露天礦山爆破振動(dòng)影響因素及控制措施的研究

莫 豹

（保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展以及人民生活水平的日益提高，我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求也在日益增加。爆破作業(yè)是露天礦山開(kāi)采的重要組成部分，然而爆破振動(dòng)不僅會(huì)對(duì)周邊構(gòu)建筑物、設(shè)施設(shè)備產(chǎn)生破壞，還會(huì)導(dǎo)致礦坑的邊坡失穩(wěn)、滑坡等災(zāi)害發(fā)生[1]。只有嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)帶來(lái)的負(fù)面影響，才能減少露天礦山爆破施工中安全事故的發(fā)生，切實(shí)保障人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

1 爆破地震波的產(chǎn)生

露天礦山爆破振動(dòng)效應(yīng)主要是指炸藥爆炸所產(chǎn)生的能量絕大部分用于藥包周邊巖石的壓碎和破壞，所剩的爆炸能量不會(huì)再對(duì)巖石產(chǎn)生更大的破壞，但是它會(huì)使得巖石質(zhì)點(diǎn)發(fā)生彈性振動(dòng)，這種彈性振動(dòng)會(huì)以地震波的形式不斷向外擴(kuò)散，從而對(duì)周邊環(huán)境造成不同程度的影響或破壞。地震波由若干種波組成，根據(jù)波傳播的途徑不同，波可以分為體積波和表面波兩類。體積波會(huì)使介質(zhì)產(chǎn)生拉伸和壓縮變形，因此藥包周圍巖石產(chǎn)生爆破破壞主要是體波造成的；而表面波的主要特點(diǎn)為振幅較大、頻率較低、衰減較慢、振動(dòng)的時(shí)間較為持久、攜帶的能量較大，表面波是爆破地震形成的主要影響因素。

2 爆破地震影響因素分析

露天礦山爆破振動(dòng)可控影響因素主要是指爆破中炮孔直徑、炸藥單耗、孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式以及間隔時(shí)間等，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，針對(duì)這些因素進(jìn)行合理控制，從而有效降低露天礦山爆破振動(dòng)所帶來(lái)的影響[2]。露天礦山爆破振動(dòng)不可控影響因素主要是指爆破過(guò)程中的一些無(wú)法預(yù)測(cè)的意外狀況，主要包括爆破現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)環(huán)境以及地形變化。施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境的巖石空隙、紋理構(gòu)造以及風(fēng)化程度都會(huì)對(duì)爆破后的巖石破碎產(chǎn)生不同程度的影響，同時(shí)爆破現(xiàn)場(chǎng)地形的高低起伏也會(huì)對(duì)露天礦山爆破施工中的振動(dòng)波主頻、幅值以及頻率范圍等造成較大的變化。

2.1 炸藥類型的影響

炸藥屬性與介質(zhì)中沖擊波的衰減之間存在著十分緊密的聯(lián)系，當(dāng)炸藥所產(chǎn)生的沖擊波壓力大于巖石抗壓強(qiáng)度的10倍以上時(shí)，其爆破地震波在傳播過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量的損耗，從而使得沖擊波的衰減更加迅速。試驗(yàn)表明：當(dāng)炸藥波阻抗值與巖體的波阻抗值接近時(shí)，炸藥的爆炸能量有效利用率越大，即可引起更大的爆破振動(dòng)。故當(dāng)爆破工程對(duì)爆破振動(dòng)有要求時(shí)，應(yīng)選擇與巖體的波阻抗相差大的炸藥[3]。

2.2 炮孔直徑的影響

爆破時(shí)炮孔的孔徑對(duì)爆破振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定的影響，即使它們具有相同的爆破藥量，其爆破振動(dòng)也會(huì)隨著場(chǎng)地系數(shù)和衰減指數(shù)的不同而發(fā)生變化。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，炮孔直徑和測(cè)點(diǎn)的爆心距是決定爆破振動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。與大孔徑爆破相比，采用小孔徑爆破時(shí)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)的衰減速度更快，且炮孔直徑越大時(shí)，爆破振動(dòng)的強(qiáng)度也會(huì)更大，這種振動(dòng)強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率與比例藥量也有著很大的關(guān)系，它會(huì)隨著比例藥量的減少而呈現(xiàn)出爆破強(qiáng)度增大的趨勢(shì)[4]。

2.3 爆破段數(shù)的影響

爆破段數(shù)對(duì)爆破地震波的延時(shí)長(zhǎng)度和微差時(shí)間有著很大的影響，工作人員如果可以選擇合理的微差間隔時(shí)間，那么不同時(shí)間起爆所產(chǎn)生的地震波就會(huì)在空間上和時(shí)間上存在先后順序，也就是地震波的主振會(huì)相互錯(cuò)開(kāi)，這是控制地震效應(yīng)幅值的重要方式，實(shí)踐表明微差爆破比普通爆破可降低振速30%～50%。除此之外，爆破振動(dòng)還與爆破場(chǎng)地的地質(zhì)環(huán)境具息息相關(guān)，其地質(zhì)狀態(tài)越堅(jiān)硬，爆破振動(dòng)的幅值就會(huì)更低。主頻就會(huì)更高，而振動(dòng)持續(xù)時(shí)間也更為短暫。

2.4 最小抵抗線的影響

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)最小抵抗線越小時(shí)，炸藥爆炸能的釋放時(shí)間就會(huì)越短，爆破地震波所產(chǎn)生的能量也會(huì)更少，爆破地震波的強(qiáng)度也會(huì)更弱。根據(jù)應(yīng)力波的傳播理論，當(dāng)最小抵抗線較小時(shí)，炸藥爆炸所產(chǎn)生的能量首先會(huì)在抵抗線小的一側(cè)形成破碎帶，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為空氣沖擊波，這也是爆破地震波強(qiáng)度減弱的重要原因之一。

2.5 起爆方式的影響

起爆方式對(duì)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的影響較大，當(dāng)其他爆破條件相同時(shí)，不同起爆方式所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)強(qiáng)度之間會(huì)存在很大的差異。其根本原因在于不同的起爆方向可以充分利用自由面的減振作用，從而使得抵抗線減小且炮孔臨近系數(shù)增大，巖石在破碎和拋擲的過(guò)程中會(huì)損耗大量向自由面?zhèn)鞑サ哪芰?，從而使得爆破振?dòng)強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的下降。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，齊發(fā)爆破的振動(dòng)頻率相對(duì)較小，而微差爆破的振動(dòng)頻率則相對(duì)較高。當(dāng)起爆網(wǎng)絡(luò)被改變時(shí)，爆破振動(dòng)的頻率特性也會(huì)隨之發(fā)生變化。在相同地質(zhì)條件下，V型起爆與地表延期分區(qū)起爆二者相比，地表延期分區(qū)起爆的主頻明顯升高，且出現(xiàn)多個(gè)峰值，這在很大程度上表面地表延期分區(qū)起爆的振動(dòng)能量更為分散[5]。

2.6 阻尼的影響

露天礦山爆破過(guò)程中的介質(zhì)系統(tǒng)主要包括巖體性質(zhì)的改變，內(nèi)含裂隙、節(jié)理的狀況等，該介質(zhì)系統(tǒng)與爆破地震波傳播過(guò)程中的衰減規(guī)律存在著較大的聯(lián)系。在自由振動(dòng)過(guò)程中，如果振動(dòng)的振幅可以保持不變，那么振動(dòng)就會(huì)無(wú)休止的繼續(xù)下去。但在露天礦山的實(shí)際爆破過(guò)程中，這種現(xiàn)象是不會(huì)發(fā)生的，其根本原因在于爆破地震波在傳播過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)阻力，這種阻力被稱之為阻尼，阻尼會(huì)使得爆破地震波的振幅在傳播過(guò)程中逐漸減小直至為0。在露天礦山開(kāi)采過(guò)程，爆破振動(dòng)在介質(zhì)內(nèi)部中進(jìn)行傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的內(nèi)部摩擦，這種內(nèi)部摩擦?xí)恼駝?dòng)所需的能量；加之振動(dòng)會(huì)在傳播過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)能量損耗，因而爆破震動(dòng)中振幅會(huì)越來(lái)越小。

3 爆破振動(dòng)控制措施分析

爆破振動(dòng)危害控制的方法大致可以分為三種：首先針對(duì)爆源所采取控制措施從根源上施減小振動(dòng)；其次對(duì)保護(hù)對(duì)象自身采取減振措施和加固措施；最后切斷爆破地震波的傳播路徑。通過(guò)利用合理的微差時(shí)間進(jìn)行干擾降振、嚴(yán)格控制最大藥量（延期爆破時(shí)為同時(shí)起爆的最大藥量）、改變爆破參數(shù)等有效措施來(lái)減小爆破振動(dòng)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)降低爆破振動(dòng)的目的是較為常見(jiàn)且比較有效的控制手段。

3.1 采用微差爆破

微差爆破又被稱為毫秒爆破，它主要根據(jù)起爆時(shí)間的不同，將待起爆的炸藥分成幾個(gè)部分。這種起爆方式往往以毫秒級(jí)的時(shí)間作為差別，使待起爆炸藥按照先后順序依次爆炸，它可以有效增加自由面的個(gè)數(shù)，從而加大爆破振動(dòng)傳播過(guò)程中的能量損耗，并且其應(yīng)力波的疊加也會(huì)切實(shí)減小爆破振動(dòng)。當(dāng)其余爆破參數(shù)選擇合理時(shí)，其爆破效果也會(huì)得到進(jìn)一步的改善。

3.2 控制單段爆破的最大裝藥量

由于爆破振動(dòng)強(qiáng)度的影響因素比較多，想找到非常具體的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式來(lái)得出爆破震動(dòng)強(qiáng)度難度非常大，目前國(guó)內(nèi)使用最廣的爆破振動(dòng)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式為薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：V—峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；

Q—裝藥量（延期爆破時(shí)為單段最大裝藥量，齊發(fā)爆破時(shí)則為總藥量），kg；

R—測(cè)點(diǎn)距爆源的距離，m；

K，a—與爆破條件、介質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。

確定被保護(hù)建筑物的允許臨界振動(dòng)速度[v]后，根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式可得到一次爆破的最大用藥量，即：

如若一次爆破設(shè)計(jì)藥量大于該計(jì)算值但又無(wú)其他降振方法時(shí)，就只能采用分段爆破，減少單段爆破的炸藥量。

3.3 采用預(yù)裂爆破形成隔離帶

當(dāng)需要保護(hù)的對(duì)象距爆源很近時(shí)，在爆源周邊介質(zhì)中可以設(shè)置一條預(yù)裂隔振帶，或者也可以鉆鑿出不裝藥的單排或雙排防振孔，也可以起到減振作用。如若介質(zhì)為土層，可直接開(kāi)挖減振溝，減振溝的寬度主要是以施工方便為原則，并需要盡量深一些，最好能夠超過(guò)藥包位置。預(yù)裂炮孔可以是單排，也可是雙排，這樣便可以降低爆破地震效應(yīng)，但需要考慮預(yù)裂爆破時(shí)所產(chǎn)生的地震效應(yīng)。用作減振的溝、縫與孔，需采取保護(hù)措施，防止充水，否則會(huì)降低降振效果。

3.4 在爆破設(shè)計(jì)中可采取的技術(shù)措施

由于沿著最小抵抗線方向上的爆破振動(dòng)強(qiáng)度最小，側(cè)向居中，反向最大，同時(shí)最小抵抗線方向又是主拋方向，考慮到振動(dòng)和飛石危害，通常將被保護(hù)對(duì)象置于最小抵抗線位置的兩側(cè)。

增加布置藥量時(shí)的臨空面和分散性，能夠有效地減小振動(dòng)速度公式中的K和值，從而有效控制爆破振動(dòng)強(qiáng)度。

實(shí)踐證明，如若選取低密度、低爆速的炸藥，或減小裝藥直徑，采用空腔條形和不耦合的藥包，能夠降低爆壓峰值并且延長(zhǎng)作用于介質(zhì)的時(shí)間。當(dāng)其它條件相同時(shí)，爆破振動(dòng)的峰值便可得到有效控制[6]。

3.5 進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

爆破作業(yè)過(guò)程中，需要進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以了解建筑物、設(shè)施設(shè)備和邊坡坡面在爆破振動(dòng)的作用下的動(dòng)力響應(yīng)，為安全分析提供較為準(zhǔn)確的依據(jù)，有助于及時(shí)采取技術(shù)措施，確保被保護(hù)對(duì)象的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

爆破作業(yè)是露天礦山開(kāi)采順利實(shí)施的前提條件，它將施工現(xiàn)場(chǎng)的整體礦巖進(jìn)行松動(dòng)和分離，為后續(xù)礦山開(kāi)采的順利進(jìn)行奠定夯實(shí)的基礎(chǔ)。但爆破振動(dòng)也會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成一定程度的影響或破壞，因此爆破作業(yè)時(shí)要結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，選擇合理的炸藥類型，設(shè)置合理的孔網(wǎng)參數(shù)、單段最大藥量、起爆方式、間隔時(shí)間和裝藥結(jié)構(gòu)等，采取開(kāi)挖減振溝和對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行加固保護(hù)措施，從而切實(shí)減少爆破振動(dòng)給周圍環(huán)境帶來(lái)的不利影響，同時(shí)也為露天礦山開(kāi)采效率的提升提供良好的保障。