安家嶺露天煤礦爆破振動實測研究

史靈杰

（中煤平朔集團有限公司 生產技術管理中心，山西 朔州 036006）

露天礦的礦界周圍通常有民用建筑物、工業和商業建筑、公路鐵路、以及其他建筑設施等，隨著露天煤礦開采靠近邊界或者開采到界，露天煤礦日常爆破作業產生的振動會對礦界周邊的建筑和工程產生不良影響[1-2]。爆破安全規程里面對各種構筑物可承受的振動分類設置了限制，針對不同的構筑物爆破作業產生的振動必須在規定的范圍內[3]。一些學者通過對爆破振動的預測進行了理論和數值模擬研究[4]，對各種工況下給予了對應的爆破系數K 和震波衰減系數α 參考值[5]。另一些學者對爆破振動進行了實測研究[6-8]，以及爆破振動的控制措施[9-10]。研究發現，不同地質條件和巖土參數，導致爆破系數K和震波衰減系數α 不同，礦界周邊建筑物的保護等級不一樣，所以爆破振動對周邊構筑物的振動損害不能僅僅根據理論和數值模擬計算。具體的工程需要對爆破振動進行實測確定相應的爆破系數K 和震波衰減系數α，也要對周邊建筑物保護等級的調查研究[11-12]。為此，以安家嶺露天煤礦的日常爆破為研究對象，通過對爆破振動和爆破振幅進行實際測量，從而為露天煤礦的邊界優化以及爆破優化提供依據。

1 工程概況

安家嶺露天煤礦采用單斗-卡車綜合開采工藝。上部黃土層外包，巖石剝離采用單斗-卡車開采工藝，采煤采用單斗-卡車-地表半固定破碎站-帶式輸送機半連續工藝。安家嶺露天礦主要開采4#煤、9#煤、11#煤3 個煤層。

目前安家嶺露天煤礦采剝工作面沿當前開采方向逐漸靠近東部境界，東部境界附近有馬關河、平陶公路、后安礦、白蘆煤礦、民房、煤場等重要設施，當前的爆破方案在實施過程中對上述設施已存在振動影響。隨著大規模的日常爆破作業距離建（構）筑物及設施越來越近，因此爆破產生的安全隱患不容忽視，尤其是爆破沖擊波、飛石、地震波等爆破危害。不僅容易引起經濟損失、民事糾紛、生產效益，還可能造成露天礦不能正常生產。

2 爆破方案

安家嶺露天煤礦采用銨油炸藥，炸藥密度850 kg/m3，起爆采用450 gTNT 炸藥。若孔內有水則選用巖石乳化炸藥。根據鉆孔的孔徑不同爆破方案主要分為以下3 種：

1）方案I。孔徑D=250 mm，臺階高度H=16～17 m，孔深L=18 m，底盤抵抗線W=7～8 m，裝藥長度l1=13 m，填塞長度l2=5 m，炸藥單耗q=0.65 kg/m3；孔距a 與排距b 為a=b=7 m（8 m）。孔內延期時間均為600 ms，第1 排孔間延期間隔為42 ms，第1 排至第5 排為65 ms，第5 排至第6 排為100 ms。如果炮孔共5 排，則第1 排至第4 排為65 ms；第4 排至第

5 排為100 ms。

2）方案II。孔徑D=200 mm，臺階高度H=16 m，孔深L=17 m，底盤抵抗線W=7 m，裝藥長度l1=11 m，填塞長度l2=6 m，炸藥單耗q=0.375 kg/m3，孔距a與排距b 為a=b=7 m。孔內延期時間均為600 ms；第1 排孔間延期間隔42 ms；第1 排至第5 排65 ms；第5 排至第6 排100 ms。如果炮孔共5 排，則第1 排至第4 排65 ms；第4 排至第5 排100 ms。

3）方案III。孔徑D=165 mm，臺階高度H=16 m，孔深L=17 m，底盤抵抗線W=5 m，l1=13 m；填塞長度l2=5 m，炸藥單耗q=0.611 kg/m3，孔距a 與排距b為a=b=5 m。延期時間：孔內延期時間均為600 ms；第1 排孔間延期間隔為42 ms；第1 排至第5 排為65 ms；第5 排至第6 排為100 ms。如果炮孔共5 排，則第1 排至第4 排為65 ms；第4 排至第5 排為100 ms。

現有的爆破方案主要針對露天煤礦的日常正常生產，未考慮振動對礦界外的不利影響，必須進行系列優化才能使爆破振動產生的危害在可控范圍內。

3 監測方案

3.1 監測儀器

采用TC-4850 爆破測振儀和CBSD-VM-M01型網絡測振儀對安家嶺露天煤礦日常爆破振動進行監測，TC-4850 爆破測振儀具有體積小、質量輕、具有耐壓、抗擊、方便攜帶等優點，非常適合于工程爆破數據采集。該儀器包括矢量傳感器、數據采集系統、分析軟件3 部分，能完成加速度、速度、頻率、持時等動態過程的監測、記錄、分析。CBSD-VM-M01型網絡測振儀是融合了互聯網、身份識別、移動網絡、智能感知等先進科研技術成果，將傳感器和測振儀進行融合研制出的新型網絡測振儀。該測振儀是用1 臺控制分析以作為現場操作的客戶終端和管理平臺，可同時管理多臺（最多256 臺）網絡測振儀子機（智能傳感器），實現了測振數據記錄、傳輸全過程無縫管理、測振現場無布線、測振數據自動向中國爆破網信息系統（工程爆破云計算數據中心）實時上傳，可實時分析爆破振動衰減規律（計算參數），為測振信息共享和數據挖掘提供了新測途徑，使大數據管理模式具體化，為大數據挖掘提供了堅實的基礎。

3.2 測點布置

根據開采方案確定的50、100、150、200 m 4 個區間段，制定不同監測方案。監測過程中，將傳感器x 方向指向爆源，即軸向；傳感器y 方向與爆區長度方向平行，即切向；傳感器z 方向豎直向上，即垂向。測點布置如圖1。

1）方案1。第1 排測點與爆區的水平距離為250 m，測點布置在爆區上一水平臺階位置，間距為10 m，按3×4 矩陣式排列。

2）方案2。第1 排測點與爆區的水平距離為150 m，測點位置與爆區處于同一水平臺階位置，間距為10 m，按3×2 矩陣式排列。

3）方案3。第1 個測點與爆區的水平距離為100 m，測點位置與爆區處于同一水平臺階位置，間距為10 m，按單列布置。

4）方案4。第1 個測點與爆區的水平距離為100 m，測點位置與爆區處于同一水平臺階位置，間距為10 m，按“L”形排列。

5）方案5。第1 個測點與爆區左邊的垂直距離為100 m，測點位置與爆區處于同一水平臺階位置，間距為10 m，按3×2 矩陣式排列。

6）方案6。第1 排測點與爆區的水平距離為30 m，第2 排測點與爆區的水平距離為50 m 測點位置與爆區處于同一水平臺階位置，按5×2 矩陣式排列。

7）方案7。第1 個測點與爆區的直線距離為300～500 m，測點位置與爆區處于同一水平臺階位置，間距為10 m，按“L”形排列。

4 監測結果

質點的震動峰值速度和炸藥一次爆破量，爆破距離以及巖性有關，世界各國都有相對應的經驗公式，這些經驗公式之間有微小的差異，但計算結果基本一致，計算結果差異較小。在我國，震波傳播速度的經驗公式如式（1）：

式中：V 為質點震動峰值速度，cm/s；Q 為次爆破的炸藥量，kg；R 為測點與震源中心之間距離，m；K 為系數，與炸藥種類及藥量分布有關；α 為震波衰減系數，與巖性及縱橫波型有關。

對7 個監測方案在x、y、z 方向的產生的振幅和振動速度這2 個數據進行了實測并記錄。將7 個監測方案的實測數據代入式（1）進行回歸分析，得出的系數K 和震波衰減系數α 結果見表1。

表1 系數K 和震波衰減系數α 實測結果

考慮到安家嶺東部境界附近的建筑結構為土窯洞、土坯房、一般民用建筑及工業和上也建筑物，振動頻率在10 Hz 左右，考慮土窯洞不搬遷和搬遷2種情況，不搬遷時振動速度限定為0.25 cm/s，搬遷時振動速度限按一般民用建筑物確定為1.5 cm/s，按照正常爆破時的炸藥量把表1 的系數K 和震波衰減系數α 代入式（1）反算得到的安全距離見表2。

表2 土窯洞不搬遷和搬遷時的最小安全距離

從表2 可以看出，土窯洞不搬遷時正常爆破的最小安全距離是451 m，土窯洞搬遷時正常爆破按照一般民用建筑物考慮最小安全距離是165 m。土窯洞對露天煤礦的正常爆破作業的安全距離影響巨大，建議露天煤礦盡早進行搬遷工作。

5 結論

安家嶺露天煤礦日常爆破作業的系數K 和震波衰減系數α 在x、y、z 方向的值分別為146.09、1.91、139.41、1.78，128.30、1.84。露天煤礦正常爆破作業時考慮到土窯洞最小安全距離是451 m，土窯洞搬遷時按照一般民用建筑物考慮時最小安全距離為165 m。土窯洞對露天煤礦的正常爆破作業的安全距離影響巨大，建議露天煤礦盡早進行搬遷工作。