大型爆破作業(yè)所引起的振動(dòng)研究

嚴(yán)爾炳，王 彬

（云南旅游職業(yè)學(xué)院，云南昆明650221）

1 爆破作業(yè)工程簡況

1.1 工程簡況

大紅山礦區(qū)位于新平縣城西約50km的嘎灑鎮(zhèn)轄地內(nèi)。大紅山礦自開采以來，采空區(qū)不斷擴(kuò)大，地壓危害也在不斷加大。為確保安全生產(chǎn)，盡量減小地壓活動(dòng)可能帶來的災(zāi)害損失，通過強(qiáng)制崩落主采區(qū)空區(qū)頂板正上方巖土層，消除地壓隱患。強(qiáng)制崩落采取硐室爆破方式進(jìn)行。硐室按照與采空冒落區(qū)遠(yuǎn)近分別布置在采空冒落區(qū)的側(cè)方、側(cè)上方、上方進(jìn)行布置。也就是在距采空冒落區(qū)最近的標(biāo)高（1070標(biāo)高）硐室位置布置在采空冒落區(qū)的一側(cè)；中段標(biāo)高（1090標(biāo)高）硐室布置在采空冒落區(qū)的側(cè)上方；上層標(biāo)高（1115標(biāo)高）的硐室布置在采空冒落區(qū)的上方。相對應(yīng)地將爆區(qū)分為3個(gè)大區(qū)：1070標(biāo)高1、2、3、4號(hào)硐室為第一個(gè)大區(qū)；1090標(biāo)高5、6、7、8號(hào)硐室為第二個(gè)大區(qū)；1115標(biāo)高9、10、11、12號(hào)硐室為第三個(gè)大區(qū)。

1.2 作業(yè)區(qū)的地質(zhì)概況

新平大紅山礦業(yè)有限公司鐵礦位于新平縣境西部，哀牢山脈中段。紅河上游的戛灑江自東北向西南穿境而過。區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，河谷深切，山脊寬緩,山坡陡峻。地勢呈東北高西南低,相對高差2000多米。屬中高山侵蝕構(gòu)造峽谷區(qū)。山坡上常見坡面侵蝕形成的細(xì)溝、切溝,溝谷。測試區(qū)域出露的地層分基底和蓋層兩套地層。蓋層為上三疊統(tǒng)干海子組（T3g）及舍資組(T3s)，以陸相為主的海陸交互相砂頁巖建造，廣范分布于礦區(qū)四周山嶺地區(qū)。基底為早元古代大紅山群(PtD)，系富含鐵、銅的淺—中等變質(zhì)程度的鈉質(zhì)火山巖系，屬古海底火山噴發(fā)—沉積變質(zhì)巖系(是區(qū)內(nèi)鐵銅含礦地層)。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，形成時(shí)間早，由一系列褶皺及斷裂組成。此次振動(dòng)觀測區(qū)包括大紅山礦山采空區(qū)上方地表及其附近地區(qū)、以及礦山現(xiàn)在使用的地下巷道。礦山在用井巷距爆點(diǎn)最近有300多米。礦區(qū)離爆點(diǎn)最近的地表建筑設(shè)施——漣邵集團(tuán)項(xiàng)目部，其爆源距約790m。

2 爆破設(shè)計(jì)簡況

硐室設(shè)計(jì)與裝藥量。根據(jù)硐室所在巷道高程，將爆區(qū)分為3個(gè)大區(qū)。1070標(biāo)高1、2、3、4號(hào)硐室為第一個(gè)大區(qū)；1090標(biāo)高5、6、7、8號(hào)硐室為第二個(gè)大區(qū)；1115標(biāo)高9、10、11、12號(hào)硐室為第三個(gè)大區(qū)。爆區(qū)的硐室設(shè)計(jì)見圖1（1090標(biāo)高及1115標(biāo)高硐室圖類同，尺寸略有差別）。

圖1 1070標(biāo)高硐室平面布

本次爆破使用膨化硝銨炸藥。炸藥為袋裝炸藥30kg/袋，實(shí)際使用總炸藥量238t，最大一段起爆量60t。

本次硐室爆破電雷管用于擊發(fā)傳爆導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索引爆各硐室非電導(dǎo)爆管雷管。3個(gè)爆區(qū)內(nèi)用導(dǎo)爆管雷管起爆各硐室，每個(gè)硐室設(shè)2套獨(dú)立導(dǎo)爆管雷管起爆系統(tǒng)，各硐室段別延期時(shí)間介于0～490ms。

3 振動(dòng)測試的方法及布點(diǎn)

本次主要測試采礦地下巷道、地表重要建筑設(shè)施以及爆破塌落區(qū)周邊地面在主采空區(qū)強(qiáng)制爆破落頂作業(yè)時(shí)的爆破及其巖體塌落所產(chǎn)生的振動(dòng)作用下的實(shí)際影響程度。其中，測點(diǎn)A1-A5布設(shè)在爆源區(qū)西南山坡地面，為地面振動(dòng)衰減觀測測線；測點(diǎn)B1-B5布設(shè)在爆源區(qū)東北山坡下坡段地面，亦為地面振動(dòng)衰減觀測測線；測點(diǎn)C1-C15為礦區(qū)地下巷道振動(dòng)觀測點(diǎn)；測點(diǎn)D1-D11為礦業(yè)公司重要建筑及設(shè)施振動(dòng)觀測點(diǎn)。見圖2。

圖2 部分測點(diǎn)場地布置圖

4 振動(dòng)測試觀測結(jié)果

對主采空區(qū)強(qiáng)制爆破落頂作業(yè)中的大爆破及其產(chǎn)生的巖體塌落在地面及地下采礦巷道形成的振動(dòng)所進(jìn)行的觀測，共獲取地下巷道15個(gè)測點(diǎn)、自然地表10個(gè)測點(diǎn)以及地表重要建筑設(shè)施11個(gè)測點(diǎn)共計(jì)36個(gè)測點(diǎn)、140道振動(dòng)加速度時(shí)程記錄。其中，爆破振動(dòng)記錄104道，巖體塌落振動(dòng)記錄36道。加速度記錄經(jīng)一次積分可得到地面振動(dòng)的速度時(shí)程。表1列出了重要建筑設(shè)施振測點(diǎn)的地面振動(dòng)參數(shù)。

5 振動(dòng)觀測結(jié)果的分析研究

5.1 爆破振動(dòng)特征

本次強(qiáng)制爆破落頂作業(yè)中，爆破及其4min34s后出現(xiàn)的巖體塌落，均在地面及地下采礦巷道產(chǎn)生的振動(dòng)影響。從記錄波形來看，爆破振動(dòng)及巖體塌落振動(dòng)具有如下一些特征：

（1）振幅特征。爆破振動(dòng)及巖體塌落振動(dòng)兩者的振幅均具強(qiáng)脈沖的形式；對爆破而言，測點(diǎn)的大多記錄，次大峰值多次出現(xiàn)，而對巖體塌落，則未見了這一特征。這與起爆方式、巖體塌落狀態(tài)直接相關(guān)。

（2）頻率特征。不論是爆破振動(dòng)，還是巖體塌落振動(dòng)，振動(dòng)頻率以中低頻成分為主。其中，爆破振動(dòng)主頻，集中在2～10Hz之間,巖體塌落振動(dòng)主頻集中在4～19Hz之間。而井下巷道內(nèi)的振動(dòng)頻率大多在2～5Hz間。總體上看，巖體塌落產(chǎn)生的振動(dòng)主頻要高于同不測點(diǎn)處爆破振動(dòng)的主頻。地下巷道內(nèi)的振動(dòng)主頻總體低于地表測點(diǎn)記錄到的振動(dòng)主頻。

（3）振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間隨距離遠(yuǎn)近，呈現(xiàn)出差異。從震源距最近的約300m到最遠(yuǎn)的2130m,其有效振動(dòng)持時(shí)約從1s延續(xù)到6s不等。另一特征是，相對于地面記錄而言，井下巷道內(nèi)記錄的振動(dòng)有效持時(shí)均要短一些。另外，在震源距相對遠(yuǎn)處，一些面波震相會(huì)出現(xiàn)，也會(huì)使有效振動(dòng)持時(shí)變長。

表1 重要建筑設(shè)施振動(dòng)測試數(shù)據(jù)（若測點(diǎn)有2條記錄，則上為爆破、下為塌落）

5.2 振動(dòng)強(qiáng)度分布

從測試資料可以看出，此次強(qiáng)制爆破落頂作業(yè)中的爆破及其巖體塌落，記錄到的最大幾個(gè)峰值加速度分別出現(xiàn)在震源距相對最小的爆源區(qū)東北地表衰減測線及爆源區(qū)西南地表衰減測線的測點(diǎn)上。其中爆源區(qū)西南測點(diǎn)A1，爆破產(chǎn)生的切向、徑向、垂直向的峰值加速度分別是 215.2cm/s2、331.7cm/s2和 335.2cm/s2，對應(yīng)的速度值依次是2.86cm/s、7.08cm/和4.67cm/s。巖體塌落產(chǎn)生的切向、徑向、垂直向的峰值加速度分別是50.1cm/s2、53.6cm/s2和 46.0cm/s2，對應(yīng)的速度值依次是0.63cm/s、0.48cm/和0.60cm/s。爆源區(qū)東北測點(diǎn)B1，爆破產(chǎn)生的切向、徑向、垂直向的峰值加速度分別是 269.0cm/s2、212.7cm/s2和 233.9cm/s2，對應(yīng)的速度值依次是4.03cm/s、4.33cm/s和3.51cm/s。巖體塌落產(chǎn)生的切向、徑向、垂直向的峰值加速度分別是487.6cm/s2、171.9cm/s2和 190.9cm/s2，對應(yīng)的速度值依次是2.59cm/s、1.35cm/s和1.08cm/s。而爆源區(qū)西南地表衰減測線的震源距最大的測點(diǎn)A5，其記錄到的切向、徑向、垂直向的峰值加速度分別只有9.2cm/s2、12.2cm/s2和11.0cm/s2，對應(yīng)的速度值依次只有0.36cm/s、0.50cm/s和0.51cm/s。爆源區(qū)東北地表衰減測線的震源距最大的測點(diǎn)B5，其切向、徑向、垂直向的峰值加速度分別是1.2cm/s2、4.9cm/s2和3.8cm/s2，對應(yīng)的速度值依次是0.02cm/s、0.06cm/s和0.06cm/s。總體上，不論是爆破振動(dòng)，還是巖體塌落振動(dòng)，隨著震源距的變大，其幅值變小。其中，位于測點(diǎn)B1的巖體塌落振動(dòng)幅值要大于測點(diǎn)A1的巖體塌落振動(dòng)幅值；而測點(diǎn)A1的爆破振動(dòng)幅值要大于測點(diǎn)B1的爆破振動(dòng)幅值。從測試資料中還知，測點(diǎn)A1比測點(diǎn)B1的高程要低約80m，這與主采空區(qū)冒落高差大直接相關(guān)。

而井下巷道，記錄到的最大峰值加速度為19.0cm/s2，出現(xiàn)在巷道380段區(qū)測點(diǎn)C3上，為巖體塌落引起的振動(dòng)；巷道內(nèi)其余測點(diǎn)的峰值加速度大多在10cm/s2以下。最大速度為0.27cm/s，出現(xiàn)在巷道400段區(qū)測點(diǎn)C5上，為爆破所產(chǎn)生。

地表重要建筑設(shè)施測點(diǎn)記錄到的最大峰值加速度為30.3cm/s2，最大速度為1.32cm/s，均出現(xiàn)在油庫測點(diǎn)D2上。其余測點(diǎn)的峰值加速度大多在15cm/s2以下。

6 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)研究，布置硐室三標(biāo)高，每標(biāo)高4個(gè)硐室，共12個(gè)硐室，總裝藥量達(dá)238t。起爆共分7個(gè)段別，總延時(shí)490ms。振動(dòng)研究來看，爆破振動(dòng)及巖體塌落振動(dòng)兩者的振幅均具強(qiáng)脈沖的形式；對爆破而言，測點(diǎn)的記錄，次大峰值多次出現(xiàn)，而對巖體塌落，則未見了這一特征。頻率不論是爆破振動(dòng)，還是巖體塌落振動(dòng)，振動(dòng)頻率以中低頻成分為主。振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間隨距離遠(yuǎn)近，呈現(xiàn)出差異，另一特征是，相對于地面記錄而言，井下巷道內(nèi)記錄的振動(dòng)有效持時(shí)均要短一些。就振動(dòng)強(qiáng)度來看，不論是地面、還是地下巷道，測點(diǎn)振動(dòng)的加速度峰值總體上是隨震源距的加大而逐漸變小。