露采中深孔爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)研究

王 亮，聞 磊，高海松

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012； 2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410012； 3.石家莊鐵道大學(xué)， 河北 石家莊 050043；4.長(zhǎng)沙市公安局治安管理支隊(duì)， 湖南 長(zhǎng)沙 410001)

露采中深孔爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)研究

王 亮1，2，聞 磊3，高海松4

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012； 2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410012； 3.石家莊鐵道大學(xué)， 河北 石家莊 050043；4.長(zhǎng)沙市公安局治安管理支隊(duì)， 湖南 長(zhǎng)沙 410001)

露天采礦中深孔爆破震動(dòng)是嚴(yán)重影響礦山周邊建筑設(shè)施和居民正常生活的重要有害因素。根據(jù)某銅礦露天采場(chǎng)中深孔爆破實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了爆破振動(dòng)速度與最大段藥量、爆心距之間的關(guān)系，結(jié)合爆破震動(dòng)頻率，提出了爆破參數(shù)優(yōu)化方案。將炮孔內(nèi)起爆順序改為孔上部藥包先起爆，各段間的起爆標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔提高到110～140 ms，從而改善下部藥包起爆時(shí)的自由面狀態(tài)，避免相鄰段間地震波在主震上相疊加，實(shí)踐證明顯著減小了礦山中深孔爆破的影響范圍，為解決礦山與周邊村民的矛盾提供了新的思路。

中深孔爆破；露天采礦；爆破震動(dòng)；控制技術(shù)

露采礦山中深孔爆破震動(dòng)控制的主要目的在于選擇合適的爆破方案，不僅使爆破的效果較好，并且引起的地震強(qiáng)度不危及附近建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定。近年來隨著資源需求量的增加，越來越多的新建礦山出現(xiàn)在了村莊、城市周邊，礦山與居民的矛盾也成為礦山生存和擴(kuò)大再生產(chǎn)的瓶頸，礦山爆破震動(dòng)是影響礦山周邊居民生活的重要因素，爆破測(cè)振也隨之成為解決礦山與居民爭(zhēng)端的最主要手段。爆破測(cè)振就是通過振動(dòng)測(cè)量，分析一定爆破條件及地層情況下的振動(dòng)傳播特征與衰減特性，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法分析振動(dòng)波形，得出衰減方程。根據(jù)爆破測(cè)振結(jié)果，采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，達(dá)到有效保護(hù)建筑物的目的。長(zhǎng)期以來，國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析和實(shí)地測(cè)量，采用解析法、有限元法等多種方法，對(duì)爆破振動(dòng)的衰減規(guī)律及爆破對(duì)地表建構(gòu)筑物的振動(dòng)破壞機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，并取得了一系列成果[1-14]。目前，對(duì)爆破影響判據(jù)研究較多，但對(duì)爆破影響的控制研究較少，對(duì)改進(jìn)方案的實(shí)際驗(yàn)證不充分。

為研究爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)及其控制技術(shù)，本次測(cè)試以某銅礦露天采場(chǎng)中深孔爆破為例，進(jìn)行了爆破震動(dòng)影響實(shí)測(cè)，得出了爆破最大震速、安全距離與最大段藥量的關(guān)系，并在考慮震動(dòng)頻率的影響條件下，提出了針對(duì)露采中深孔爆破減小振動(dòng)危害的技術(shù)方案，并對(duì)改進(jìn)的方案進(jìn)行了進(jìn)一步實(shí)際測(cè)量，驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性和可操作性，為解決礦山與周邊村民的矛盾提供了新的思路。

1 礦山原爆破方案監(jiān)測(cè)分析

1.1 礦山原爆破方案簡(jiǎn)介

該礦露天采場(chǎng)中深孔爆破工程最初采用每次爆破8個(gè)炮孔，每?jī)煽组g用兩發(fā)5段毫秒導(dǎo)爆管雷管接力串聯(lián)。每個(gè)炮孔內(nèi)，上部藥包用兩發(fā)9段毫秒導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)下部藥包用兩發(fā)8段毫秒導(dǎo)爆管雷管，炮孔孔距為5 m，孔深為14 m。這種起爆網(wǎng)絡(luò)時(shí)間參數(shù)如下：孔內(nèi)下部藥包與先爆鄰孔的孔內(nèi)上部藥包起爆延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔為50 ms，本孔的下部藥包與上部藥包起爆延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔為60 ms，孔內(nèi)上部藥包與后爆鄰孔的孔內(nèi)下部藥包起爆延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔為50 ms。

1.2 原爆破方案實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析

從爆區(qū)到村莊近似等段布置了12個(gè)測(cè)點(diǎn)，針對(duì)原爆破網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了兩次實(shí)測(cè)。第一次爆破裝藥量為1625 kg，最大段藥量為150 kg，第二次爆破裝藥量為2100 kg，最大段藥量為150 kg?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器記錄的部分有代表性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

由于個(gè)別數(shù)據(jù)存在偶然誤差，為了盡可能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，剔除了一些偏差較大的數(shù)據(jù)。通過matlab曲線擬合工具箱，將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得到薩氏回歸曲線，見圖1。

圖1中，一次回歸直線截距b=2.15，斜率k=1.40。經(jīng)分析可得到，場(chǎng)地條件系數(shù)K=142.56，爆破地震波衰減指數(shù)α=1.40。爆破振動(dòng)垂直速度的薩氏公式可表示為：

(1)

根據(jù)“爆破安全規(guī)程”，結(jié)合臨近民房結(jié)構(gòu)特征，取最大安全允許振速為0.5 cm/s[15]。由式(1)可知，當(dāng)最大安全允許振速一定時(shí)，爆破影響范圍與最大段藥量關(guān)系緊密。本礦山最大段藥量一般為150 kg，由式(1)可計(jì)算得出影響距離為228.2 m。

表1 爆破代表性測(cè)試數(shù)據(jù)

圖1 原爆破方案薩氏回歸曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

2 礦山爆破震動(dòng)控制措施

2.1 礦山爆破方案優(yōu)化

為了對(duì)露采礦山爆破震動(dòng)進(jìn)行有效控制，減小礦山爆破的影響范圍，采取優(yōu)化爆破方案的方法最為直接和有效。爆破地震波應(yīng)避免相鄰段主震互相干擾疊加，如果每個(gè)炮孔孔內(nèi)是下部藥包先起爆，就會(huì)比孔內(nèi)上部藥包先起爆時(shí)炮孔的夾制性更大，爆破地震波的危害作用也更大。在靠近村民民房區(qū)域爆破時(shí)可考慮改用孔內(nèi)上部藥包先起爆的起爆網(wǎng)路，避免出現(xiàn)相鄰段地震波相互疊加。

基于上述原則制定的改進(jìn)爆破方案為：將原來的炮孔內(nèi)起爆順序改為孔上部藥包先起爆，孔下部藥包后起爆，這樣可改善下部藥包起爆時(shí)的自由面狀態(tài)，降低起爆夾制性。各段間的起爆標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔從50～60 ms提高到110～140 ms，這樣即使毫秒雷管存在延期時(shí)間的誤差，也可避免相鄰段的地震波在主震上相疊加，有利于降震爆破。

2.2 改進(jìn)爆破方案實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

第三次至第五次爆破測(cè)試是基于改進(jìn)方案進(jìn)行的。第三次爆破裝藥量為2200 kg，最大段藥量為160 kg；第四次爆破裝藥量為1500 kg，最大段藥量為105 kg；第五次爆破裝藥量為1850 kg，最大段藥量150 kg。

采用matlab軟件對(duì)改進(jìn)后爆破網(wǎng)絡(luò)震動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得到薩氏回歸曲線，見圖2。

圖2 改進(jìn)爆破方案薩氏回歸曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

回歸直線的截距b=2.21，斜率k=1.54?？傻?，場(chǎng)地條件系數(shù)K=163.52，爆破地震波衰減指數(shù)α=1.54。爆破振動(dòng)垂直速度的薩氏公式可表示為：

(2)

該礦山周邊民房以兩層磚混或土坯結(jié)構(gòu)為主，根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)公式(3)，可計(jì)算得到該區(qū)域民房基本震動(dòng)周期約為0.121 s，頻率約為8.2 Hz。

T=0.0168(h+1.2)

(3)

式中，T為基本周期，s；h為房屋計(jì)算高度，m。

綜合考慮震動(dòng)頻率的影響，根據(jù)振動(dòng)頻率估算公式(4)，取kf=0.02，cs=3.1×105 cm/s，當(dāng)f=8.2時(shí)，式(4)可簡(jiǎn)化為式(5)形式，在此曲線上的民房會(huì)與地表震動(dòng)頻率相等，即產(chǎn)生共振。

(4)

式中，kf為頻率系數(shù)，kf=0.0l～0.03；cs為巖石的橫波速度，cm/s；

(5)

按最大安全允許振速0.5 cm/s考慮，將式(1)、式(2)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得到原爆破方案與優(yōu)化后方案的Q～R關(guān)系曲線。兩種爆破方案的Q～R關(guān)系曲線及房屋共振影響曲線見圖3。

圖3 原爆破方案與優(yōu)化后方案的影響范圍對(duì)比

由圖3可知，當(dāng)最大段藥量相同時(shí)，改進(jìn)的爆破方案，爆破地震影響距離明顯減少，且隨著最大段藥量的增加，二者差距逐步增大。當(dāng)最大段藥量較大時(shí)，改進(jìn)后的爆破方案優(yōu)勢(shì)更明顯。在爆破震動(dòng)影響范圍內(nèi)，當(dāng)爆破距離與爆破最大段藥量符合民房共振影響曲線時(shí)，民房會(huì)產(chǎn)生共振，破壞將較嚴(yán)重。

本例中，最大段藥量一般為150 kg，原爆破方案的影響范圍為301.3 m，改進(jìn)爆破方案的影響范圍為228.2 m，距離爆破中心11.7 m的房屋會(huì)發(fā)生共振，破壞將會(huì)較嚴(yán)重。在最大段藥量相同時(shí)，采用改進(jìn)的爆破方案，可有效減小露采礦山中深孔爆破震動(dòng)的影響。該礦山民房主要分布在距礦山200～350 m處，原爆破方案會(huì)對(duì)大部分民房產(chǎn)生影響，改進(jìn)后的爆破方案可有效減少礦山爆破的影響范圍，爆破方案改進(jìn)后，僅有極少數(shù)民房處于礦山爆破影響范圍之內(nèi)。

3 結(jié) 論

該礦山炮孔內(nèi)起爆順序改為孔上部藥包先起爆，孔下部藥包后起爆，各段間的起爆標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔從50～60 ms提高到110～140 ms，可有效減小礦山中深孔爆破的影響范圍。該礦山最大段藥量一般為150 kg，原爆破方案的影響范圍為301.3 m，改進(jìn)爆破方案的影響范圍為228.2 m，距離爆破中心11.7 m的房屋會(huì)發(fā)生共振，將發(fā)生較嚴(yán)重破壞。

礦山爆破工程中，應(yīng)積極引入新的爆破技術(shù)和工藝，改變傳統(tǒng)爆破手段，應(yīng)通過實(shí)際監(jiān)測(cè)，充分驗(yàn)證新方案的可操作性和有效性，從而有效地控制爆破振動(dòng)效應(yīng)。礦山爆破工程產(chǎn)生的爆破振動(dòng)可能對(duì)周邊村民造成影響，導(dǎo)致民事糾紛。應(yīng)深入研究爆破參數(shù)、介質(zhì)特性等與爆破振動(dòng)強(qiáng)度、頻率、能量之間的關(guān)系，以完善爆破判據(jù)。應(yīng)充分考慮震動(dòng)頻率的影響，研究爆破地震的能量分布特征[17]，以確定爆破地震與建筑物固有頻率相對(duì)應(yīng)能量的大小，從而優(yōu)化爆破參數(shù)，指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)。

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2016-11-08)

王 亮(1986-)，男，山東煙臺(tái)人，碩士，采礦工程師、一級(jí)礦業(yè)建造師，主要從事帷幕注漿防治水技術(shù)、礦山開采建設(shè)安全技術(shù)、工程爆破技術(shù)與應(yīng)用研究,Email：164355236@qq.com。