新疆金寶鐵礦露天爆破振動速度安全允許值研究

黃 磊 何 祥

(1.新疆金寶礦業有限責任公司，新疆 阿勒泰 836199；2.中冶北方(大連)工程技術有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

爆破地震效應是一個比較復雜的問題，它受到多種因素的影響，如果爆破作業控制不當，爆破振動將給邊坡安全帶來隱患[1]。金寶鐵礦日常臺階深孔爆破采用逐孔起爆爆破、靠幫爆破采用預裂爆破，采場周邊具有一定的振感。礦山的巖體以新鮮巖石為主，南幫局部區域存在風化帶，巖體普遍發育陡傾順層節理和軟弱夾層，研究爆破振動對邊坡影響非常重要。

為保證礦山的正常生產，減少爆破振動對邊坡的損傷破壞，對金寶鐵礦露天開采爆破振動進行監測分析。首先，對金寶鐵礦進行多次多爆破振動監測，采集有效爆破振動數據；其次，采用薩道夫斯基經驗公式法和美國礦務局公式分別建立了爆破峰值振動速度預測模型；第三，基于回歸的爆破峰值振動速度預測模型，依據《爆破安全規程》(GB 6722-2014)和工程類比等手段，綜合確定爆破振動速度安全允許值；最后，給出降低或控制爆破振動危害的具體建議。

造成爆破地震破壞的主要原因是面波的作用，因波的傳播途徑和延遲時間的不同，導致波群的相互干擾和重疊。因此，在實測得到的爆破地震波形圖中，往往也不加區分。實踐中將波形圖的初始階段稱為初振相，中間振幅較大的一段稱為主振相，后面一段稱為余振相，見圖1。表示質點振動的參量有位移、速度、加速度和頻率[2]。

圖1 爆破振動波形

1 金寶鐵礦爆破振動測試

1.1 金寶鐵礦爆破設計

金寶鐵礦爆破作業采用深孔臺階爆破，采用高精度逐孔起爆網絡，其中靠幫爆破采用預裂爆破。臺階高度12.0 m，臺階坡面角68°，穿孔作業采用潛孔鉆機作業，梅花形布孔，邊坡孔直徑110 mm，主爆區炮孔直徑140 mm或150 mm。主爆區爆坡臺階坡面角75°，臺階高度12.0 m。巖石爆破孔網參數6.5 m×5.5 m或5.5 m×4.5 m，礦石爆破孔網參數4.5 m×3.5 m。邊坡預裂爆破孔孔距為1.2 m，其輔助孔孔網參數3.0 m×3.0 m。超深1.5～2.0 m，預裂孔藥包直徑32 mm，堵塞長度3.0 m，最小抵抗線5.0 m。生產爆破采用現場混裝如花炸藥，靠幫爆破采用如花炸藥成品。生產爆破網絡示意圖，見圖2。

圖2 金寶鐵礦爆破布孔示意圖

1.2 爆破振動監測方法

爆破振動測試系統一般包括拾震器(速度傳感器)、轉換器、放大器、數據處理器、記錄儀等設備,見圖3。爆破振動測試采用NUBOX-8016型智能振動測試儀，可同時對爆破振動的X、Y和Z三個方向的振速進行測試。

圖3 爆破振動測試系統示意圖

根據爆破點的位置、測試點的布置原則以及現場條件，分別對北幫和南幫進行了測試。將測點布置在臺階的內側或外側，垂直于邊坡走向方向，傳感器的安放應保持傳感器金屬外殼底面處于水平，安裝時需要將傳感器的X方向對準爆心[3]。爆破前將爆破振動測試系統安裝至監測點，戴爆破結束后取回設備采集監測數據進行下一步分析。

1.3 爆破振動測試結果

爆破振動監測的主要指標為質點振動速度和主振頻率。本次測點布置在金寶鐵礦的爆破水平質點振動速度分別在0.235～4.584 cm/s，振動主頻分布在16.2 Hz左右；爆破垂直質點振動速度在0.222～2.956 cm/s，振動主頻15.8 Hz左右；質點矢量和速度主要分布在0.259～5.025 cm/s，主頻9.97 Hz。

長期以來薩道夫斯基公式在我國露天爆破峰值振動速度預測方面得到了廣泛應用，對于一般礦山該式能較好的擬合爆破峰值振動速度預測/模型。但一些條件下，露天爆破采用美國礦務局的經驗公式也可獲得較好的擬合，為業界接受[2]，兩者公式如下，公式(1)為薩道夫斯基公式，公式(2)為美國礦務局的經驗公式。

(1)

(2)

式中：R—爆破振動安全允許距離，m ；Q—炸藥量，齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg；V—保護對象所在地安全允許質點振速，cm/s；k，α—與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，通過現場試驗確定。

上述測試結果中，Q、R、V均為已知量，k、α值為待求取量，其取值需通過擬合方式確定。采用美國礦務局經驗公式和薩道夫斯基公式，基于統計分析軟件進行邊坡爆破測振實測數據進行擬合，獲取爆破峰值振動速度與比例藥量之間的關系見圖4、圖5，得到邊坡爆破振動峰值速度模型X，Y，Z與矢量和預測模型k、α值,見表1。

圖4 美國礦務局經驗公式擬合(取對爆破振動影響較大的k，α值)

圖5 薩道夫斯基公式擬合(取對爆破振動影響較大的k，α值)

表1 金寶鐵礦爆破峰值振動速度預測模型k、α值取值

薩道夫斯基公式擬合結果與經驗值差異較大，這可能是由于礦區巖層呈陡傾順層結構，層理、斷層等軟弱面較多，爆破震動波在傳播過程發生反射，衰減較大造成。美國礦務局經驗公式中藥量對爆破震動影響要大于薩道夫斯基公式，因此擬合結果相關性較高，地形、地質條件系數和衰減系數《爆破安全規程》(GB6722-2014)中相關經驗數值較為吻合，建議采用該公式。

2 爆破振動速度安全允許值

2.1 工程類比法

金寶鐵礦北幫節理發育，巖石風化程度一般，除裂縫區外，邊坡穩定性較好，巖體允許峰值質點振動速度可參考袁家村鐵礦爆破振動速度安全允許值，取16.95 cm/s；金寶鐵礦南幫上部受褶皺、斷層和風化影響局部區域邊坡穩定性較差，建議參考朱家包包鐵礦爆破振動速度安全允許值，取8.00 cm/s，見表2。

表2 我國露天礦山巖質邊坡爆破振動速度安全允許值

2.2 爆破安全規程法

《爆破安全規程》(GB6722-2014)中規定了保護對象為“永久性巖石高邊坡”的安全允許質點振動速度，見表3。本次爆破振動測試測得的東北幫、西幫和南幫質點振動速度在X，Y，Z三個方向上主頻分布范圍為10～16 Hz。由表3可知，金寶鐵礦邊坡安全允許質點振動速度為8.0～12.0 cm/s。

表3 永久性巖石高邊坡安全允許質點振動速度

綜上所述，得到金寶鐵礦邊坡質點安全允許振動速度，見表4。

表4 爆破振動速度安全允許值 (cm·s-1)

3 靠幫爆破建議

目前金寶鐵礦采用逐孔起爆和預裂爆破工藝減小對邊坡損傷與擾動，依據本次邊坡爆破振動測試與分析，對金寶鐵礦的爆破提出以下降振措施的建議：

1)控制臨近邊坡生產爆破的最大同段藥量。利用表1確定的金寶鐵礦邊坡爆破峰值振動速度預測模型和表4確定的金寶鐵礦爆破振動速度安全允許值，計算臨近邊坡生產爆破的最大同段藥量，進而指導爆破設計與施工。

2)金寶鐵礦邊坡結構面多為順層陡傾結構面，爆破的主拋擲方向平行于邊坡結構面傾向時，爆破效果不如爆破的主拋擲方向平行于最終邊坡走向[4]。因此，合理地確定采場采剝順序，盡可能調整靠近最終邊坡時爆破的主拋擲方向，使其平行于最終邊坡的走向，降低爆破振動對邊坡的累積損傷程度。

3) 繼續做好靠幫預裂爆破工作。根據相鄰礦山成功經驗[5]，靠幫爆破預裂孔采用間隔不耦合裝藥，預裂孔線裝藥米度平均0.7 kg/m，底部1.5 m加強裝藥1.8 kg/m；在軟弱破碎帶設置緩沖孔減小主爆孔的影響。

4 結語

1)對現場爆破振動數據采集、分析和采用經驗公式回歸得到金寶鐵礦爆破質點峰值振動速度預測模型，采用美國礦務局經驗公式對爆破振動擬合結果較為適合該礦特征。

2)分別通過工程類比、《爆破安全規程》(GB6722-2014)、臨界質點振動速度計算得到金寶鐵礦邊坡質點安全允許振動速度，其中北幫為12.0 cm/s，南幫為8.0 cm/s。

3)利用該爆破峰值振動速度預測模型和爆破振動速度安全允許值，可反算臨近邊坡生產爆破的最大同段藥量，進而指導爆破設計與施工。