露采中深孔爆破震動監測及控制技術研究

王 亮，聞 磊，高海松

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙410012； 3.石家莊鐵道大學， 河北 石家莊 050043；4.長沙市公安局治安管理支隊， 湖南 長沙 410001)

露采中深孔爆破震動監測及控制技術研究

王 亮1，2，聞 磊3，高海松4

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙410012； 3.石家莊鐵道大學， 河北 石家莊 050043；4.長沙市公安局治安管理支隊， 湖南 長沙 410001)

露天采礦中深孔爆破震動是嚴重影響礦山周邊建筑設施和居民正常生活的重要有害因素。根據某銅礦露天采場中深孔爆破實測數據，分析了爆破振動速度與最大段藥量、爆心距之間的關系，結合爆破震動頻率，提出了爆破參數優化方案。將炮孔內起爆順序改為孔上部藥包先起爆，各段間的起爆標準時間間隔提高到110～140 ms，從而改善下部藥包起爆時的自由面狀態，避免相鄰段間地震波在主震上相疊加，實踐證明顯著減小了礦山中深孔爆破的影響范圍，為解決礦山與周邊村民的矛盾提供了新的思路。

中深孔爆破；露天采礦；爆破震動；控制技術

露采礦山中深孔爆破震動控制的主要目的在于選擇合適的爆破方案，不僅使爆破的效果較好，并且引起的地震強度不危及附近建(構)筑物的穩定。近年來隨著資源需求量的增加，越來越多的新建礦山出現在了村莊、城市周邊，礦山與居民的矛盾也成為礦山生存和擴大再生產的瓶頸，礦山爆破震動是影響礦山周邊居民生活的重要因素，爆破測振也隨之成為解決礦山與居民爭端的最主要手段。爆破測振就是通過振動測量，分析一定爆破條件及地層情況下的振動傳播特征與衰減特性，利用適當的數學方法分析振動波形，得出衰減方程。根據爆破測振結果，采取適當的控制措施，達到有效保護建筑物的目的。長期以來，國內外學者通過理論分析和實地測量，采用解析法、有限元法等多種方法，對爆破振動的衰減規律及爆破對地表建構筑物的振動破壞機理進行了大量的研究，并取得了一系列成果[1-14]。目前，對爆破影響判據研究較多，但對爆破影響的控制研究較少，對改進方案的實際驗證不充分。

為研究爆破震動監測及其控制技術，本次測試以某銅礦露天采場中深孔爆破為例，進行了爆破震動影響實測，得出了爆破最大震速、安全距離與最大段藥量的關系，并在考慮震動頻率的影響條件下，提出了針對露采中深孔爆破減小振動危害的技術方案，并對改進的方案進行了進一步實際測量，驗證了改進方案的有效性和可操作性，為解決礦山與周邊村民的矛盾提供了新的思路。

1 礦山原爆破方案監測分析

1.1 礦山原爆破方案簡介

該礦露天采場中深孔爆破工程最初采用每次爆破8個炮孔，每兩孔間用兩發5段毫秒導爆管雷管接力串聯。每個炮孔內，上部藥包用兩發9段毫秒導爆管雷管，孔內下部藥包用兩發8段毫秒導爆管雷管，炮孔孔距為5 m，孔深為14 m。這種起爆網絡時間參數如下：孔內下部藥包與先爆鄰孔的孔內上部藥包起爆延時標準時間間隔為50 ms，本孔的下部藥包與上部藥包起爆延時標準時間間隔為60 ms，孔內上部藥包與后爆鄰孔的孔內下部藥包起爆延時標準時間間隔為50 ms。

1.2 原爆破方案實測數據回歸分析

從爆區到村莊近似等段布置了12個測點，針對原爆破網絡產生的影響進行了兩次實測。第一次爆破裝藥量為1625 kg，最大段藥量為150 kg，第二次爆破裝藥量為2100 kg，最大段藥量為150 kg。現場測試儀器記錄的部分有代表性實測數據見表1。

由于個別數據存在偶然誤差，為了盡可能得到準確的結果，剔除了一些偏差較大的數據。通過matlab曲線擬合工具箱，將測試數據進行線性回歸，得到薩氏回歸曲線，見圖1。

圖1中，一次回歸直線截距b=2.15，斜率k=1.40。經分析可得到，場地條件系數K=142.56，爆破地震波衰減指數α=1.40。爆破振動垂直速度的薩氏公式可表示為：

(1)

根據“爆破安全規程”，結合臨近民房結構特征，取最大安全允許振速為0.5 cm/s[15]。由式(1)可知，當最大安全允許振速一定時，爆破影響范圍與最大段藥量關系緊密。本礦山最大段藥量一般為150 kg，由式(1)可計算得出影響距離為228.2 m。

表1 爆破代表性測試數據

圖1 原爆破方案薩氏回歸曲線與實測數據對比

2 礦山爆破震動控制措施

2.1 礦山爆破方案優化

為了對露采礦山爆破震動進行有效控制，減小礦山爆破的影響范圍，采取優化爆破方案的方法最為直接和有效。爆破地震波應避免相鄰段主震互相干擾疊加，如果每個炮孔孔內是下部藥包先起爆，就會比孔內上部藥包先起爆時炮孔的夾制性更大，爆破地震波的危害作用也更大。在靠近村民民房區域爆破時可考慮改用孔內上部藥包先起爆的起爆網路，避免出現相鄰段地震波相互疊加。

基于上述原則制定的改進爆破方案為：將原來的炮孔內起爆順序改為孔上部藥包先起爆，孔下部藥包后起爆，這樣可改善下部藥包起爆時的自由面狀態，降低起爆夾制性。各段間的起爆標準時間間隔從50～60 ms提高到110～140 ms，這樣即使毫秒雷管存在延期時間的誤差，也可避免相鄰段的地震波在主震上相疊加，有利于降震爆破。

2.2 改進爆破方案實測數據分析

第三次至第五次爆破測試是基于改進方案進行的。第三次爆破裝藥量為2200 kg，最大段藥量為160 kg；第四次爆破裝藥量為1500 kg，最大段藥量為105 kg；第五次爆破裝藥量為1850 kg，最大段藥量150 kg。

采用matlab軟件對改進后爆破網絡震動實測數據進行線性回歸，得到薩氏回歸曲線，見圖2。

圖2 改進爆破方案薩氏回歸曲線與實測數據對比

回歸直線的截距b=2.21，斜率k=1.54。可得，場地條件系數K=163.52，爆破地震波衰減指數α=1.54。爆破振動垂直速度的薩氏公式可表示為：

(2)

該礦山周邊民房以兩層磚混或土坯結構為主，根據半經驗公式(3)，可計算得到該區域民房基本震動周期約為0.121 s，頻率約為8.2 Hz。

T=0.0168(h+1.2)

(3)

式中，T為基本周期，s；h為房屋計算高度，m。

綜合考慮震動頻率的影響，根據振動頻率估算公式(4)，取kf=0.02，cs=3.1×105 cm/s，當f=8.2時，式(4)可簡化為式(5)形式，在此曲線上的民房會與地表震動頻率相等，即產生共振。

(4)

式中，kf為頻率系數，kf=0.0l～0.03；cs為巖石的橫波速度，cm/s；

(5)

按最大安全允許振速0.5 cm/s考慮，將式(1)、式(2)進行簡化，可得到原爆破方案與優化后方案的Q～R關系曲線。兩種爆破方案的Q～R關系曲線及房屋共振影響曲線見圖3。

圖3 原爆破方案與優化后方案的影響范圍對比

由圖3可知，當最大段藥量相同時，改進的爆破方案，爆破地震影響距離明顯減少，且隨著最大段藥量的增加，二者差距逐步增大。當最大段藥量較大時，改進后的爆破方案優勢更明顯。在爆破震動影響范圍內，當爆破距離與爆破最大段藥量符合民房共振影響曲線時，民房會產生共振，破壞將較嚴重。

本例中，最大段藥量一般為150 kg，原爆破方案的影響范圍為301.3 m，改進爆破方案的影響范圍為228.2 m，距離爆破中心11.7 m的房屋會發生共振，破壞將會較嚴重。在最大段藥量相同時，采用改進的爆破方案，可有效減小露采礦山中深孔爆破震動的影響。該礦山民房主要分布在距礦山200～350 m處，原爆破方案會對大部分民房產生影響，改進后的爆破方案可有效減少礦山爆破的影響范圍，爆破方案改進后，僅有極少數民房處于礦山爆破影響范圍之內。

3 結 論

該礦山炮孔內起爆順序改為孔上部藥包先起爆，孔下部藥包后起爆，各段間的起爆標準時間間隔從50～60 ms提高到110～140 ms，可有效減小礦山中深孔爆破的影響范圍。該礦山最大段藥量一般為150 kg，原爆破方案的影響范圍為301.3 m，改進爆破方案的影響范圍為228.2 m，距離爆破中心11.7 m的房屋會發生共振，將發生較嚴重破壞。

礦山爆破工程中，應積極引入新的爆破技術和工藝，改變傳統爆破手段，應通過實際監測，充分驗證新方案的可操作性和有效性，從而有效地控制爆破振動效應。礦山爆破工程產生的爆破振動可能對周邊村民造成影響，導致民事糾紛。應深入研究爆破參數、介質特性等與爆破振動強度、頻率、能量之間的關系，以完善爆破判據。應充分考慮震動頻率的影響，研究爆破地震的能量分布特征[17]，以確定爆破地震與建筑物固有頻率相對應能量的大小，從而優化爆破參數，指導爆破設計。

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2016-11-08)

王 亮(1986-)，男，山東煙臺人，碩士，采礦工程師、一級礦業建造師，主要從事帷幕注漿防治水技術、礦山開采建設安全技術、工程爆破技術與應用研究,Email：164355236@qq.com。