空孔直眼掏槽爆破振動(dòng)特性分析

鄭文富，李付安 ，林大能，喻 智

(1.湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201；2. 中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司， 江蘇 南京 210019)

0 引 言

目前，在地鐵隧道開挖、路橋工程，水利水電工程、礦山巷道掘進(jìn)及各種各樣的井巷工程中，鉆眼爆破仍然是主要的施工方法。

在中小斷面巷道掘進(jìn)中，由于巷道寬度的限制，直眼掏槽是必然的選擇，并且得到了廣泛的應(yīng)用。直眼掏槽爆破炮眼是垂直于掏槽面布置的，通常是以空眼充當(dāng)附加的自由面去配合掏槽爆破，破碎巖石時(shí)，空孔充當(dāng)集中爆炸應(yīng)力的作用，同時(shí)使巖石擁有充分的碎脹補(bǔ)償空間[1]。爆破循環(huán)進(jìn)尺和掘進(jìn)效率與掏槽好壞直接相關(guān)。

由于缺少自由面，致使巷道在掘進(jìn)開挖的過程中，掏槽受到較大的夾制作用，導(dǎo)致掏槽爆破時(shí)會(huì)引起強(qiáng)烈的爆破振動(dòng)[2]。掏槽爆破振動(dòng)會(huì)使巷道圍巖及支架和支護(hù)受到影響和損傷比較嚴(yán)重，有時(shí)候會(huì)使其產(chǎn)生破壞，并且直接影響圍到巖松動(dòng)圈的特性，導(dǎo)致事故經(jīng)常發(fā)生，加大了巷道維護(hù)的難度。

因此本文主要研究空孔直眼掏槽爆破振動(dòng)特性，重點(diǎn)分析空孔直徑和段起爆藥量大小對爆破振動(dòng)的速度和振動(dòng)頻率的影響。

1 爆破振動(dòng)測試

1.1 爆破測振儀

在爆破工程現(xiàn)場，爆破測振儀能獨(dú)立記錄事件誘發(fā)的振動(dòng)信號(hào)，并且能通過預(yù)裝分析軟件的電腦通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)分析等功能。

本次爆破振動(dòng)試驗(yàn)采用的是新一代TC-4850爆破測振儀，由成都中科測控有限公司生產(chǎn)。它采用嵌入式處理器，兼容多種模式，能完成不同測試的要求，拓展性能和抗干擾性能強(qiáng)，可靠性高。

TC-4850測振儀可以3通道并行采集，采樣率為1 k ～ 50 ksps多檔可調(diào)，0.1%的讀數(shù)精度，16Bit的A/D分辨率，可連續(xù)記錄并儲(chǔ)存多段數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)空間大，可以根據(jù)需要自動(dòng)分段，分配十分靈活，大大減少了數(shù)據(jù)丟失的可能。并且能通過USB2.0連接PC，更快捷的傳輸數(shù)據(jù)，分析波形、頻譜等特征參數(shù)。

1.2 測試初始條件

在某礦山的巖巷中進(jìn)行試驗(yàn)，巷道圍巖穩(wěn)定性較好，為一般的砂巖(f為6～8)，受地質(zhì)構(gòu)造影響一般，節(jié)理發(fā)育程度不高。巖巷巷道斷面為半圓拱形，采用空孔直眼掏槽爆破法開挖巷道，空眼直徑分別為40 mm和120 mm，眼深2500 mm。掏槽眼深2400 mm，采用2號(hào)乳化炸藥進(jìn)行裝藥爆破。

以空孔為中心，4個(gè)掏槽眼均勻布置在四周，每個(gè)裝10卷炸藥量，4個(gè)掏槽眼總裝藥量為8 kg，采用反向裝藥結(jié)構(gòu)。當(dāng)最大起爆段藥量為8 kg時(shí)，1、2、3、4號(hào)炮孔采用瞬發(fā)電雷管，同時(shí)起爆；當(dāng)最大起爆段藥量為4 kg時(shí)，1、3兩孔和2、4兩孔分別采用1、3段毫秒延期電雷管起爆。布置形式見圖1和圖2。

1.3 布置測點(diǎn)

距巷道底板900 mm處，沿著巷道水平布置4個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距離20 m，測點(diǎn)1離距掏槽面25 m，用鉆孔工具在測點(diǎn)位置鉆孔，用石膏把傳感器安裝固定好。隨著巷道開挖，測點(diǎn)沿著右側(cè)推進(jìn)，每次試驗(yàn)測點(diǎn)數(shù)為4個(gè)一組，測點(diǎn)布置見圖3。

圖2 掏槽眼布置( 單位：mm)

圖3 測試點(diǎn)的位置(單位：mm)

2 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)分析和處理

2.1 測點(diǎn)振速規(guī)律

爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)如下表1和表2所示。運(yùn)用薩氏修正公式計(jì)算爆破振速：

(1)

式中：K為原始條件系數(shù)；α為振波衰減系數(shù)；V為振動(dòng)速度，cm/s；Q為最大段起爆藥量，kg；R為距爆心距離。利用MATLAB軟件對爆破振速與最大段起爆藥量進(jìn)行分析，并建立關(guān)系式。爆破振動(dòng)速度

表1 測試點(diǎn)的振速、振頻數(shù)據(jù)表(空眼直徑40 mm)

表2 測試點(diǎn)的振速、振頻數(shù)據(jù)表(空眼直徑120 mm)

關(guān)系式可表示為：

2.2 測點(diǎn)振動(dòng)頻率規(guī)律

通常影響巷道圍巖破壞是多因素造成的，發(fā)生破壞的點(diǎn)并不是振速最大和離掏槽面最近的點(diǎn)，而是距掏槽面一定距離的某段圍巖支架產(chǎn)生破壞。這是由于當(dāng)爆破振動(dòng)頻率和圍巖自身的振頻相差不大或者相近時(shí)，兩者產(chǎn)生共振，導(dǎo)致圍巖破壞[3-5]。

當(dāng)段藥量分別為8 kg、4 kg時(shí)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)擬合出的爆破振動(dòng)頻率曲線如下圖4～圖5所示。

圖4 振頻擬合曲線(最大段起爆藥量為8 kg)

Q為8 kg時(shí)，爆破振頻擬合曲線的表達(dá)式為：

空孔直徑為40 mm時(shí)，f=70.4501×(lgR)-2.021；

空孔直徑為120 mm時(shí)，f=61.5634×(lgR)-1.301；

Q為4 kg時(shí)，爆破振頻擬合曲線的表達(dá)式為：

空孔直徑為40 mm時(shí)，f=102.8522×(lgR)-1.965；

空孔直徑為120 mm時(shí)，f=93.2538×(lgR)-1.308。

圖5 振頻擬合曲線(最大段起爆藥量為4 kg)

3 結(jié) 論

測試了空孔直眼掏槽產(chǎn)生的爆破振動(dòng)速度及頻率，得出了在既定條件下爆破振動(dòng)速度和頻率在巷道中的傳播規(guī)律。

當(dāng)使用鉆爆法掘進(jìn)巷道時(shí)，可以對振頻相近的某段巷道圍巖做適當(dāng)加固，這樣能減少爆破振動(dòng)引起的共振對圍巖和支架的危害，從而有利于巷道的維護(hù)。

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