淺談降低露采深孔爆破震動的危害

□ 歐志永

淺談降低露采深孔爆破震動的危害

□ 歐志永

通過對某露天采礦場進(jìn)行降低深孔爆破震動危害的研究,論述了在露天礦山深孔爆破作業(yè)中進(jìn)行爆破振動監(jiān)測與分析的必要性,并從爆炸源、地震波傳播途徑及傳播過程的控制等方面對降低震動危害的方法進(jìn)行了探討,對在露天中深孔爆破作業(yè)提供借鑒與參考。

露天開采；深孔爆破；爆破振動監(jiān)測；降震方法

中深孔爆破是開采礦產(chǎn)資源的常用工藝,廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域、鐵路平基、公路路塹、水利水電工程和礦山開采中。根據(jù)爆破對象和目的不同,目前我國露天礦山大部分采用深孔爆破方法,其中深孔爆破產(chǎn)生的爆破地震危害周邊建筑物的事件時有發(fā)生,已逐步引起了人們的重視。目前,我國大部分礦山已開展了爆破振動監(jiān)測與研究。

一、露天礦山深孔爆破振動監(jiān)測與分析的必要性

1. 爆破震動對邊坡的影響

露天礦山一般都有幾十至幾百米的最終邊坡,影響邊坡穩(wěn)定的因素較多,依次是邊坡的巖體構(gòu)造、地下水降雨影響及爆破地震效應(yīng)等,爆破對邊坡的影響包括對爆區(qū)附近保留圍巖的直接破壞和爆破地震效應(yīng)直接觸發(fā)滑體滑落兩方面。許多滑坡的直接原因是爆破規(guī)模超過限額,產(chǎn)生震動導(dǎo)致爆破滑落事故。由于不穩(wěn)定邊坡巖體存在各種裂隙和構(gòu)造弱面,爆破動力作用又是反復(fù)作用于巖體的,故不穩(wěn)定邊坡的穩(wěn)定性常因裂隙進(jìn)一步發(fā)展而降低。因此,爆破震動與其他因素同時作用于不穩(wěn)定邊坡時,危害性增大。

2012年9月15日,在牛角山石礦實(shí)行爆破時,出現(xiàn)后沖3.7～4m,裂隙寬10～20mm,側(cè)沖6m。如果是在最終邊坡出現(xiàn)這樣的后沖裂隙,其將對被保留圍巖產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。

2. 爆破震動對礦區(qū)周圍建筑物的影響

露天礦山作為原料供應(yīng)基地,原料加工房多離礦山不遠(yuǎn),礦山周邊分布有生產(chǎn)區(qū)、廠房等建筑物,此外,礦區(qū)周圍多分布有村莊。目前,我國普遍重視爆破對露天邊坡及近爆源區(qū)域的影響,而對深孔爆破爆源遠(yuǎn)區(qū)建筑物振動強(qiáng)度的研究較少。主要原因包括以下3方面：一是群藥包延時爆破后,傳播途徑復(fù)雜；二是建筑物結(jié)構(gòu)多樣；三是認(rèn)為遠(yuǎn)區(qū)地震強(qiáng)度較弱,無普遍研究價值。但對距爆源遠(yuǎn)區(qū)的建筑物及人員產(chǎn)生明顯振感的現(xiàn)象,如房屋搖晃明顯、房屋長時顫動、玻璃窗戶發(fā)響,應(yīng)稱之為爆破地震延期(滯后)有害效應(yīng),或地震波隱形效應(yīng)。一個負(fù)責(zé)任的礦山企業(yè),應(yīng)重視礦區(qū)周邊群眾的意見。礦山企業(yè)應(yīng)盡量控制爆破產(chǎn)生的有害效應(yīng),降低爆破震動產(chǎn)生的危害。如廣西牛角山石灰石礦采場離最近建筑物雖有300m以上,但爆破時遠(yuǎn)離爆區(qū)1 000余米的廠房、辦公室震感仍相當(dāng)明顯。因此,為避免爆破地震危害引起與礦區(qū)周圍群眾的糾紛,保證建筑物的安全,消除群眾恐懼感,有必要開展對深孔爆破振動的監(jiān)測與分析,不斷降低爆破震動有害效應(yīng)。

3. 可為礦山爆破設(shè)計提供依據(jù)

為研究深孔爆破地震效應(yīng),應(yīng)根據(jù)礦區(qū)地形和環(huán)境條件,研究地震波傳播規(guī)律的坡面效應(yīng)、裂隙效應(yīng)、建筑物動態(tài)效應(yīng),并進(jìn)行振動強(qiáng)度影響因素試驗(yàn),降震措施試驗(yàn)等,其目的是通過對深孔爆破地震效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測與分析,得出既能有效降低爆破振動強(qiáng)度,又能相應(yīng)提高爆破質(zhì)量的爆破設(shè)計方法,如合理選取微差時間、控制炸藥藥量、選擇逐孔起爆及分區(qū)起爆方法等降震措施,這樣針對每一具體礦區(qū)通過上述工作可為礦區(qū)實(shí)施有關(guān)爆破規(guī)程及制定爆破制度提供理論依據(jù)。如在牛角山石灰石礦通過試驗(yàn)研究規(guī)范了各采場不同地段的爆破方案和規(guī)模,并針對距爆區(qū)最近600m以上的建筑物實(shí)測振動強(qiáng)度值達(dá)到0.1cm/s以上時,即造成玻璃有響聲、人員有明顯震感的現(xiàn)象,以實(shí)測數(shù)據(jù)及爆破震動宏觀觀察結(jié)果為依據(jù)提出內(nèi)控指標(biāo),嚴(yán)格控制總藥量和段藥量,并改變了下一臺階的掘溝方向和開采順序,以降低爆破地震波對建筑物的影響。

二、降震方法

1. 爆炸源的控制

降震最有效的方法就是降低炸藥釋放能量的大小,這可通過選擇炸藥品種、控制炸藥總藥量及最大一段裝藥量,以及優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

從牛角山石灰石礦降震試驗(yàn)觀測結(jié)果來看,采用高威力錢梯炸藥比采用低威力錢油炸藥的爆破振動強(qiáng)度大；集中裝藥爆破地震效應(yīng)大于不藕合裝藥。這是因?yàn)榭諝饨橘|(zhì)緩沖了爆轟波的峰值壓力,延長了爆轟壓力對孔壁的作用時間,使緩沖后的炮孔壓力只是炮孔周圍裂隙得以發(fā)展的最小壓力,降震明顯,故在該礦最終邊坡采用光面爆破不藕合裝藥,取得良好效果；地震波強(qiáng)度距爆源近區(qū)與單孔裝藥量有關(guān),中遠(yuǎn)區(qū)主要與段藥量有關(guān),故爆源中遠(yuǎn)區(qū)每次起爆最大一段藥量為：Qmax=R3(V/K)3/a。合理選取單位炸藥消耗量,過高會產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動,過低則會造成巖石破碎不良,大部分能量消耗在振動上。因此,應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定合理的炸藥單耗,從上述幾點(diǎn)可知合理選擇炸藥品種、控制最大段藥量及總藥量、合理選擇炸藥單耗,以及采用不藕合裝藥等對爆炸源的控制措施可達(dá)到降低爆破振動強(qiáng)度的目的。

2. 地震波傳播途徑的控制

牛角山石灰石礦爆破震動傳播規(guī)律研究結(jié)果如下：一是深孔臺階爆破拋擲方向的背向振動強(qiáng)度最大,爆破側(cè)面次之,拋擲方向最??；二是露天爆破存在地露波的坡面效應(yīng),即下向坡面隨高程的減小而振動強(qiáng)度減小,上向坡面隨高程增大振動強(qiáng)度呈現(xiàn)高程放大作用,當(dāng)坡度緩15°時不存在振速明顯的放大或減弱作用；三是地震波裂隙效應(yīng),即斷裂結(jié)構(gòu)存在隔震效應(yīng),預(yù)裂縫存在減震效應(yīng)；四是地震波在緩傾斜巖層中傳播的波道效應(yīng),即當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑シ较蚺c巖層走向一致時,地震波順層狀巖石傳播能量損耗少,衰減慢,傳播距離遠(yuǎn),振速較大；五是爆破地震波傳播時巖體中初始應(yīng)力場的波導(dǎo)效應(yīng)；六是對地震波傳播途徑應(yīng)采取控制措施。采取的控制措施如下：根據(jù)需保護(hù)建筑物的方向在可能條件下改變掘溝方法和開采順序；山坡露天礦山隨著開采水平的降低,采場境界逐漸靠近建筑物,當(dāng)轉(zhuǎn)為凹陷開采時應(yīng)考慮地震波高程放大的坡面效應(yīng)；利用地震波的裂隙效應(yīng),采用預(yù)裂爆破,可達(dá)到降低爆破地震強(qiáng)度30%～70%的效果,這在最終邊坡中應(yīng)用效果良好；地震波在緩傾斜巖層中傳播的波道效應(yīng)及初始應(yīng)力場的波導(dǎo)效應(yīng)的存在也應(yīng)引起礦山爆破工作者的重視。

3. 地震波傳播過程的控制

降低露天深孔爆破振動強(qiáng)度地震波傳播過程的控制實(shí)質(zhì)是以分區(qū)爆破為原則,以合理起爆順序和起爆方案為依據(jù),最大限度地分散齊發(fā)起爆藥包的空間分布,保證爆破后巖石能得到充分松動,消除控制爆破的條件。

(1)分區(qū)起爆

牛角山石灰石礦深孔爆破降震試驗(yàn)采用了異步分區(qū)排間起爆、同步分區(qū)V形對稱起爆、同步分區(qū)對角式起爆3種形式。異步分區(qū)排間起爆不改變原有炮孔布置形式,易于操作,且一次爆破量較大,這種爆破比常規(guī)排間爆破地震強(qiáng)度降低35%～47%；同步步區(qū)V形對稱起爆,開辟了多個自由面,能充分利用爆炸能,削弱爆破后沖,在一個自由面(不包括頂部)的情況下,同步分區(qū)V形起爆比常規(guī)排間爆破地震強(qiáng)度降低17%～24%；同步分區(qū)對角式順序起爆抵抗線較小,一次起爆藥量小,降震效果較前兩者好,理論計算比排間爆破地震強(qiáng)度降低45%～60%,實(shí)際震動強(qiáng)度為V形起爆的80%。當(dāng)最大段藥量大于單孔裝藥量的4～6倍時,宜采用同步分區(qū)對角式順序起爆。

(2)逐孔起爆

近年來,在國外各大礦山的中深孔爆破中,已普遍采用通過地表不同延期雷管的搭配實(shí)現(xiàn)“逐孔起爆”的技術(shù)。其特點(diǎn)是各個炮孔都能按照爆破設(shè)計的延期時間順序起爆,為每個炮孔都準(zhǔn)備了最充足的自由面,爆炸應(yīng)力波反射充分,最大程度地改進(jìn)了巖石的破碎效果。由于“逐孔起爆”把每個炮孔的起爆時間都按照特定的時間間隔平均分開,因此同時起爆的孔數(shù)明顯減少,同一時間點(diǎn)爆炸的炸藥量降低,從而保證了爆破震動速度的大幅度下降。

逐孔爆破方法要求有高精度的導(dǎo)爆管雷管,雷管延期時間十分精確,延時絕對誤差低于1%,雷管段別選擇范圍大,導(dǎo)爆管傳遞速度穩(wěn)定。逐孔起爆技術(shù)將是今后中深孔爆破的發(fā)展方向,也是降震方法的發(fā)展方向。

(3)合理選取微差間隔時間

合理微差間隔時間是指在一定的地質(zhì)條件、孔網(wǎng)參數(shù)、炸藥類型等條件下,選用最優(yōu)遲發(fā)時間,使地震效應(yīng)最低、爆破質(zhì)量好。牛角山石灰石礦合理間隔時間確定的依據(jù)為以先爆孔形成新自由面,后爆的炮孔改善破碎質(zhì)量,并使震動按規(guī)則干擾或偶然干擾而顯著降低。并且采用了3種方式試驗(yàn)研究合理的間隔時間：一是單孔多段試驗(yàn)；二是半經(jīng)驗(yàn)公式確定間隔時間； 三是根據(jù)振動周期選擇間隔時間。綜合3種試驗(yàn)方法結(jié)果,迭加干擾降震的合理微差間隔時間為30～45ms；主相位錯開不干擾降震間隔時間為50～75ms。

(4)合理選取爆破參數(shù)

除上文所列的炸藥單耗及最大段藥量等參數(shù)以外,還需合理選取超深、孔網(wǎng)參數(shù)及爆破自由面等參數(shù),防止采用過大的孔深,爆破排數(shù)不宜過多,爆破孔網(wǎng)參數(shù)合理及增加爆破自由面?zhèn)€數(shù)等可消除夾制爆破的條件,從而達(dá)到降震的目的。

三、結(jié)束語

露天礦山深孔爆破產(chǎn)生的爆破地震效應(yīng)是爆破有害效應(yīng)的一種重要形式,礦山企業(yè)應(yīng)重視爆破地震效應(yīng)帶來的安全隱患,根據(jù)各礦自身的地形地質(zhì)及環(huán)境條件,開展深孔爆破地震效應(yīng)的觀測與分析試驗(yàn)研究,通過爆炸源控制、山地震波傳播途徑的控制及采取分區(qū)爆破、逐孔起爆、合理選取微差間隔時間及其他爆破參數(shù)等地震波傳播過程的控制措施,不斷減少爆破地震振動強(qiáng)度,降低爆破地震破壞,改善爆破效果。○

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（作者單位：廣西壯族自治區(qū)冶金建設(shè)公司，廣西柳州545002）

F406.76

A

1002-1779 (2015) 02-0040-03