爆破工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)構(gòu)建*

王雁冰，李書萱，汪東宸，楊國梁，李勝林，馬鑫民

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

“爆破工程”是土木工程、城市地下空間工程、采礦工程等專業(yè)的一門選修課，主要講授炸藥爆炸基本理論、爆破器材、巖石爆破機(jī)理與巖石破碎技術(shù)和爆破安全等內(nèi)容[1]。為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力，課程通常安排爆破綜合實(shí)驗(yàn)課。通過實(shí)驗(yàn)可以加深學(xué)生對巖石爆破機(jī)理的理解，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，能夠正確地選用爆破方法和確定爆破參數(shù)，能用理論計(jì)算方法和圖表設(shè)計(jì)常規(guī)爆破方案，并具有分析和解決爆破技術(shù)問題的能力[2,3]。但目前實(shí)驗(yàn)課的開設(shè)存在著諸多問題。

1)開展基于真實(shí)的炸藥、雷管的室內(nèi)爆破實(shí)驗(yàn)較為困難。國家對爆破器材、爆破作業(yè)實(shí)施的管控越來越嚴(yán)格。爆破器材的購買、運(yùn)輸、使用及存放需要層層審批，且高校和科研院所大多位于城市的繁華區(qū)，逢重要節(jié)日及重大活動(dòng)，所有剩余火工品必須全部銷毀。

2)使用炸藥存在安全隱患。許多炸藥對溫度、摩擦、光照等較為敏感，一旦操作不規(guī)范，極易引發(fā)誤爆。實(shí)驗(yàn)室空間狹小，炸藥的爆炸會(huì)產(chǎn)生一定的有毒有害氣體，影響人員健康。爆破振動(dòng)給建筑物和構(gòu)筑物帶來危害[4]。

3)目前，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對于土木類專業(yè)的針對性不強(qiáng)。過去的實(shí)驗(yàn)主要是針對采礦工程專業(yè)設(shè)計(jì)的，主要涉及傳統(tǒng)的爆破采煤和爆破落礦。近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，對精細(xì)化爆破和圍巖損傷精準(zhǔn)控制提出了更高的要求。按原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)，將不利于激發(fā)學(xué)生的興趣，達(dá)不到理想的教學(xué)效果。

4)傳統(tǒng)的巷(隧)道模型爆破實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長[5,6]，且費(fèi)用非常高，不宜用于本科生教學(xué)。相似模型實(shí)驗(yàn)涉及動(dòng)力學(xué)相似，很難做到完全匹配。另外，由于爆炸的隨機(jī)性和瞬態(tài)性[7]，爆破實(shí)驗(yàn)往往難以重復(fù)，這就導(dǎo)致如果要得到普遍的科學(xué)規(guī)律，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

針對上述現(xiàn)實(shí)問題，構(gòu)建了爆破工程綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；自主設(shè)計(jì)、研發(fā)和改進(jìn)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置和軟件系統(tǒng)，使學(xué)生能夠在沒有火工炸藥的前提下完成爆破實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對現(xiàn)場爆破實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了真實(shí)模擬再現(xiàn)；改進(jìn)和提升了平臺(tái)運(yùn)營模式和管理考核方法，使得學(xué)生綜合能力得到提升。

1 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)置和搭建

根據(jù)教學(xué)大綱和培養(yǎng)方案的要求，對爆破工程綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括3個(gè)模塊：非化學(xué)反應(yīng)的爆炸加載、巖石爆破效果的定量評價(jià)和現(xiàn)場工程爆破參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及作業(yè)仿真。

1.1 非化學(xué)反應(yīng)的爆炸加載

實(shí)驗(yàn)室開展爆破破巖相關(guān)研究需要滿足安全要求、時(shí)間可控要求和便于各項(xiàng)測試關(guān)聯(lián)。炸藥爆破和氣體致裂的方法難以在這面進(jìn)行時(shí)間關(guān)聯(lián)，時(shí)間分散性大，而且炸藥不安全，屬嚴(yán)控物質(zhì)。需要發(fā)展實(shí)驗(yàn)室用破巖新技術(shù)和方法，滿足上述研究的需求和要求。

現(xiàn)代巖石爆破理論認(rèn)為[8]，巖石的破碎是爆炸應(yīng)力波和爆生氣體共同作用造成的，爆炸應(yīng)力波首先作用于巖體使其產(chǎn)生裂隙，隨后而來的爆生氣體楔入到這些裂隙中，促使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。基于這種理論，引進(jìn)和研制物理爆破方法，取代傳統(tǒng)的雷管和炸藥等火工品。

為了模擬爆炸的強(qiáng)動(dòng)載作用，搭建了“金屬絲電爆炸破巖裝置”，在脈沖大電流作用下，金屬絲吸收能量，瞬時(shí)(數(shù)微秒至數(shù)十微秒)歷經(jīng)升溫、熔化、氣化和形成等離子體等過程，在巖石受限空間內(nèi)形成高溫高壓氣體，膨脹對周圍介質(zhì)做功，在巖石中產(chǎn)生脈沖應(yīng)力波，致使巖石發(fā)生破壞。圖1是電爆炸裝置構(gòu)成的示意圖。圖2是四路實(shí)驗(yàn)室用電爆破巖裝置，金屬絲直接起爆替代含能材料做功，金屬絲可同時(shí)爆炸也可延時(shí)爆炸。

圖 1 電爆炸裝置構(gòu)成示意圖Fig. 1 Schematic diagram of electroexplosive device composition

圖 2 四路實(shí)驗(yàn)室用電爆破巖裝置Fig. 2 Four-way laboratory electric blasting rock device

與傳統(tǒng)的化學(xué)炸藥相比，平臺(tái)中金屬絲電爆炸破碎巖石時(shí)，等離子化的氣體很少，并且迅速冷卻下來吸附在巖石的表層，因而金屬絲電爆炸爆生氣體的作用可以忽略不計(jì)，只產(chǎn)生應(yīng)力波作用。具有安全可控、無毒無污染、能量可調(diào)、操作簡單、可重復(fù)性高等優(yōu)勢。

1.2 巖石爆破效果的定量評價(jià)

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)巖石爆破試驗(yàn)后，巖石的爆破破碎效果如何定量評價(jià)，不同的爆破參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)對巖石爆破效果的影響如何定量體現(xiàn)，為此設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)小藥量小試件的爆破破碎裝置，構(gòu)建了巖石試件爆破損傷破裂程度的定量評價(jià)方法。

自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一套“室內(nèi)小藥量巖石爆破破碎裝置”[9,10]，如圖3所示。該裝置的材料選用高強(qiáng)度鋼并經(jīng)淬火處理，可以抵抗爆炸沖擊的強(qiáng)破壞力不變形。裝置的外觀為圓柱形，外徑100 mm，高度200 mm，中間為直徑50 mm、高度150 mm的柱狀空間，用于放置巖石試件。為了方便安裝、拆卸試件，將該裝置設(shè)計(jì)成由兩個(gè)半圓柱拼裝而成的對稱結(jié)構(gòu)。腔體外側(cè)設(shè)置對稱的套箍并配有6個(gè)螺栓，用于施加約束壓力。腔體上方有一法蘭圓盤，并用橡膠墊作為二者的間隔，在實(shí)驗(yàn)時(shí)通過螺栓將法蘭圓盤固定在圓柱腔體上。

圖 3 室內(nèi)小藥量巖石爆破破碎裝置實(shí)物圖Fig. 3 Physical diagram of indoor rock crushing device with small dosage

基于CT掃描和Minics三維重構(gòu)[9,10]，提出了試件爆破后損傷破裂程度ω的計(jì)算方法，見式(1)。

(1)

1.3 現(xiàn)場工程爆破參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及作業(yè)仿真

爆破作業(yè)是采礦、土木、交通等工程施工條件最差的工序環(huán)節(jié)，往往獨(dú)頭掘進(jìn)、空間狹窄、粉塵濃度大、各工種干擾多，學(xué)生如果進(jìn)入爆破作業(yè)現(xiàn)場不僅影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，而且可能帶來不必要的安全隱患，而爆破作業(yè)需專人操作，學(xué)生無法獲得實(shí)操機(jī)會(huì)。在教學(xué)中，通常以室內(nèi)模型試驗(yàn)代替現(xiàn)場觀摩實(shí)驗(yàn)，但模型試驗(yàn)耗時(shí)、耗力、耗材，且試驗(yàn)結(jié)果難以重復(fù)。借助爆破掘進(jìn)智能專家系統(tǒng)和虛擬仿真系統(tǒng)[11-13]，學(xué)生可進(jìn)行爆破參數(shù)的選取和爆破方案的設(shè)計(jì)，利用虛擬仿真可以對整個(gè)爆破作業(yè)過程進(jìn)行再現(xiàn)。

智能專家系統(tǒng)的開發(fā)基于Micorsoft Visual Studio平臺(tái)，系統(tǒng)建立了基于典型案例、規(guī)則推理“專家知識(shí)庫”和“數(shù)據(jù)庫”，知識(shí)庫設(shè)計(jì)本著管理科學(xué)，便于知識(shí)更新和完善，及時(shí)提供高效支持的原則，依據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要對爆破技術(shù)進(jìn)行分析，確定了產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行知識(shí)表示。產(chǎn)生式規(guī)則表示法與人的思維接近，可較簡潔地表達(dá)知識(shí)庫中相關(guān)知識(shí)；易于理解推理，便于人機(jī)交換信息。

引進(jìn)和建立巷(隧)道掘進(jìn)爆破虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將繪制好的爆破圖表導(dǎo)入系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將巷(隧)道鉆孔爆破的全過程——鉆孔、清孔、驗(yàn)孔、裝藥、堵塞、起爆、出矸、掛網(wǎng)、支護(hù)、噴漿全過程都展現(xiàn)出來。利用該系統(tǒng)，還可以對爆破粉塵濃度、有毒有害氣體濃度、爆炸壓力，爆破振動(dòng)信號等進(jìn)行監(jiān)測，直接導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

平臺(tái)將智能專家系統(tǒng)與虛擬仿真系統(tǒng)有機(jī)地組合在一起。爆破掘進(jìn)智能專家系統(tǒng)具有較強(qiáng)的智能性，可根據(jù)繪圖規(guī)則和要求，自動(dòng)滿足現(xiàn)場各種炮眼布置的圖形繪制。虛擬仿真系統(tǒng)則以動(dòng)畫的形式再現(xiàn)爆破作業(yè)的全過程。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例及效果評價(jià)

2.1 非化學(xué)反應(yīng)的爆炸加載破巖試驗(yàn)

學(xué)生利用平臺(tái)中的“金屬絲電爆炸裝置”代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)炸藥進(jìn)行爆破破巖試驗(yàn)。首先預(yù)制直徑50 cm、高度50 cm的圓柱形水泥砂漿試件，用以模擬巖石材料。從圓柱形的上表面垂直向下鉆鑿直徑2 cm，深度25 cm的炮孔。之后將金屬絲放入炮孔中，通過調(diào)節(jié)充電電壓可以獲得不同能級的爆炸壓力。試驗(yàn)過程中，利用該平臺(tái)可以對爆炸壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了爆炸壓力的精準(zhǔn)控制。試驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生可根據(jù)試驗(yàn)測量結(jié)果編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更進(jìn)一步的分析和總結(jié)。

學(xué)生可直接在該平臺(tái)上模擬爆炸的強(qiáng)動(dòng)載作用，通過金屬絲電爆炸可以有效的破碎巖石等脆性材料。該平臺(tái)最大限度的保證了學(xué)生及操作人員的安全。與此同時(shí)，參與大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練和畢業(yè)論文的學(xué)生也可利用該平臺(tái)開展相關(guān)試驗(yàn)，例如，通過改變金屬電極的抵抗線的長度，進(jìn)行不同尺度的裝藥爆破模型試驗(yàn)。另外，金屬絲自身細(xì)而長，通過改變金屬絲的直徑規(guī)格可以開展不同耦合系數(shù)條件的爆破試驗(yàn)；通過改變長度可以開展跨尺度的條形藥包裝藥爆破試驗(yàn)。

2.2 不耦合裝藥爆破破裂程度量化

學(xué)生利用平臺(tái)中的“室內(nèi)小藥量巖石爆破破碎裝置”，開展了小藥量巖石試件不耦合裝藥爆破試驗(yàn)[14]。試驗(yàn)選用直徑50 mm，高度100 mm的紅砂巖試件，利用工業(yè)CT對試驗(yàn)前后的試件進(jìn)行掃描，計(jì)算爆破前后試件的分形維數(shù)D0和Dt，利用平臺(tái)自帶Minics軟件對爆后試件進(jìn)行重構(gòu)，如圖4所示，最后計(jì)算了損傷破裂程度ω。

圖 4 原試件及重構(gòu)試件對比Fig. 4 Comparison of original and reconstructed specimens

該平臺(tái)解決了室內(nèi)爆破試驗(yàn)邊界約束和沖孔的問題。學(xué)生可以定量的評價(jià)爆炸壓力對巖石的破壞效應(yīng)。裝置體積小巧、裝拆卸靈活、操作簡單、造價(jià)低廉，同時(shí)具有防噪音、減震的效果。實(shí)驗(yàn)課上，可并行多組同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)學(xué)生都可以親自動(dòng)手操作。學(xué)生通過該平臺(tái)重構(gòu)得到的巖樣，能夠很好地代替真實(shí)的巖樣，且通過重構(gòu)巖樣內(nèi)部裂隙的空間分布情況，分析其力學(xué)破壞機(jī)制是可行的。

2.3 巷道爆破圖表自動(dòng)繪制與掏槽爆破虛擬仿真

根據(jù)山西某礦巖石巷道的實(shí)際地質(zhì)情況，學(xué)生將巷道的形狀、幾何尺寸、巷道頂?shù)装迩闆r、巖性、爆破方式等參數(shù)輸入該平臺(tái)中的智能專家系統(tǒng)中，然后系統(tǒng)自動(dòng)生成一階/二階掏槽等多種爆破方案的圖表(圖5)、爆破參數(shù)表和爆破效率表。將爆破圖表和爆破參數(shù)導(dǎo)入虛擬仿真仿真系統(tǒng)，再現(xiàn)了巷道爆破全過程，如圖6和圖7所示。

圖 5 學(xué)生自主設(shè)計(jì)的爆破圖表(單位：mm)Fig. 5 Blasting chart independently designed by students(unit:mm)

圖 6 鉆掏槽孔Fig. 6 Drilling grooves

平臺(tái)中組合后的新系統(tǒng)充分體現(xiàn)了“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛、相輔相成”的原則，將人工智能、模糊數(shù)學(xué)及專家級爆破經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則結(jié)合，研發(fā)了智能推理機(jī)制，依托虛擬仿真、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，建立了逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生產(chǎn)生濃厚的興趣，從而置身于虛擬環(huán)境中全身心投入開展爆破實(shí)驗(yàn)，身臨其境，感受真實(shí)的現(xiàn)場爆破過程，取得意想不到的教學(xué)效果。另外，學(xué)生設(shè)計(jì)的爆破方案不同，則監(jiān)測的數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生改變，可直接生成數(shù)據(jù)圖表對爆破效果和危害進(jìn)行分析研究。利用該平臺(tái)，學(xué)生可以快速的設(shè)計(jì)爆破方案，并且能快速的檢測爆破效果，節(jié)省了時(shí)間。

圖 7 爆破后形成的爆堆Fig. 7 Blasting piles formed after blasting

3 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行與管理

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的裝置及系統(tǒng)不僅能夠滿足“爆破工程”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的需要，而且可以為本科生開展創(chuàng)新訓(xùn)練等提供必要的輔助支撐。為此，將實(shí)驗(yàn)的8學(xué)時(shí)分為3部分，2學(xué)時(shí)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)；6學(xué)時(shí)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，按照大綱要求，學(xué)生完成巖石試件的爆破試驗(yàn)，觀察爆后巖石的粉碎區(qū)、裂隙區(qū)的范圍，比較不同巖性的巖石或類巖石材料爆破的差異，撰寫試驗(yàn)報(bào)告。創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，以6～8人為一小組。一種是就巖石爆破中的某個(gè)具體問題(如裝藥參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)等)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，開展研究，比較差異，分析原因，小組內(nèi)部充分的交流和討論，并以PPT的形式向全體同學(xué)匯報(bào)，其他同學(xué)進(jìn)行提問，最終形成研究報(bào)告。另一種是利用“組合”系統(tǒng)，設(shè)計(jì)不同的爆破方案，比較不同方案的爆破效果，并進(jìn)行優(yōu)化，比選過程中，給學(xué)生充分的時(shí)間討論、分析。最終針對特定的巖性、特定的地質(zhì)條件，提出最優(yōu)的爆破方案，并形成技術(shù)交底。

實(shí)驗(yàn)課以百分制考核，常規(guī)實(shí)驗(yàn)占40分，2個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)各占30分，見表1，得分60以上即為合格。

表 1 考核內(nèi)容、方法及分值Table 1 Test content,method and scores

4 結(jié)語

爆破工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合平臺(tái)解決了“爆破工程”課程室內(nèi)真實(shí)的爆破實(shí)驗(yàn)和巷(遂)模型實(shí)驗(yàn)難以開展的問題，用電爆炸裝置取代了傳統(tǒng)的火工化學(xué)炸藥，模擬爆炸應(yīng)力波和爆生氣體的爆破作用，并對爆破破巖效果進(jìn)行定量評價(jià)，將專家系統(tǒng)與虛擬仿真系統(tǒng)組合，成功構(gòu)建了高仿真的巷(隧)掘進(jìn)現(xiàn)場環(huán)境。利用該平臺(tái)，學(xué)生既可做室內(nèi)爆破試驗(yàn)又可做現(xiàn)場爆破實(shí)驗(yàn)，取得了理想的教學(xué)效果。

爆破工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合平臺(tái)采用的創(chuàng)新型研究式的教學(xué)模式，不僅有助于學(xué)生理解課程教學(xué)的基本理論，而且能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生學(xué)習(xí)的深度和廣度有所增加。另外，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，教學(xué)模式也呈現(xiàn)多樣化的特點(diǎn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，同時(shí)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、工程實(shí)踐能力、語言表達(dá)能力、創(chuàng)新思維能力都得到了相應(yīng)的提高。該平臺(tái)也可為不同專業(yè)的學(xué)生提供共享使用服務(wù)，拓寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享和應(yīng)用范圍。