獅子山礦深部開采爆破振動信號傳播及頻譜分析研究

沈爽

玉溪礦業(yè)有限公司獅子山礦，中國·云南 易門 651100

1 引言

爆破地震波的傳播是一個極為復(fù)雜的動力學(xué)過程，不是簡單的簡諧振動，而是有多種頻率夾雜并附有周期性的振動。從波動觀點來說，地震波傳播主要有體波和面波兩種形式，而體波又可分為縱波和橫波兩種形式，其傳播速度由介質(zhì)本身的彈性和密度等物理特性以及介質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)特征所決定。當介質(zhì)具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)和存在不連續(xù)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面時如節(jié)理、裂隙、斷層等，就會產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象[1]。

論文依托中國獅子山地下深部開采，以17 中段四單元1146—1148 水平測線范圍內(nèi)的礦巖、斷層為測試對象，進行布點監(jiān)測，研究獅子山礦地下爆破振動波傳播衰減規(guī)律及爆破產(chǎn)生的能量分布，預(yù)測獅子山地下深部開采爆破振動強度，為減少爆破振動帶來的危害效應(yīng)、能量控制及現(xiàn)場爆破施工提供依據(jù)。

2 工程地質(zhì)及爆破現(xiàn)狀

獅子山十七中段主礦體四單元采準工藝為穿脈大巷振機出礦工藝，底柱高9m，斗間距6.0～6.5m，交錯布置，丁字口擴漏。礦體圍巖主要以青灰色白云巖（和白色白云巖為主，呈柱狀陡傾斜礦體，礦體西邊呈鋸齒狀與上盤圍巖接觸。礦體走向NE45-57°，傾角70°～86°。沿走向長約67m，厚約3～33m，平均厚度20m。

目前獅子山礦采用強制崩落法進行開采，使用地下深孔爆破，采用YQ—100 鉆機，鉆孔直徑為100mm，平均孔深為700cm，布置方式為扇形布孔。平均炸藥單耗為0.43kg/t，最小抵抗線為2.5m，孔底距為3.0m，炮孔密集系數(shù)為1.2，裝藥方式分柱狀裝藥和顆粒裝藥兩種，如圖1所示。起爆方式為磁電雷管引爆—導(dǎo)爆索傳爆—導(dǎo)爆管雷管混合起爆。爆破網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。

圖1 裝藥示意圖

圖2 起爆網(wǎng)絡(luò)圖

3 監(jiān)測方案

3.1 測振系統(tǒng)

爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)采用TC-4850 爆破振動記錄儀及配套的速度傳感器進行爆破振動監(jiān)測。針對爆破地震波傳播信號進行記錄、處理、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出，監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在記錄儀中，然后通過USB 接口與計算機連接讀出其數(shù)據(jù)和波形，并將波形顯示、分析和測試結(jié)果輸出。現(xiàn)場布置如圖3所示。

圖3 爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測

3.2 測點布置要求

爆破振動測試中，現(xiàn)場布置測試儀器尤為重要，直接影響爆破振動測試的效果和所測數(shù)據(jù)的使用價值。一般情況，應(yīng)遵循以下原則[2]：

①測試的場地應(yīng)選擇平坦的地形。

②各測點應(yīng)與炮孔中心在一條直線上，并隨爆區(qū)距離呈近密遠疏布置。

③選擇距爆區(qū)較近的地方布置測點。

④調(diào)查測試地點周圍的地質(zhì)狀況，如果受到高程差、大斷層及節(jié)理裂隙發(fā)育的影響，可能會使監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差較大。

固定傳感器時，應(yīng)先清理測點表面上的浮土，保證傳感器布置地面平整，利用石膏和膠水將傳感器粘貼在測點表面，并用水平計保證傳感器處于水平，保證傳感器獲得較為精確的數(shù)據(jù)。

測點布置如圖4所示。

圖4 測點布置圖

4 爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)整理與分析

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)整理結(jié)果

本階段監(jiān)測主要針對以17 中段四單元1146—1148 水平測線范圍內(nèi)的礦巖、斷層為測試對象由于實際監(jiān)測過程中，整理結(jié)果如表1所示。

表1 線振動測試數(shù)據(jù)表

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析

影響質(zhì)點爆破振動衰減規(guī)律的因素很多，主要包括爆破介質(zhì)臨空面的夾制作用、爆孔孔徑、爆源深度、裝藥結(jié)構(gòu)、巖體條件、場地條件、與爆源相當位置關(guān)系、爆心距大小等[3]。在工程應(yīng)用中，通常運用薩道夫斯基經(jīng)驗公式判定質(zhì)點振動速度與裝藥量及爆心距的關(guān)系[4]：

式中，v為爆破振動質(zhì)點最大速度，cm/s；

Q為最大單段藥量，kg；

R為爆源距，m；

K、α為地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

通過采集數(shù)據(jù)整理計算得出K=0.2808、α=2.00，將其代入到薩氏公式中可得預(yù)測公式為：

由以上結(jié)果分析，K值較小，表明質(zhì)點振動速度受地質(zhì)地形條件、傳播介質(zhì)的影響較大，這與現(xiàn)場實際情況相符。另外，振動速度波動較大，由此可以推斷出測點受地震波中的面波影響較多[5]。在具體施工過程中應(yīng)根據(jù)式（2）及時調(diào)整爆破參數(shù)，從而達到安全高效爆破的目的。

5 頻譜分析

由于爆炸是一個瞬間過程，時間短、能量釋放較大，因此爆炸地震波的頻帶呈現(xiàn)較寬、頻率分布復(fù)雜、能量較為集中的特點。爆破藥量、爆破方法和地質(zhì)地形等條件對爆破振動波形、頻率成份均有不同程度的影響[6]。因此，為了進一步了解爆破振動信號在獅子山地下中傳播時不同頻譜衰減規(guī)律，就要選擇具有代表性的段信號，基于軟件進行EMD 分解，得到各個IMF 分量的頻譜，如圖5所示。

圖5 信號的IMF 分量頻譜圖

再通過計算機，將上述分解出的IMF 分量進行Hilbert變換，得到其能量分布圖，如圖6所示。

圖6 能量分布圖

如圖5所示，信號從大到下以波動時間為橫軸，振動速度為縱軸分解，開始的波長較短，表面開始分解的頻率最高；隨著波長變長，最后一個IMF分量趨于直線，表明頻率在降低。

由圖6可看出，左圖能量主要集中在40～80Hz 左右中、高頻段，右圖能量主要集中在20～150Hz 左右低、中、高頻三個頻段，低頻部分的能量占比增加，表明低頻作用更加明顯，能量比分布于頻域范圍更廣。

可見穿過斷層后地震波總能量幅值降低，但是低頻部分的能量占比增加，表明低頻作用更加明顯，能量占比在頻域上分布區(qū)域更廣，初步分析得到以下結(jié)果：

①由于斷層在巖體中分布的不均勻，夾雜著部分強度帶有粘性、低強度的物質(zhì)所導(dǎo)致，表現(xiàn)出在能量、振動幅值降低[7]。

②瞬時能量集中時間段變長且更為分散，且主震相持續(xù)時間有些許變長，對于獅子山地下開采的起爆方式，很容易在這一段時間內(nèi)造成振動疊加，使震動效應(yīng)加劇，破壞效應(yīng)更嚴重。

③能量傳遞離散性，表明可進一步調(diào)整爆破孔排間的延時，使能量更為集中，有利于礦石的崩落。

6 結(jié)語

通過對獅子山17 中段四單元1146—1148 水平測線范圍內(nèi)的礦巖、斷層的爆破振動監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行薩道夫斯基回歸，基于HHT 的爆破振動頻譜分析，可得出以下結(jié)論：

①通過對振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的回歸分析，得到了在獅子山深部開采特定巖性下的爆破振動傳播衰減規(guī)律，可根據(jù)衰減規(guī)律核算一次單段最大的藥量，保證爆破振動不會對巷道圍巖及井下設(shè)施造成影響。

②通過振動監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，獅子山地下礦存在較為集中的斷層影響，會導(dǎo)致爆破釋放的能量不能充分被利用，在今后的爆破施工中，應(yīng)盡量避開斷層面。

③振動測試分析的頻譜以高頻成分為主，隨著時間的推移，頻率逐漸降低，其主振頻帶主要分布在20～140Hz 范圍內(nèi)，低頻部分不集中，說明現(xiàn)階段的爆破施工對井下基建設(shè)施影響不大。

④可適當?shù)恼{(diào)整孔內(nèi)外延時，使爆破釋放的沖擊波和高溫高壓氣體更為集中，提高爆破能量的利用率[8]。