基于爆破振速演變規(guī)律的采場安全分析

林之岳 黎俊華 王道林

摘要：在金屬礦資源回采過程中，井下采場爆破對地表建（構(gòu)）筑物、堤壩及邊坡等穩(wěn)定性帶來嚴(yán)重威脅，尤其對于賦存有高陡邊坡的露天地下聯(lián)合開拓礦山。針對永平銅礦面臨的井下礦體回采爆破與臨近高陡邊坡穩(wěn)定性之間的矛盾，開展了地表及井下爆破振動(dòng)監(jiān)測，按照振速統(tǒng)計(jì)分析原理及薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，分析并得出了爆破引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)特性及振速衰減規(guī)律，在多數(shù)測點(diǎn)所測得的最大振速普遍分布于0～1 cm/s，主頻分布在0～150 Hz。并按照邊坡巖體的爆破地震波衰減規(guī)律和當(dāng)?shù)氐牡卣鹆叶?，確定了Ⅳ號礦體不同采場生產(chǎn)所允許的最大單段藥量，為礦山的安全生產(chǎn)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：爆破；爆破振動(dòng)；振速；振動(dòng)監(jiān)測；邊坡；安全

中圖分類號：TD853文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2023）03-0005-07doi：10.11792/hj20230302

引 言

隸屬于江西銅業(yè)股份有限公司的永平銅礦，為一座現(xiàn)代化大型露天-地下聯(lián)合開采礦山，目前礦山整體規(guī)模達(dá)10 000 t/d，其中，露天和地下各為5 000 t/d。經(jīng)過多年的露天開采后，形成了最大垂直高度達(dá)444 m的深凹露天礦坑，其中154 m水平以下、1勘探線—15勘探線西部鄰近高陡邊坡周圍賦存了大量銅礦石資源。近年來，隨著露天淺部資源的消耗殆盡，礦山整體生產(chǎn)能力受到嚴(yán)重制約，穩(wěn)定生產(chǎn)甚至達(dá)產(chǎn)均難以得到保證。為保證穩(wěn)定的礦石產(chǎn)量和最大限度回收礦產(chǎn)資源，亟須對鄰近高陡邊坡的礦產(chǎn)資源（以Ⅳ號礦體為主）進(jìn)行回采。然而，隨著礦山開采深度的增加和工程地質(zhì)條件的改變，高陡邊坡局部已有滑塌破壞等風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)^［1］；另一方面，陡幫上仍需保留礦石運(yùn)輸?shù)缆芳胺篮樵O(shè)施等。在此條件下，對鄰近高陡邊坡的Ⅳ號礦體進(jìn)行地下回采時(shí)，勢必會(huì)對高陡邊坡帶來難以預(yù)測的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，研判Ⅳ號礦體回采對高陡邊坡的安全穩(wěn)定性影響，并據(jù)此制定相關(guān)解決對策是安全回采Ⅳ號礦體的重中之重^［2］。

爆破作業(yè)作為露天礦山生產(chǎn)的主要工序，是開采過程中對邊坡帶來擾動(dòng)的主要因素之一^［3］。尤其是永平銅礦露天高陡邊坡屬于順層巖質(zhì)邊坡，在爆破作用下極易產(chǎn)生后沖裂隙和層裂破壞，從而使爆破作用對邊坡穩(wěn)定的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：一是爆破層裂作用使滑面上的抗滑段長度減少，降低抗滑力，又增大了地表水侵入后的浮力；二是爆破地震波引起邊坡的水平向振動(dòng)（振動(dòng)慣性力），導(dǎo)致邊坡的下滑力增大、抗滑正壓力減小^［4］。這兩方面的共同作用將降低邊坡的安全系數(shù)，導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)滑坡。因此，有必要通過對爆破振速的現(xiàn)場監(jiān)測，獲得爆破地震波沿邊坡橫向不同位置處的巖體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度或加速度在時(shí)域、頻域上的變化特征，確定礦山生產(chǎn)爆破對邊坡穩(wěn)定性的影響程度，為礦山安全生產(chǎn)、邊坡維護(hù)及制定合理、可行的爆破方案提供科學(xué)依據(jù)^［5］。

有鑒于此，本文針對礦山目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀與高陡邊坡特點(diǎn)，采用與爆破點(diǎn)對應(yīng)、垂直邊坡走向布置振動(dòng)測點(diǎn)的方式進(jìn)行爆破地震效應(yīng)試驗(yàn)，利用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測量系統(tǒng)獲得各次地震波波形及邊坡質(zhì)點(diǎn)振速，進(jìn)而按照統(tǒng)計(jì)分析原理及薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，分析爆破引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)特性及振速衰減規(guī)律。按照邊坡巖體的爆破地震波衰減規(guī)律和當(dāng)?shù)氐牡卣鹆叶龋_定Ⅳ號礦體不同采場生產(chǎn)所允許的最大單段藥量，為該礦山的安全生產(chǎn)提供實(shí)踐依據(jù)。

1 現(xiàn)場爆破振動(dòng)監(jiān)測

1.1 工程概況

永平銅礦Ⅳ號礦體走向北北東，傾向東，傾角以60°～70°為主，形態(tài)為似層狀及透鏡狀，地下開采標(biāo)高為200～-200 m，首采中段設(shè)置在-50 m中段，目前回采中段為0 m中段，開拓中段為-200 m中段。礦體圍巖上盤為綠泥石，下盤為混合巖，巖石總體穩(wěn)固性屬中等。0 m中段礦體長約626 m，如圖1所示，劃分為12個(gè)盤區(qū)，每個(gè)盤區(qū)的長度為50 m，采場沿走向布置，其采礦方法為分段空場嗣后充填采礦法。鑿巖爆破過程中，主要采用76 mm孔徑的上向扇形孔進(jìn)行微差起爆，裝藥臺(tái)車填裝乳化炸藥，每次起爆2～3排炮孔，炮孔排距1.5～2.0 m，孔底距2.0～2.5 m。落礦后進(jìn)行通風(fēng)、排炮煙、撬頂平底、支護(hù)等工序，礦石通過鏟運(yùn)機(jī)輸送到采場溜井。礦井通風(fēng)時(shí)，新鮮風(fēng)流由中段巷道經(jīng)人行通風(fēng)斜巷進(jìn)入回采作業(yè)面，污風(fēng)排到上中段，匯入總回風(fēng)系統(tǒng)，排出地表。為加快爆破炮煙排出，在回采采場上部回風(fēng)充填道安放局扇加強(qiáng)通風(fēng)。

1.2 測點(diǎn)布置

1.2.1 井下測點(diǎn)布置

Ⅳ號礦體東側(cè)緊鄰F₂斷層，由于該斷層的存在會(huì)導(dǎo)致爆破振動(dòng)效應(yīng)的影響范圍變廣、持續(xù)時(shí)間變長，因而需要擴(kuò)大爆破振動(dòng)監(jiān)測范圍，在相鄰的4個(gè)采場即4，5，6，7采場分別設(shè)置爆破1測點(diǎn)～4測點(diǎn)，如圖2所示。

1.2.2 邊坡測點(diǎn)布置

為了測得不同藥量下各測點(diǎn)的爆破振動(dòng)，分析爆破動(dòng)載作用對西部邊坡穩(wěn)定性的影響，擬監(jiān)測W4～W8礦塊對應(yīng)邊坡上各測點(diǎn)的爆破振動(dòng)。結(jié)合礦山基礎(chǔ)設(shè)施布置情況與臺(tái)階是否可到達(dá)，進(jìn)行爆破振動(dòng)測點(diǎn)布置（如圖3所示），測點(diǎn)位置信息如表1所示。

1.3 測量過程

使用的儀器為Blast-UM型爆破測振儀。為得到足夠數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合出適用于永平銅礦Ⅳ號礦體0 m中段采場和西部邊坡的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式^［6］，根據(jù)采場及西部露天邊坡測點(diǎn)分布情況，監(jiān)測安排如表2所示。

露天邊坡與0 m中段布置的測點(diǎn)分為4批次，每個(gè)測點(diǎn)測2次，因而需要測試8次，具體測量步驟如下：

①測繪技術(shù)員于邊坡放點(diǎn)，確定各個(gè)測點(diǎn)在西部邊坡的具體位置，放點(diǎn)如圖4-a）所示。②尋找基巖并清理測點(diǎn)處的碎石及泥土，倒適量黏結(jié)劑于測點(diǎn)并加水?dāng)嚢?，待具有一定流?dòng)性后，將接好數(shù)據(jù)傳輸線的傳感器置于拌合物上，使傳感器上的氣泡位于圓圈內(nèi)，并用手機(jī)的指南針功能確保傳感器表面標(biāo)示“X”為北，固定傳感器15 s，待其穩(wěn)定后松開，如圖4-b）所示。③將傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸線連接測振儀主機(jī)，開機(jī)后檢查Tr值是否為0，當(dāng)Tr≠0時(shí)，重啟主機(jī)；當(dāng)Tr為0時(shí)，用傳輸線連接筆記本電腦與測振儀主機(jī)，實(shí)時(shí)讀取西部邊坡在未起爆時(shí)的振動(dòng)速度，數(shù)據(jù)如表3所示；將Tr值設(shè)為0.017 cm/s作為觸發(fā)值，并設(shè)置進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)，如圖4-c）所示。④輕敲傳感器上部，觀察主機(jī)是否記錄數(shù)值，當(dāng)有數(shù)據(jù)記錄后即為設(shè)定成功，而后將主機(jī)置于儀器箱內(nèi)，避免塊石滾落對儀器產(chǎn)生影響，如圖4-d）所示。當(dāng)敲動(dòng)無數(shù)據(jù)記錄時(shí)，需重復(fù)第②步操作。

2 爆破振動(dòng)測試數(shù)據(jù)與分析

爆破地震波在地層中傳播是一個(gè)十分復(fù)雜的力學(xué)過程，它受炸藥性能、藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式等多種因素的影響^［7］。爆破振動(dòng)測試所獲取的主要指標(biāo)是爆破振動(dòng)的時(shí)程波形及主要特征值，從這些測試結(jié)果分析爆破地震波在介質(zhì)中的傳播及衰減規(guī)律，從而分析出爆破振動(dòng)效應(yīng)對邊坡的影響。國內(nèi)普遍應(yīng)用的是薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式^［8］：

式中：v為質(zhì)點(diǎn)最大振速（cm/s）；Q為最大單段藥量（kg）；R為測點(diǎn)離爆心斜距（m）；K為場地影響系數(shù)；α為地震波衰減系數(shù)。

將爆破測振儀布置于設(shè)定的測點(diǎn)，爆破測振儀所測得的振動(dòng)波形如圖5所示，測試數(shù)據(jù)如圖6所示。采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合，得到不同方向的振速。結(jié)果表明：大多數(shù)測點(diǎn)所測得的最大振速普遍分布于0～1 cm/s，僅于W4測得的最大振速較高，為5～6 cm/s；對于主頻分布，多數(shù)測點(diǎn)所測得的主頻分布在0～150 Hz，在W6測點(diǎn)測得的主頻近250 Hz。

根據(jù)測振儀在各測點(diǎn)測得的爆破數(shù)據(jù)，以及測得的直線距離，代入式（1）求解得到x、y、z和矢量合成方向的K值和α值，擬合所得的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式如下：

1）井下各方向爆破振動(dòng)擬合。

3 西部邊坡爆破振動(dòng)分級

3.1 開采單段藥量確定

GB 6722—2014 《爆破安全規(guī)程》中，永久性巖石高邊坡爆破振動(dòng)的安全允許標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。由于西部邊坡在爆破時(shí)的振動(dòng)頻率主要集中在10～50 Hz，故選擇振動(dòng)速度v=8～12 cm/s^［9］。根據(jù)永平銅礦西部邊坡巖體的完整性，為避免運(yùn)礦公路和水溝因爆破振動(dòng)而受到損壞或堵塞，結(jié)合表5所示不同類型巖石中的建筑物允許振動(dòng)速度分級，選擇邊坡允許振速v=8.0 cm/s。

將允許振速和各礦塊與邊坡距離代入矢量合成后的公式，得到各礦塊最大單段藥量如表6所示。

根據(jù)已有爆破設(shè)計(jì)資料，Ⅵ號礦體0 m中段開采時(shí)，切槽爆破最大單段藥量為140 kg，礦柱回采深孔爆破最大單段藥量為286 kg。結(jié)合表6可得，采用現(xiàn)在的爆破工藝，Ⅳ號礦體0 m中段可采礦塊為W0～W8，W9開采時(shí)需降低單段藥量或采取減振技術(shù)，W10和W11因需將礦體留設(shè)為境界礦柱而不適合開采^［10］。

3.2 邊坡振速安全分級

為給現(xiàn)場設(shè)計(jì)提供爆破設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以礦柱回采時(shí)最大單段藥量286 kg為基礎(chǔ)，根據(jù)振動(dòng)速度值進(jìn)行安全等級劃分，得到W0～W9邊坡對應(yīng)安全等級，劃分規(guī)則如表7所示。各礦塊相應(yīng)邊坡在不同單段藥量下安全距離如表8所示。

依據(jù)表7中根據(jù)振動(dòng)速度進(jìn)行的安全等級劃分和表8中不同振動(dòng)速度下爆破作業(yè)點(diǎn)與邊坡坡面的安全距離，W0～W11各階段礦塊與邊坡安全劃分區(qū)域的位置關(guān)系如圖7所示。

根據(jù)圖7中W0～W11礦塊與Ⅰ級安全區(qū)、Ⅱ級安全區(qū)、Ⅲ級安全區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)的位置關(guān)系，再綜合W10、W11礦塊與邊坡的最小安全距離小于最小爆破安全距離，即0 m、50 m、100 m、150 m 4個(gè)中段各礦塊在采用現(xiàn)有鉆爆開采條件下各礦塊的安全等級如圖8所示。從圖8可以看出：0 m中段和50 m中段W0～W9礦塊、100 m中段和150 m中段W0～W6礦塊的安全等級為Ⅰ級，可使用現(xiàn)有采礦工藝開采；100 m中段和150 m中段W7礦塊的安全等級為Ⅱ級，使用現(xiàn)有采礦工藝開采時(shí)需根據(jù)邊坡現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整，如增加爆破段數(shù)或采取密集空孔爆破、預(yù)裂爆破、緩沖爆破、切槽爆破等減振控爆技術(shù)^［11］；0 m中段和50 m中段W10～W11礦塊、100 m中段和150 m中段W8～W11礦塊的安全等級為危險(xiǎn)，采用現(xiàn)有開采工藝將可能導(dǎo)致西部邊坡出現(xiàn)大塊巖石垮落及邊坡滑移，損壞、堵塞邊坡布設(shè)的運(yùn)礦公路和水溝，且影響露天和井下的安全生產(chǎn)，帶來安全隱患^［12］。

4 結(jié) 論

對永平銅礦Ⅳ號礦體邊坡爆破進(jìn)行了研究，得出了爆破振動(dòng)在該礦山邊坡中的衰減規(guī)律。從各自的衰減規(guī)律中結(jié)合巖體的物理力學(xué)性質(zhì)提出了臨近邊坡爆破的允許最大單段藥量，并劃分了邊坡振速安全等級，為礦山生產(chǎn)爆破設(shè)計(jì)提供依據(jù)。得到的具體結(jié)論如下：

1）根據(jù)測振儀在各測點(diǎn)測得的爆破數(shù)據(jù)，擬合得到了露天和井下爆破振動(dòng)的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，且擬合值均在0.8以上，擬合效果較好。

2）根據(jù)永平銅礦西部邊坡巖體的完整性，為了避免運(yùn)礦公路和水溝因爆破振動(dòng)而受到損壞和堵塞，選擇邊坡允許振速v=8.0 cm/s。將允許振速和各礦塊與邊坡距離代入矢量合成后的公式，得到各礦塊最大單段藥量。結(jié)果表明：從W1～W11所允許的最大單段藥量逐漸減小。

3）根據(jù)不同振動(dòng)速度下爆破作業(yè)點(diǎn)與邊坡坡面的最小安全距離，對W0～W11各階段礦塊進(jìn)行爆破振動(dòng)安全分級。0 m中段和50 m中段W0～W9礦塊、100 m中段和150 m中段W0～W6礦塊的安全等級為Ⅰ級，可使用現(xiàn)有采礦工藝開采；100 m中段和150 m中段W7礦塊的安全等級為Ⅱ級，使用現(xiàn)有采礦工藝開采時(shí)需根據(jù)邊坡現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整；0 m中段和50 m中段W10～W11礦塊、100 m中段和150 m中段W8～W11礦塊的安全等級為危險(xiǎn)，需另外選擇合理的采礦方法。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Stope safety analysis based on blasting vibration velocity evolution law

Lin Zhiyue1，Li Junhua2，Wang Daolin3

（1.Yinshan Mining Co.，Ltd.of JiangXi Copper Corporation Limited;

2.Yongping Copper Mine of Jiangxi Copper Corporation Limited;

3.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：In the process of recovering metal ore resources，underground stope blasting poses a serious threat to the stability of surface structures （buildings），dams，and slopes，especially for open-pit joint development of mines with high and steep slopes.In this paper，based on the contradiction between the mining and blasting of the underground ore body faced by the Yongping Copper Mine and the stability of the nearby high and steep slopes，the vibration monitoring of the surface and underground blasting is carried out.The particle vibration characteristics and vibration velocity attenuation law caused by blasting are obtained based on vibration velocity statistical analysis principles and the Sadovsky formula，and it is concluded that the maximum vibration velocity measured at most measuring points is generally distributed in 0-1 cm/s，and the main frequency is distributed in 0-150 Hz.According to the blasting seismic wave attenuation law of the slope rock mass and the local seismic intensity，the maximum charge per section allowed for the production of the No.IV ore body in different stopes is determined，which provides a theoretical and practical basis for the safe production of the mine.

Keywords：blasting;blasting vibration;vibration velocity;vibration monitoring;slope;safety