露天礦山爆破振動控制技術的綜合評價

董英健 于研寧 郭連軍 徐振洋 賈建軍 郭航伸 包 松

（1.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧鞍山114051；2.鞍鋼礦業爆破有限公司，遼寧鞍山114046）

爆破振動是施工過程中必然產生的自然現象，影響著礦山的生產安全，一直視為露天礦山首要解決的災害[1-3]。如何控制爆破振動強度在安全范圍之內是目前面臨的一個主要難點問題。雷明等[4]基于爆破振動峰值速度理論分析了地下礦爆破振動產生的沖擊波對周圍巖層的影響范圍，進而對地下巷道穩定性做出了評價。張家斌等[5]利用統計學方法建立了東川嶺礦的爆破振動傳播模型，在保證爆破效果條件下降低炸藥量的減振措施。李宇星等[6]從爆破振動的頻率和速度角度出發，基于地震波傳播理論對爆區周圍房屋穩定性展開了評估。占城[7]等將現場監測與數值模擬綜合對建筑物的動態響應特征，為建筑物安全穩定性提供預測。辛紅園等[8]利用ansys分析軟件對爆區鄰近的輸電塔展開了數值模擬，保證了其安全性。文獻[9-10]從巖石結構的角度出發，建立振動傳播與巖石結構的內在聯系，提出了巖石性質對爆破振動的影響。結合國內外學者的研究成果，本研究以某礦山工程為依托，利用現場試驗、數值模擬等手段從爆破振動速度、加速度振級角度對控制爆破振動技術的可行性做出評價。

1 工程概況

關寶山礦位于鞍山市高新區千山鎮，隸屬于鞍鋼礦業有限公司。在關寶山采場西區的西南側，坐落有山印子村，該村現有居民270戶，距采場邊界均超過100 m。結合地質條件，基于爆破地震波傳播理論，在離爆區幾何中心15 m的位置分別布置單排減振孔、雙排減振孔。初步設計減振孔孔徑為250 mm，孔間、排間距均為2 m，配合使用2號巖石乳化炸藥，采用徑向不耦合裝藥結構及逐孔微差起爆方式。為了驗證方案的減振效果，分別對無減振孔、單排減振孔、雙排減振孔條件下爆破振動強度的監測以及對減振孔的布置形式、數目等展開了定量分析。

2 現場測試

結合上述的提出的減振方案，在-96 m臺階分別對無減振孔、單排減振孔、雙排減振孔條件下展開振動速度、加速度振級監測，在單排減振孔方案中，共布置16個減振孔，其中減振孔與爆破區域幾何中心為15 m，按射線位置布置4個測點，每個測點之間的間距為10 m。而雙排孔減振方案中，初步設計為32個減振孔，前排減振孔距離爆破區域幾何中心仍為15 m，同樣也布置4個測點，每個測點之間的間距仍為10 m。減振方案空孔布置如圖1所示。

3 結果分析

3.1 爆破振動速度的對比分析

本次臺階爆破振動測試采用TC-4850振動監測儀。-96 m水平臺階深孔爆破時，在該臺階共布置4臺儀器，儀器擺放位置由上述圖1所示，進行爆破信號收集。對單排減振孔、雙排減振孔、無減振孔試驗的監測數據整理，由于本次監測數據較多，僅列舉出部分數據，統計數據結果如表1所示。

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結合表1監測的數據，為了直觀地分析振動峰值速度的變化規律，易于比較上述提出的減振方案的優越性，繪制測點在單排減振孔、雙排減振孔、無減振孔條件下峰值速度變化曲線，如圖2～圖3所示，以及對比3種方案下的降振率，確定降低爆破振動對周圍介質的最優措施。

本次測振共展開10次，測振地點位于-96 m水平臺階上。由表1可得：當在-96 m水平臺階上沒有布置減振孔時，其中監測的最大峰值速度的達到8.65 cm/s，位于測點1處；即使監測中峰值速度最小值也達到了5.10 cm/s，位于測點4處。總體振動效應較大。

在距離爆區15 m處布置單排空孔時，監測的水平徑向、水平切向、垂直方向振動峰值速度均有不同程度的減小。測點1、測點2、測點3、測點4的最大振動峰值速度分別為 5.21 cm/s、4.87 cm/s、3.12 cm/s、2.56 cm/s，相對于無減振孔試驗來說，振動峰值速度降低了39.7%、33.6%、56.1%、49.8%，可見降振效果較為明顯。

針對布置的雙排孔方案，在距離爆區15 m的位置處布置兩排空孔，在后排空孔外布置4個測點，結合圖3可以得出，相對于單排減振孔來說，雙排減振孔的降振效果更加明顯。距離爆區15 m的雙排減振孔后方監測的峰值速度最大為3.14 cm/s，位于測點1位置，相當于單排減振孔同位置的0.62倍。另外相對于無減振孔方案測點1、測點2、測點3、測點4位置的降振率分別為63.7%、63.4%、71.4%、61.8%，近似于單排減振孔的試驗方案的2倍。由圖2～圖3可得出爆破振動峰值速度：無減振孔＞單排減振孔＞雙排減振孔，而降振率：雙排減振孔＞單排減振孔。因此，在距離爆區15 m處布置雙排空孔降振效果最佳，該結論可為現場施工提供指導意見。

3.2 爆破振動加速度振級的對比分析

本次臺階爆破振動測試采用杭州愛華儀器有限公司研究開發的振動加速度監測儀。-96 m水平臺階深孔爆破時，在該臺階共布置4臺儀器，儀器擺放位置由圖1所示，進行爆破振動加速度信號收集，結果見表2。測試前，先將加速度傳感器固定于基巖上，然后將傳感器接頭連接完畢后，最后開啟電源，儀器進入工作狀態；測試后，將儀器簡單擦拭，并按照要求放入工具箱。

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結合表2可以得出，相對于單排減振孔來說，雙排減振孔的降振效果更加明顯。距離爆區15 m的雙排減振孔后方監測的加速度振級最大為65 dB，位于測點1位置，相當于無減振孔同位置的0.59倍、單排減振孔同位置的0.68倍。另外相對于無減振孔方案測點1、測點2、測點3、測點4位置的加速度振級降振率分別為40.9%、49.1%、58.2%、60%，近似于單排減振孔的試驗方案的2～3倍。綜上可得出加速度振級降振率：雙排減振孔＞單排減振孔。因此，在距離爆區15m處布置雙排空孔降振效果最佳，與所監測的振動峰值速度相吻合。

4 不同減振孔形式對爆破振動的數值模擬分析

4.1 數值模型的建立

選取某一部位設為研究區域，考慮到中深孔爆破的實際特征，采用三維計算模型，共計劃分約22 900個單元，231 000個節點，因減振孔布置形式不同，各計算模型單元與節點數略有差異。數值計算模型單元劃分及幾何形狀如圖4、圖5所示。記錄爆破振動速度的測線位于模型中間位置。模型總長100 m，高16 m，寬42 m。中深孔布置于模型的一側，孔徑150 mm，呈6 m×6 m方形布置，共計32個炮孔。減振孔位于炮孔前端，呈2 m×2 m梅花型布置。屈服準則選取mohr模型，均質力學參數為彈性模量35 GPa，泊松比0.22，黏聚力1.05 MPa，內摩擦角45°，抗拉強度0.5 MPa。

4.2 動力計算參數

（1）阻尼的選取。由于巖體的運動是不可逆的過程，要避免系統在平衡位置來回振蕩，就要采用加阻尼的辦法來耗散系統在振動過程中產生的動能。因而在動力分析時，需要確定阻尼形式和大小。FLAC動力計算中主要采用了2種形式的阻尼，即瑞利阻尼（Rayleigh Damping）和局部阻尼（Local Damping）[11-12]。局部阻尼FLAC在靜力計算中采用的阻尼方法，在振動中通過在節點上增加或者減少質量的方法達到收斂，但系統保持質量守恒[13]。本文選用局部阻尼，選取目前巖土動力分析中的典型值5%，從而求得局部阻尼為0.157 1。

（2）邊界條件。在動力計算中，波傳播到模型邊界會產生反射，這勢必會影響計算的結果。理論上，模型邊界選取的越大越好，但過大的模型會引起巨大的計算負擔，影響效率，可操作性差。因而在FLAC中提供靜態邊界和自由場邊界來解決這個問題。靜態邊界通過施加法向和切向的粘壺來吸收來自模型內部的入射波，對于入射角＞30°入射波可以完全吸收，此范圍外的波也具有一定的吸收能力。本模型的研究對象為爆破載荷，來自模型的內部，范圍有限。如果模型的范圍足夠大，選用靜態邊界可以達到計算的精度要求。

4.3 炮孔壁壓力計算模型

三角形荷載形式需要確定兩大要素：爆破荷載峰值、爆破荷載升壓時間和作用時間。確定爆破荷載峰值，即確定作用在炮孔壁上的爆生氣體峰值壓力。在C-J爆轟條件下，炸藥的平均爆轟壓力為

式中，PD為炸藥爆轟平均初始壓力；ρe為炸藥密度；D為炸藥爆轟速度，γ為與凝聚態炸藥性質和裝藥密度相關的常數，近似取值2～3，本文取3。

空氣沖擊波后是爆轟產物撞擊炮孔壁，孔壁受到的壓力明顯增大，增大系數為n=8～11，本文取n=9。對于不耦合系數較小的柱狀藥包，此時炮孔壁上沖擊波峰值壓力為

式中，Pb為作用在炮孔壁上的峰值沖擊壓力；re為藥柱半徑；rb為炮孔半徑；le裝藥長度；lb分別為炮孔長度。

式中，σr為徑向應力；b=μd/(1-μd)；μd為動態泊松比，可以近似取靜態泊松比的0.8倍。如果σi超過巖石的動態抗壓強度σcd，則巖石將粉碎破壞。

4.4 無減振孔模型與減振孔模型的對比分析

在本次數值模型中，通過直徑250 mm的null單元模擬減振孔，參照巖石松動圈理論，對減振孔周邊1倍直徑范圍的巖體單元進行弱化，弱化后單元體力學參數為彈性模量1.5 GPa，泊松比0.22，黏聚力0.35 MPa，抗拉強度0.23 MPa，內摩擦角35°。

圖6為無減振孔條件下的速率云圖。圖7為減振孔條件下的速率云圖，Ljz=9.0 m，布置18個減振孔（指第一排減振孔），減振孔深等于炮孔深14 m。可以看出，由于減振孔的存在，減振孔周邊的介質與周邊原巖介質間存在較為明顯的力學性能差異。振動波傳播至減振孔部位后，受到明顯的干擾，振動波于減振孔范圍振蕩，爆破產生的振動效應受限于減振孔與炮孔之間，減振孔對于振動沿x正方向傳播產生了較為明顯的阻斷作用。

4.5 不同減振孔布置形式對振動波傳播規律的影響

為了深入研究減振孔直徑Djz，孔深Hjz，數目Njz等因素對爆破振動波傳播的影響程度，本文引入無量綱影響系數K展開定量表述。K表示無減振爆破條件下測線上某點的z向振動速度與減振孔存在的條件下同點z向振動速度的比值。如圖8所示，Va30表示無減振孔條件下測線距第1排炮孔30 m處的z向振速，Vb30表示有減振孔條件下同一點的z向振速，則K=Va30/Vb30。K值越大，表示減振孔的存在對振動波衰減的影響越明顯。在圖8中，K取值按距離30、35、40 m依次為1.56、2.14和1.787。

（1）減振孔數目對振動波傳播規律的影響。圖9為Djz=32 cm和Hjz=14 m條件下減振孔數目（半側）為12，14和18時對振動波傳播規律的影響程度，可見，在30 m、35 m和40m條件下，K值最大相差為7%，差異不影響，這主要由于減振孔對振動波的阻斷作用和兩側的吸收邊界所致。可見減振孔數目對振動波的影響不顯著。

（2）減振孔孔深對振動波傳播規律的影響。圖10為Djz=32 cm和Njz=18條件下，Hjz=6～14 m，步距2 m時，減振孔孔深對振動波傳播規律的影響程度，可見，在30 m、35 m和40 m條件下，K值在Hjz＞10 m時較大，此后，K值明顯減小。這主要由于減振孔孔底為完整巖體，孔深減小意味著減振孔對炮孔裝藥斷的影響變弱，有利于振動波的傳播。可見，K值受減振孔孔深的影響較為明顯。

（3）減振孔孔徑對振動波傳播規律的影響。圖11為Njz=18，Hjz=14 m條件時，Djz=22～32 cm，步距2 m時，減振孔孔徑對振動波傳播規律的影響程度。可見，在30 m、35 m和40 m條件下Djz=30 cm時，K=1.4左右，表明此時減振孔對振動仍存在一定的影響。此后，當減振孔直徑降至22 cm時，K=1.0左右，表明此時減振孔對爆破振動波基本上無任何影響。減振孔的作用范圍由null單元和松動圈弱化單元2部分構成，其影響區域與減振孔半徑的平方呈正比關系。若減振孔過小，則減振孔存在的矩形區域內的大多數單元與周邊巖體介質單元力學性質相同，這對于沿節點傳播的運動速度，不易產生影響。

5 結 論

（1）相對于無減振孔試驗，單排減振孔振動峰值速度最大降低可達到56.1%；而雙排孔方案振動峰值速度接近于單排減振孔同位置的0.62倍，最大降振率達到71.4%，雙排減振孔的降振效果更加明顯。

（2）針對雙排減振孔布置方案，監測的加速度振級近似于無減振孔同位置的0.59倍、單排減振孔同位置的0.68倍，且最大降振率可達到單排減振孔的3倍，降振效果顯著。

（3）減振孔的存在導致了減振孔周邊的介質與原巖介質間力學性質發生較大的差異，減振孔的存在對于振動傳播產生了較為明顯的阻斷作用。

（4）減振孔布設在20個以上后，數目再持續增加，對減振孔后區域內的減振效果不明顯；減振效果受減振孔的直徑影響顯著，當減振孔直徑降至24 cm以下時且減振孔深小于10 m時，不易取得明顯的減振效果；