.常见的爆破危害类型1.2.3爆破空气冲击波的破坏判据

《爆破安全规程》(GB6722-2003)规定

空气冲击波对人员的安全允许标准：0.02×105Pa另外，该规程还对爆破冲击波对建筑物的破坏划定了依据，如下图所示：1.常见的爆破危害类型1.常见的爆破危害类型1.3爆破噪声1.3.1噪声的基本概念

（1）噪声的定义噪声定义：

物理学观点：噪声是指声强和频率变化无规律、

杂乱无章的声音。

心理学观点：噪声是指人们不需要的声音。1.常见的爆破危害类型

（2）噪声的种类(1)按声强是否随时间变化分类

1）连续性噪声

稳态噪声：随时间变化，声压波动小于3dB。

非稳态噪声：随时间变化，声压波动大于3dB。

2）间断噪声

间断噪声：又称为脉冲噪声，即声音持续时间小于

0.5

秒，间隔时间大于1秒，声压有效值变化大于

40dB的噪声。

(2)按噪声产生的机理分类

空气动力性噪声：空气的压缩和释放所产生的声音。

机械噪声：撞击，摩擦

电磁噪声：变压器，发电机1.常见的爆破危害类型1.3.2

噪声的物理参数

（1）声压声强声功率

声压：声波产生的空气压强增量，表示声音强弱

基准声压：对正常听力的人，1000Hz纯音的声压为2×10-5Pa时，刚刚能听到。

痛阈声压：当声压达到20Pa时，感到震耳欲聋

一般说话声压：0.02～0.03Pa

1.常见的爆破危害类型

声强：垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面

积的声能(W/m2)

基准声强：人耳对纯音可听声强，10-12W/m2

在自由声场中，声压和声强关系：

1.常见的爆破危害类型声功率：声源在单位时间内辐射出的总的声能量(W)

基准声功率：一般取10-12W

大声说话的声功率只有50W

在自由场中，声源的声功率与声强有如下关系：

1.常见的爆破危害类型

（2）声压级声强级声功率级

1）“级”的导入

用声压、声强和声功率表示比较的不方便

例如：

听阈到痛阈，声压绝对值之比为106：1

声强绝对值之比为1012：1

所以引入“声压级，声强级，声功率级”等的概念：

听阈声压级到痛阈声压级变化范围为0～120dB声压级：1.常见的爆破危害类型声强级：声功率级：

1.常见的爆破危害类型2）噪声级的计算

①.声功率（级）与声强（级）的叠加

声功率，声强，声功率级以及声强级的叠加都是直接进行相加。

②.声压（级）的叠加声压叠加公式：首先我们应注意，声压（级）不能够直接相加a.公式法1.常见的爆破危害类型声压级叠加公式：b.图表法利用查图标直接能计算出两个以及两个以上声压级叠加后的值，表如下图所示：1.常见的爆破危害类型1.常见的爆破危害类型图标法计算声压级叠加问题例题：1.常见的爆破危害类型3)噪声级的平均计算噪声级的平均值：算例：求的平均声压级解：1.常见的爆破危害类型（3）频程和频谱频程又称频带。两个声或其他信号的频率间的距离，是频率的相对尺度，以高频与低频的率比的对数来表示，此对数通常以2为底。倍频程数n与频率的关系式为：1)频程1.常见的爆破危害类型常用频程：倍频程，1/3倍频程1.常见的爆破危害类型2)频谱

以频率为横轴，以声压为纵轴，绘出的图为声音的频谱图

声音的三种频谱(声音强弱分布)

离散谱/线状谱：部分乐器

连续谱：大部分噪声

复合谱：离散谱＋连续谱

1.常见的爆破危害类型

以频率划分噪音：

低频噪声：350Hz以下

中频噪声：350Hz～1000Hz

高频噪声：1000Hz以上1.常见的爆破危害类型

1.3.3噪声评价标准（1）.噪声危害

1)引起听力损失：听力锐度的下降耳聋：500，1000，2000Hz损失>25dB大爆破：脉冲噪声峰压级170～190dB

2)噪声的生理效应

3)噪声能降低生产效率并引起伤亡事故4)对建筑物造成危害1.常见的爆破危害类型（2）.噪声的允许标准

1.常见的爆破危害类型1.常见的爆破危害类型1.4爆破飞石1.4.1爆破飞石的基本概念（1）.定义

爆破飞石是指在爆破作业过程中从爆破点抛掷到空中或沿地面抛掷的杂物、泥土、砂石等物质。（2）.爆破飞石类型

通过文献资料中应用高速摄影方法分析统计,拆除爆破中产生的飞石主要有以下4种类型:1.常见的爆破危害类型1)炸药爆炸后,介质表面在爆破鼓包运动作用下,大面积或整体性地向前抛掷形成飞石;2)爆破时,局部介质破碎后成放射线飞散形成飞石;3)爆破时,由于炸药爆炸而生成的高速爆轰气体从介质的软弱夹层或从炮孔堵塞部分冲出,使个别介质碎块加速抛射形成飞石;4)对烟囱、水塔等高耸建筑物进行爆破时,在其定向或坍塌时以很高的速度和动能冲击地面,部分介质碎块从地面反弹飞出,或者结构物落地处的碎渣、石子等没清理干净,在结构物倒塌落地瞬间,受其冲击而获得能量和速度向外弹射形成飞石。1.常见的爆破危害类型1.4.2爆破飞石产生的原因

过多的爆破飞石与爆破设计的不合理和爆破施工的误差有关系,爆破飞石产生的原因主要有以下几个方面。(1)装药孔口堵塞质量不好。炮孔堵塞长度过小,或堵塞

质量不好时,高温高压的爆炸气体中夹有很多石块冲

出炮孔,形成冲炮,产生飞石。(2)装药过量,爆破荷载过大。(3)局部抵抗线太小,也会沿着该方向产生飞石。(4)岩体不均匀,遇有断层、软弱夹层等弱面时,爆轰气

体集中冲出产生飞石。1.常见的爆破危害类型(5)爆破剩余能量产生飞石。爆破时炸药爆炸的能量除将指定的介质破碎外,还有多余的能量作用于某些碎块上使其获得较大的动能而飞向远方。(6)其它偶然因素产生的飞石。

从本质上讲,爆破飞石是由于爆炸应力波、爆生气体的作用或两者的联合作用而产生的。1.常见的爆破危害类型1.4.2爆破飞石的危害及控制

爆破飞石的危害主要体现在人员伤亡、建筑物损坏、机器设备破损等方面,而其中的人员伤亡是爆破飞石的最大危害。

统计资料表明,在我国由于爆破飞石造成的人员伤亡、建筑物损坏事故已经占整个爆破事故的15%~20%,我国露天矿山爆破飞石伤人事故占整个爆破事故27%。（1）爆破飞石危害1.常见的爆破危害类型（2）爆破飞石控制措施1)严格控制装药量。2)小孔径分散装药或不耦合装药。3)调整局部装药结构。因地形限制,或者是钻孔施工中的误差造成局部抵抗线过小,或者是遇到断层,夹层等弱面时,装药应当适当调整,适当减少相应部位的装药量。4)提高炮孔堵塞质量。5)合理确定起爆顺序和间隔时间。1.常见的爆破危害类型1.5爆破有毒有害气体1.5.1爆破气体的主要成分及有害成分

炸药绝大多数是有机化合物,其爆炸反应的实质,是炸药中所含C、H、O、N等元素之间发生氧化还原反应,释放出大量热能,而生成较为稳定的化合物。爆轰产物主是气体产物,有时也伴有液体和固体残渣成分较为复杂,但主要有:CO2、H2O、CO、NOx(NO、NO2等)、C、O2、N2、H2S、SO2、HN3等。其中常见的有害气体有CO、NO2、H2S、SO2等。1.常见的爆破危害类型1.5.2爆破有害气体产生的原因炸药爆炸时产生有毒气体的原因主要有以下几点。(1)炸药的氧平衡

零氧平衡：CO2、H2O等正氧反应：氮氧化物负氧反应：

CO

(2)爆炸反应的完全程度1.常见的爆破危害类型

炸药反应的完全程度与炸药组成、成份性质、炸药密度、粒度、装药直径、起爆冲能的大小等诸多因素有关。

例如:当炸药组成相同时,粒度越小,混合起均匀,反应就越完全,有毒气体生产量就越小。

(3)周围介质的作用

混合炸药发生爆炸时,瞬间产生大量的热,这些热能作为活化能会与爆炸环境中的其他物质发生化学反应。例如：金矿中的S高温下与空气反应产生H2S；爆炸产生的CO2

也可能被周围的C还原成为CO

等1.常见的爆破危害类型1.5.3爆破有害气体预防及控制

(1)炸药生产方面1）新型安全炸药的研制。

在研制新型炸药时，不仅要考虑它的氧平衡问题，而且还应考虑它最终反应程度和途径。对于配制混合炸药，要尽量使炸药组分的化学活性相同或相近，这样反应速度相差不大，分解产物就可能充分相互作用，从而降低有毒气体量。1.常见的爆破危害类型2）控制炸药的包装材料。

为了提高炸药的抗水、防潮性能等，炸药通常用蜡涂壳或塑料包装。由于纸、蜡、塑料均为可燃物质，能够消耗炸药中的氧，形成较多的一氧化碳，不同的包装材料对爆炸产物中的有害气体种类和数量会产生很大的影响。

(2)炸药使用方面1）优选炸药品种和严格控制一次起爆药量。1.常见的爆破危害类型

例如：工作面积水时，应选用抗水型炸药，否则因炸药受潮而影响爆轰稳定传播而产生大量有毒气体；对于低温冻结井施工，应选用防冻型炸药，否则炸药也会因不完全爆炸或爆轰中断，产生大量有毒气体。另外，爆破产生的有毒气体量与炸药用量成正比，严格控制起爆药量，可以有效的降低爆破有毒气体生成量。2）保证炮孔堵塞长度和堵塞质量。1.常见的爆破危害类型这样能够使炸药发生爆炸时，介质在碎裂之前，装药孔洞内保持高温、高压状态，有利于炸药充分反应，减少有毒气体生成量。而且足够的堵塞长度和良好的堵塞质量，还会减少未反应或反应不充分的炸药颗粒从装药表面抛出反应区，也会降低空气中的有毒气体含量。3）采用水封爆破和爆破时喷洒碱液水雾在高温高压下与一氧化碳发生反应生成二氧化碳和氢气，可以有效地降低炮烟中的一氧化碳浓度。在爆破作业时，喷洒碱液，可以降低炸药爆炸产物中的氮化物的浓度2.相应爆破测试技术2.相应爆破测试仪器2.相应爆破测试技术目前主要的爆破测试技术主要分为一下几类。1.爆破震动测试2.岩体声测技术3.爆破冲击波测试4.高速摄影技术5.爆破噪声测试技术等2.相应爆破测试技术2.1岩石声测技术2.1.1.岩体声测技术简介（1）.基本概念

岩体声测技术：

以人工的方法向介质(岩石和岩体)辐射声波，观测声波在介质中传播的情况和特性，利用介质物质与声波传播速度等参数之间关系来分析或测定岩体的物理性质和力学性质。2.相应爆破测试技术（2）.爆破声测技术在工程上的应用解决工程岩体有关问题，概括起来有：(1)工程岩体分类/分级：利用声波参数结合地质因素(2)评价地下工程围岩稳定性：围岩松弛带范围测定，围岩稳定性的定期观测(3)进行工程地质勘探钻孔及孔间地质剖面分层，确定风化层厚度，为设计开挖及处理提供依据；(4)岩石和岩体的物理力学性质测定和估算：E，μ等(5)岩体缺陷探测：构造断裂，溶洞位置规模，张开裂隙延伸方向和长度的；2.相应爆破测试技术2.1.2.声波仪显示系统有两种：数字显示和波形显示系统组成发射系统—发射机，发射换能器接收系统—接收机，接收换能器用于数据采集处理用的微机组成：2.相应爆破测试技术1-接收机；2-发射机；3-接收换能器；4-发射换能器2.相应爆破测试技术声波探测仪2.相应爆破测试技术声波探测仪2.相应爆破测试技术HSR-8中高频超声波换能器

2.相应爆破测试技术测井换能器2.相应爆破测试技术2.1.3.岩石测试基本原理与方法根据理论分析与实验得知：岩体中声波速度与岩体力学性质(如弹性常数及密度)有关与岩体类型和结构有关与周围环境有关因此：声波测试能综合地反映岩体特性（1）基本原理。2.相应爆破测试技术（2）岩体声波探测方法(1)穿透法(直达波)：声波收、发射换能器放置在介质相对的两个表面上，根据声波穿透介质后波速和能量的变化来判断介质的质量。

透射法实测波形图

2.相应爆破测试技术(2)反射法：利用声波在岩体界面上的反射波换能器向介质发射声波，波动沿发射方向传播到介质的底面后，被反射回来声波再由换能器接收，根据反射波传播的时间和显示的波形来判断介质内部的缺陷和材料性质的方法

2.相应爆破测试技术(3)剖面法：又称沿面法将收、发射换能器布置在同一平面上，测量直达波传播时间以及换能器之间距离来计算波速

2.相应爆破测试技术(4)钻孔探测法：利用钻孔中发射和接收声波，探测岩体波速与岩体特征随孔深变化测量时，钻孔中充满流动性的油类或水作为耦合剂

采用专门的孔中超声检测换能器

单孔测井：收发射换能器同时放入一个钻孔，利用滑行波和折射波，精度较低

双孔孔间穿透法：收发射换能器分别放入两个钻孔，逐点观测孔中混凝土/岩体的波速,求取孔深和波速的连续剖面曲线

用途：探测岩体波速岩体特征随钻孔深度变化2.相应爆破测试技术2.相应爆破测试技术2.2.爆破冲击波测试仪器目前爆破空气冲击波测量常用传感器是：

压电式应变式机械式压力传感器2.相应爆破测试技术2.2.1压电式传感器结构三大部件

压电元件：传感器的心脏，接受外力产生变形

厚度承载(变形)长度承载(变形)

体积承载(变形)厚度受剪(剪切变形)相应的有四种结构的传感器，最常见的是厚度承载的压缩式传感器

弹性元件

结构件(如壳体)2.相应爆破测试技术压电式传感器特点属于发电型传感器传感器,受力后即有电荷输出.与其它类型的传感器比较，

优点是：体积小/重量轻/结构简单/工作可靠/灵敏度高/高频响应好/线性范围宽

缺点是：输出阻抗大，功率小2.相应爆破测试技术（1)普通压缩型压电式压力传感器2.相应爆破测试技术（2)自由场冲击波压力传感器

“自由场”：是指未受外界扰动的流场在空气/水中爆破试验，自由场压力测量是一个重要方面。

对传感器要求：对冲击波波阵面后的流场不产生严重的扰动，不使原有的流场产生畸变对传感器的外形以及它和支撑物的尺寸部有特殊的要求。

传感器特点：压电元件安装在一个细长流线型壳体的顶端，压电晶片面面向两侧以保持一个流线型的整体，在测量时，应将流线型传感器的轴线平行于冲击波的传播方向。2.相应爆破测试技术

1-中心电极2-压电晶片(Φ10×0.5)3-保护片4-引出线5-支撑杆6-环氧树脂保护层7-电缆接头8-镀银屏蔽层自由场压力传感器结构图

常用压电晶体：电气石，压电陶瓷，石英2.相应爆破测试技术2.2.2.应变式压力传感器特点：使用最早，应用最广泛的一类传感器高频响应较差测量高频时失真大(受二次仪表和记录装置限制)目前，我国在爆破空气冲击波测量中常用

BPR-2，BPR-3型应变式高频压力传感器2.相应爆破测试技术2.相应爆破测试技术2.2.3机械式压力传感器特点：广泛应用早期爆破试验测量中不能晌应快速变化的压力(存在机械惯性)结构简单，使用方便可靠，抗震性能好，抗电磁干扰能力强应用：化学爆炸，宗量爆破(几十吨级以上)，核爆井下空气冲击波测量

结构：壳体，承压交换系统，记录系统2.相应爆破测试技术压力自记仪结构示意图1-面板2-传动机构3-壳体4-记录玻璃片5-记录钢针6-波纹膜片7-空腔8-阻尼板9-阻尼孔10-压盖2.相应爆破测试技术2.3.高速摄影高速摄影技术的特点：1.以光子作为信息载体，能够达到最高的响应速率和时间分辨能力2.能够达到较高的空间分辨率