夾皮溝礦業(yè)公司深井開采巷道圍巖爆破振動監(jiān)測

吳清明 曹敏

摘要：為及時(shí)發(fā)現(xiàn)深井開采可能誘發(fā)的地壓災(zāi)害和安全管理問題，針對夾皮溝礦業(yè)公司二道溝礦深井開采實(shí)際，采用L20型爆破測振儀對-1 410 m中段主運(yùn)輸巷道掘進(jìn)過程中的爆破震動波進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析，獲得了深井高應(yīng)力巷道掘進(jìn)中的爆破振動特征和傳播規(guī)律。巷道掘進(jìn)過程中爆破震動波沿巷道豎直方向的速度衰減最大，沿巷道徑向的速度衰減最小;爆破振動頻率為150～400 Hz，頻率較高，頻率范圍較寬，屬于高頻振動，頻率對振動破壞影響較小。監(jiān)測結(jié)果為礦山巷道爆破參數(shù)優(yōu)化和長期穩(wěn)定性分析提供了重要技術(shù)支撐，可為同類礦山提供借鑒。

關(guān)鍵詞：深井開采;巷道掘進(jìn);爆破振動;振動監(jiān)測;爆破規(guī)律

中圖分類號：TD235文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）04-0040-04doi：10.11792/hj20210408

引 言

深井高應(yīng)力硬巖在開挖后巖體應(yīng)力集中程度較淺部更為劇烈，在此條件下巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的爆破地震勢必對巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而潛在危及礦山的安全生產(chǎn)和工人的身心健康。爆破振動監(jiān)測以控制爆破地震和沖擊危害，防止和減小爆破地震對結(jié)構(gòu)體的破壞為目的，通過分析獲取爆破震動波的波形特征和傳播規(guī)律，研究揭示其對建（構(gòu)）筑物的影響和破壞機(jī)理[1]。對爆破震動波傳播造成影響的因素較多，如地質(zhì)條件、爆破條件和礦巖賦存深度等[2]。

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)深井開采可能誘發(fā)的地壓災(zāi)害和安全管理問題，準(zhǔn)確掌握中國黃金集團(tuán)夾皮溝礦業(yè)有限公司（下稱“夾皮溝礦業(yè)公司”）二道溝礦深井巷道的爆破振動特征，以-1 410 m中段新盲豎井相關(guān)工程的安全施工為研究背景，通過現(xiàn)場布點(diǎn)和安裝調(diào)試測振儀，對巷道掘進(jìn)爆破中距離巷道底板不同測點(diǎn)的爆破振動速度、頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，分析其爆破震動波頻率、振動頻譜及振動持續(xù)時(shí)間特征，為二道溝礦爆破參數(shù)優(yōu)化和巷道穩(wěn)定性分析提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

夾皮溝礦業(yè)公司隸屬于中國黃金集團(tuán)有限公司，是國家黃金生產(chǎn)重要礦山之一，礦山開采歷史悠久。其下有二道溝礦、北溝礦、三道岔礦、八家子礦等坑口，目前開采深度超千米坑口有二道溝礦、北溝礦和三道岔礦。其中，二道溝礦地表標(biāo)高650 m左右，開采深度已超過1 500 m，屬典型深井開采礦山。

為加快向深部中段轉(zhuǎn)移，保證礦石量持續(xù)供應(yīng)，二道溝礦新盲豎井由-1 410 m中段向下繼續(xù)延伸，井筒位于1#勘探線。井筒延伸前，主要進(jìn)行車場、卷揚(yáng)硐室、卷揚(yáng)配電硐室及天輪井的施工。為有效控制爆破地震沖擊和振動危害，保護(hù)新盲豎井相關(guān)工程的安全穩(wěn)定性，本次研究選擇在與車場連接的運(yùn)輸巷道掘進(jìn)過程中同步開展爆破測振試驗(yàn)，具體位置見圖1。此外，監(jiān)測點(diǎn)的位置應(yīng)盡量避開隔空區(qū)，爆破震動波在爆源至測點(diǎn)之間傳播路徑為巖體介質(zhì);遵循盡可能同一直線上布點(diǎn)原則，測線上的布點(diǎn)相對爆源由遠(yuǎn)及近間距減小，方便進(jìn)行線性回歸分析，布點(diǎn)3～5個(gè);傳感器保持水平，x方向指向爆心。

2 爆破振動測試

2.1 測試儀器

L20型爆破測振儀是爆破施工專用的振動監(jiān)測設(shè)備，符合ISEE國際爆破工程師協(xié)會對爆破振動測試儀的要求。L20型爆破測振儀由硬件和軟件2部分構(gòu)成，硬件負(fù)責(zé)現(xiàn)場振動信號的采集，軟件承擔(dān)測試數(shù)據(jù)的分析和成果輸出，其工作流程見圖2。經(jīng)過對在同一測線上的多個(gè)布點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，便能計(jì)算出爆破點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)間的地形、地質(zhì)條件相關(guān)系數(shù)（K）和衰減指數(shù)（α），繼而可計(jì)算爆破地震安全距離。

2.2 測試依據(jù)

1）GB 6722—2014 《爆破安全規(guī)程》。

2）DL/T 5333—2005 《水電水利工程爆破安全監(jiān)測規(guī)程》。

3）GB/T 14124—2009 《機(jī)械振動與沖擊 建筑物的振動 振動測量及其對建筑物影響的評價(jià)指南》。

4）夾皮溝礦業(yè)公司二道溝礦掘進(jìn)爆破設(shè)計(jì)。

2021年第4期/第42卷采礦工程采礦工程黃 金

2.3 監(jiān)測點(diǎn)布置

考慮到本次爆破振動測試的目的是研究巷道掘進(jìn)爆破振動傳播特性，監(jiān)測點(diǎn)主要布置在平行巷道方向，與爆源呈一條直線，可獲得平行巷道軸線（x方向）、垂直巷道側(cè)幫（y方向）和垂直巷道底板（z方向）3個(gè)方向爆破震動波傳播信息。由于爆破測振儀數(shù)量限制，試驗(yàn)分2次進(jìn)行，每次在沿巷道方向布置3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，第一次監(jiān)測點(diǎn)與爆源距離為25 m、50 m、75 m，第二次監(jiān)測點(diǎn)與爆源距離為35 m、60 m、92 m。爆破振動監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3，傳感器布置在巷道底板與側(cè)幫相交處。

2.4 儀器安裝

為了得到可靠的爆破振動信息，傳感器必須與監(jiān)測點(diǎn)處巖體牢固地結(jié)合在一起，否則易造成傳感器松動、滑動，信號失真。本次測試采用高強(qiáng)度的速凝石膏作為粘結(jié)劑，將傳感器粘固在待測巖體表面，調(diào)整水平氣泡，并且x方向指向爆源，同時(shí)連接采集儀與傳感器間的連線，安裝結(jié)束后，用手輕擊傳感器，檢查設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在巷道掘進(jìn)爆破前打開監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)入采集模式。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 爆破振動傳播規(guī)律

爆破震動波的強(qiáng)度隨時(shí)間變化而變化，是時(shí)間的函數(shù)，本次測試所得的典型爆破震動波形圖見圖4，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)獲得3個(gè)正交分量，即巷道軸向（x方向）、巷道徑向（y方向）及豎直方向（z方向）巖體質(zhì)點(diǎn)峰值振速，通過爆心距與監(jiān)測點(diǎn)振動速度的變化，可獲得相應(yīng)的井巷掘進(jìn)爆破振動傳播規(guī)律。

利用BVA-L20爆破振動測試軟件對測得的數(shù)據(jù)整理計(jì)算，獲得了不同方向的峰值振速，結(jié)果見表1。

根據(jù)夾皮溝礦業(yè)公司二道溝礦深部井巷掘進(jìn)爆破振動測試數(shù)據(jù)和裝藥量，采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對測試結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，得出x、y、z 3個(gè)方向的K、α值，從而得到3個(gè)方向上的爆破振動強(qiáng)度預(yù)

測模型[3]，分別為：

vx=154.863QR1.435 9（1）

vy=93.8873QR1.241 8（2）

vz=168.863QR1.445 1（3）

式中：v為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動速度（cm/s）;Q為最大單段炸藥量（kg）;R為爆心距（m）。

由巷道掘進(jìn)爆破振動傳播規(guī)律可知，巷道垂向vz=1.445 1 cm/s，巷道軸向vx=1.435 9 cm/s，巷道徑向vy=1.241 8 cm/s，所以vz>vx>vy。巷道掘進(jìn)爆破產(chǎn)生的震動波沿巷道豎直方向速度衰減最大，沿巷道徑向的速度衰減最小。深部巷道圍巖所受地應(yīng)力較大，巷道破壞除地應(yīng)力作用之外，采掘爆破振動對其穩(wěn)定性也有一定危害。

3.2 爆破振動頻譜

爆破震動波頻率隨時(shí)間而變化，以最大振幅處相鄰的2個(gè)波峰或波谷之間的時(shí)間間隔為周期T，其倒數(shù)為爆破震動波主振頻率。夾皮溝礦業(yè)公司二道溝礦深部井巷掘進(jìn)爆破震動波的主振頻率見表2。

由表2可知，-1 410 m中段巷道掘進(jìn)爆破震動波主振頻率為100～300 Hz，少數(shù)達(dá)到300 Hz以上。根據(jù)GB 6722—2014 《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，處于該種爆破主振頻率工況時(shí)，-1 410 m中段巷道掘進(jìn)爆破速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于安全振動速度。

爆破震動波屬于隨機(jī)信號，可通過測試信號的傅里葉變換得出振動信號的頻率范圍，即頻譜，幅值最大的頻率為主要頻率，也叫基頻，它反映信號中起主要作用的成分[4]。

將-1 410 m中段井巷爆破振動信號進(jìn)行傅里葉變換，得到相應(yīng)頻譜分析圖，見圖5～7。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，爆破振動的主要頻率為150～400 Hz，同樣遠(yuǎn)高于礦山巷道的固有頻率。

頻率亦是影響振動破壞的主要因素之一。在相同振動強(qiáng)度下，頻率越低破壞能量就越大。建（構(gòu)）筑物的自振頻率一般為幾Hz左右，頻率低時(shí)更容易形成共振，破壞性更大[5-6]。而夾皮溝礦業(yè)公司二道溝礦-1 410 m中段巷道掘進(jìn)爆破振動頻率較高，頻率范圍較寬，屬于高頻振動，頻率對振動破壞影響較小。

3.3 爆破振動持續(xù)時(shí)間

評價(jià)爆破振動對巷道等構(gòu)筑物的危害，除用振動強(qiáng)度（速度、加速度或位移）和振動頻率作為破壞判據(jù)外，還應(yīng)考慮爆破振動的持續(xù)時(shí)間對其的累積破壞作用。雖然GB 6722—2014 《爆破安全規(guī)程》對于一次爆破振動的持續(xù)時(shí)間并沒有明確規(guī)定，但在相同振動強(qiáng)度下，持續(xù)時(shí)間越長則破壞力越大。

夾皮溝礦業(yè)公司二道溝礦-1 410 m中段巷道掘進(jìn)爆破振動持續(xù)時(shí)間為8.3 s，軸向、橫向及垂向持續(xù)時(shí)間均較為接近。為減小爆破振動持續(xù)時(shí)間對周邊巷道的影響，建議改用毫秒微差爆破進(jìn)行深部巷道掘進(jìn)，從而減小每次爆破對高應(yīng)力巖體造成的疲勞損傷。

4 結(jié) 論

1）夾皮溝礦業(yè)公司二道溝礦-1 410 m中段深井高應(yīng)力巷道掘進(jìn)爆破產(chǎn)生的震動波沿巷道豎直方向速度衰減最大，沿巷道徑向的速度衰減最小。

2）夾皮溝礦業(yè)公司二道溝礦-1 410 m中段巷道掘進(jìn)爆破振動的主振頻率為150～400 Hz，遠(yuǎn)高于礦山巷道的固有頻率。頻率較高，頻率范圍較寬，屬于高頻振動，頻率對振動破壞影響較小。

3）夾皮溝礦業(yè)公司二道溝礦-1 410 m中段巷道掘進(jìn)爆破振動持續(xù)時(shí)間為8.3 s，軸向、橫向及垂向持續(xù)時(shí)間均較為接近，建議改用毫秒微差爆破進(jìn)行深部巷道掘進(jìn)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]王玉杰.爆破工程[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2007.

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[3]史秀志，田建軍，王懷勇.冬瓜山礦爆破振動測試數(shù)據(jù)回歸與時(shí)頻分析[J].爆破，2008，25（2）：77-81.

[4]李華，田益琳，張樹偉.研山鐵礦爆破振動分析與研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2019（6）：115-117，126.

[5]張劍興，李繼業(yè)，蒲朝欽，等.隧道爆破參數(shù)優(yōu)化及振動效應(yīng)研究[J].采礦技術(shù)，2018，18（4）：104-105，111.

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Monitoring of blasting vibration of surrounding rock

in deep mining roadway of Jiapigou mining company

Wu Qingming，Cao Min

（China Gold Group Jiapigou Mining Co.，Ltd.）

Abstract：In order to find out possible ground pressure disasters and safety management problems caused by deep mining in time，in view of the practice of deep mining in Erdaogou Mine of Jiapigou mining company，the L20 blasting vibrometer is used to monitor and analyze the blasting vibration wave in the excavation process of the main transportation roadway on the level of -1 410 m，and the characteristics and propagation law of blasting vibration in the excavation process of high stress roadway in deep mines are obtained.In the process of roadway excavation，the velocity attenua tion of blasting vibration wave along the vertical direction of the roadway is the largest，and the velocity attenuation along theradial direction of the roadway is the smallest; the blasting vibration frequencyis 150-400 Hz，the frequencyis high，and the frequency range is wide，which belongs to high frequency vibration，and the frequency has little influence on the vibration damage.The monitoring results provide important technical support for mine roadway blasting parameter optimization and long term stability analysis，and can be used as a reference for similar mines.

Keywords：deep mining;roadway excavation;blasting vibration;vibration monitoring;blasting law