黑岱溝露天煤礦拋擲爆破振動規(guī)律研究

唐曉騫

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300）

對露天礦山大型拋擲爆破來說，危害最大的是爆破引起的地震。爆破地震的主要危害在以下幾個方面：影響到邊坡的穩(wěn)定性、對周圍附近的建筑物的安全性產(chǎn)生影響。在工程實(shí)際應(yīng)用之中，人們經(jīng)常運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行相關(guān)爆破地震大小的計算，不過爆破地震波的影響因素很多，如：巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、爆破地震波傳播介質(zhì)、爆破方案等。爆破振動強(qiáng)度的預(yù)測有2 個主要的目的：一是對爆破振動效應(yīng)的研究，二是對爆破振動災(zāi)害的控制。對于爆破振動規(guī)律的研究問題，各國學(xué)者已經(jīng)取得了顯著的成果，在理論分析與經(jīng)驗(yàn)公式等角度展開了大量的研究，得到了一系列的振動強(qiáng)度衰減規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式[1-5]。

為了提高對衰減規(guī)律研究的精準(zhǔn)度，能夠更好的指導(dǎo)實(shí)際工程項目，在礦山工程中根據(jù)控制爆破地震的需要，很多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。周傳波[6]通過測定數(shù)據(jù)的回歸分析，得出了能描述該礦深孔爆破地震波衰減規(guī)律的表達(dá)式，為該礦預(yù)測生產(chǎn)爆破地震強(qiáng)度和采取降震、減震措施提供了理論依據(jù)；費(fèi)志超[7]根據(jù)工程實(shí)踐和實(shí)測得到的速度峰值，分析了相同地質(zhì)條件下不同爆破震動峰值速度衰減公式的關(guān)聯(lián)，證明了在同一地區(qū)，應(yīng)用不同的衰減公式指導(dǎo)爆破設(shè)計和施工時，會有不同的結(jié)論；殷延軍[8]通過爆破震動測試，研究爆破質(zhì)點(diǎn)峰值震速與主震頻率的關(guān)系，找出適合露天礦爆破安全允許的爆破藥量和安全距離，并指導(dǎo)生產(chǎn)爆破設(shè)計；鄭炳旭[9]對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計回歸分析，歸納出爆破地震頻率的總體規(guī)律。

1 工程概況

黑岱溝露天煤礦使用拋擲爆破技術(shù)在國內(nèi)數(shù)首家，自2007 年3 月，露天煤礦成功進(jìn)行了國內(nèi)首次拋擲爆破，至今已成功實(shí)施了180 多次拋擲爆破，爆破的規(guī)模達(dá)到每次爆破量170 萬m3，消耗炸藥為1 300 t，相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)在國內(nèi)首屈一指，填補(bǔ)了國內(nèi)拋擲爆破技術(shù)空白。拋擲炮區(qū)周圍的南側(cè)為空曠場地；北側(cè)為3#、4#破碎站橋涵；東側(cè)為空曠待開采區(qū)，西側(cè)為煤炭開采區(qū)，有各種生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)施。爆破周圍環(huán)境相對空曠；該區(qū)域?yàn)榍鹆晟絽^(qū)的地質(zhì)地貌，表層為10～40 m 的風(fēng)化土所覆蓋，風(fēng)化土以下是水平產(chǎn)狀厚層砂巖。

2 爆破振動測試系統(tǒng)

考慮到地震波的主振頻率在200 以內(nèi)，并且要滿足GB 6722—2014 國家安全規(guī)程的要求，因此黑岱溝露天煤礦采用的是中科測控研發(fā)的便攜式智能爆破測振儀TC-4850，其相應(yīng)頻率為5～500 Hz，可以在現(xiàn)場直接設(shè)置觸發(fā)電平、記錄精度、采集持時等采集參數(shù)，并且可以通過儀器自帶的液晶顯示屏實(shí)時顯示出振動波形、峰值振速、振動頻率等參數(shù)。因此可以滿足黑岱溝露天煤礦的現(xiàn)場測試要求。TC-4850 爆破測振儀工作原理如圖1。

圖1 爆破振動測試系統(tǒng)工作原理

3 爆破設(shè)計參數(shù)

主要針對2018 年南區(qū)第5 次和第6 次拋擲爆破，孔深46～51 m，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，主要采用現(xiàn)場混裝銨油炸藥?？拙酁?2 m，排間距為6～7 m，因?yàn)槊恳淮伪频目偙慷疾煌?，所以每一次爆破孔?shù)并不是都相同，而是根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計，爆破設(shè)計參數(shù)見表1，采用逐孔起爆技術(shù)，孔間延期時間為9 ms，排間延期時間由前排往后依次為330、330、280、280、220、220、220、220、220、180、180 ms。

表1 爆破設(shè)計參數(shù)

4 黑岱溝露天礦振動規(guī)律

4.1 現(xiàn)場測試方案和振動監(jiān)測數(shù)據(jù)

為記錄爆破振動的全部歷程，達(dá)到監(jiān)測目的，按照測點(diǎn)布置原則，根據(jù)爆破的特點(diǎn)及爆區(qū)實(shí)際地質(zhì)地形條件確定爆破地震測試方案如下：

1）在爆區(qū)北側(cè)布置1 號側(cè)線，并且保證測點(diǎn)在同一臺階上，測點(diǎn)編號為1#、2#、3#、4#。

2）為了分析在有預(yù)裂縫的前提下，爆區(qū)的震動對正后方的震動傳播規(guī)律，在爆區(qū)正后方布置2 號測線，測點(diǎn)編號為5#、6#、7#、8#。

3）為了監(jiān)測爆區(qū)南側(cè)爆破地震波傳播規(guī)律布置3 號測線，從而為處在爆區(qū)南側(cè)的邊坡穩(wěn)定性作出判斷，測點(diǎn)編號為9#、10#、11#、12#。

通過專業(yè)的數(shù)據(jù)軟件處理，可以將時間振動數(shù)據(jù)以曲線的形式展示，拋擲爆破振速監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

4.2 爆破振動規(guī)律

經(jīng)過對表2 中振動數(shù)據(jù)的整理匯總和處理，按薩達(dá)夫斯基速度公式，擬合計算出3 條測線上各個方向上的振速隨比例距離的回歸曲線及衰減公式。

1 號測線、2 號測線、3 號測線方向振動速度衰減擬合回歸曲線對比圖如圖2～圖4。

1 號測線水平徑向振動速度Vx傳播規(guī)律為：

1 號測線水平切向振動速度Vy傳播規(guī)律為：

1 號測線垂向振動速度Vz傳播規(guī)律為：

2 號測線水平徑向振動速度Vx傳播規(guī)律為：

表2 拋擲爆破振速監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖2 1 號測線3 方向振動速度衰減擬合回歸曲線對比圖

2 號測線水平切向振動速度Vy傳播規(guī)律為：

2 號測線垂向振動速度Vz傳播規(guī)律為：

圖3 2 號測線3 方向振動速度衰減擬合回歸曲線對比圖

3 號測線水平徑向振動速度Vx傳播規(guī)律為：

3 號測線水平切向振動速度Vy傳播規(guī)律為：

3 號測線垂向振動速度Vz傳播規(guī)律為：

圖4 3 號測線3 方向振動速度衰減擬合回歸曲線對比圖

上述3 個測線所回歸的規(guī)律，相關(guān)系數(shù)r 均在90%以上。

為對比分析不同爆破場地條件及地震波在不同方向上的傳播規(guī)律，列出3 條測線薩道夫斯基公式中的K，α 值，3 個方向測線3 分量振速衰減回歸K值見表3，3 個方向測線3 分量振速衰減回歸α 值見表4。

表3 3 個方向測線3 分量振速衰減回歸K 值

表4 3 個方向測線3 分量振速衰減回歸α 值

對于同1 條測線的3 方向振速而言，垂直方向的K 值明顯高于水平徑向與水平切向的K 值，這表明3 分量振速中垂直方向上的振速最大。

對于3 個不同的測線方向而言，2 號測線所擬合參數(shù)值的絕對值明顯低于1 號測線和3 號測線所擬合得到α 值的絕對值，這表明爆源后側(cè)的振速的衰減速度要大于爆源兩側(cè)的地震波的衰減速度，說明爆破振動波穿過預(yù)裂爆破帶振動強(qiáng)度減小明顯，預(yù)裂爆破帶起到了重要的減震作用。

4.3 爆破振動主頻分析

根據(jù)表2 爆破振動主振頻率的規(guī)律可知，水平徑向爆破振動峰值振速比較大，主振頻率相對較小，因此本節(jié)有必要對3 條測線上測點(diǎn)的水平徑向爆破振動信號進(jìn)行分析。

根據(jù)地震波在黏彈性介質(zhì)中的傳播理論，孟海利[10]通過量綱理論推導(dǎo)得到爆破振動主頻率可以表示為：

式中：f 為主振頻率，Hz；Q 為總裝藥量，kg；R 為爆心距，m；a1、a2為待定常數(shù)。

為了能夠采用最小二乘法對公式進(jìn)行線性回歸，令：

利用式（1）對3 條測線所測振動主頻進(jìn)行非線性回歸分析，鑒于振動3 方向所獲取的主頻衰減規(guī)律相類似，僅從水平徑向方面研究主頻衰減規(guī)律。

1 號測線水平徑向的主振頻率衰減規(guī)律為：

同樣獲得2 號、3 號測線水平徑向的主振頻率衰減規(guī)律為：

經(jīng)過分析得出當(dāng)測點(diǎn)距離爆源比較近的時候，3個方向的主振頻率差距比較大，其中z 向頻率最大，x 向頻率和y 向頻率數(shù)值比較接近；隨著測點(diǎn)與爆源距離變大，3 個方向的主振頻率趨于相同。

對于同一條測線上的數(shù)據(jù)，隨著測點(diǎn)距離爆源的距離增大，各個方向的主振頻率有減小的趨勢。

振動主頻分析：黑岱溝露天煤礦爆破振動的主頻在3～30 Hz，在振動主頻的衰減趨勢上，隨著爆心距的增大，主震頻率有衰減的趨勢。

由3 條測線振動主頻與藥量、距離的關(guān)系得出隨著單段藥量增加，拋擲爆破振動的主振頻率有往低頻發(fā)展的趨勢，由于爆區(qū)附近建筑物主頻較低，因此在爆區(qū)距離建筑較近時應(yīng)采取措施，避免爆破主頻與建筑物主頻相近，如可采取減少單段起爆藥量等方式。

5 結(jié)語

1）黑岱溝露天煤礦爆破時，質(zhì)點(diǎn)3 方向的峰值振速有如下規(guī)律：水平徑向X 方向的振速比水平切向Y 方向與垂直方向Z 方向的振速大。且3 方向峰值振速和爆心距成反比，和單段最大藥量成正比。

2）根據(jù)薩道夫公式對爆破振動數(shù)據(jù)擬合回歸，得到3 條測線爆破振動速度預(yù)測公式。

3）黑岱溝露天煤礦南區(qū)爆破振動主頻在3～30 Hz，在振動主頻的衰減趨勢上，隨著爆心距的增大，主震頻率有衰減的趨勢，并得到爆破振動水平方向主振頻率預(yù)測公式。