爆破振動在充填體中的傳播規(guī)律研究①

文 興，趙 亮，郭曉強(qiáng)，3

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410012；3.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建上杭 364200）

隨著礦山生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，大直徑深孔爆破技術(shù)應(yīng)用比例增加。伴隨著充填工藝和設(shè)備不斷發(fā)展，充填采礦法在礦山應(yīng)用廣泛，但仍存在充填接頂困難、充填體強(qiáng)度分布不均、強(qiáng)度不夠等問題［1－2］。阿舍勒銅礦采用大直徑深孔空場嗣后充填法開采。隨著礦山一步驟回采結(jié)束，現(xiàn)進(jìn)入二步驟回采階段，深部二步驟采場兩側(cè)均為一步驟采場的膠結(jié)充填體，且與上部采場相比，礦體、圍巖條件和開采地應(yīng)力環(huán)境發(fā)生了明顯變化，開采環(huán)境更為復(fù)雜，為了有效控制二步驟采場開采邊界，減小爆破對采場兩側(cè)充填體的損傷，防止回采過程中出現(xiàn)充填體失穩(wěn)破壞、大面積垮塌等重大事故，需進(jìn)行二步驟充填體穩(wěn)定性分析及爆破參數(shù)優(yōu)化工作［3－4］。

本文研究了爆炸應(yīng)力波在礦體和充填體內(nèi)的傳播和衰減規(guī)律，分析了爆破振動對采場兩側(cè)充填體穩(wěn)定性的影響，研究了爆破振動速度與單響最大爆破藥量、爆心距之間的關(guān)系，通過計算得出二步驟采場邊排孔極限孔邊距，可為二步驟采場邊排孔設(shè)計及采場爆破參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 爆破振動測試方案

利用礦山現(xiàn)有的微震監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行爆破振動測試，具體方案如下：

1）在礦山0 m北1＃采場鑿巖硐室北巷鉆出1個傳感器安裝孔，并利用鑿巖硐室南巷的2個已有鉆孔，按設(shè)計安裝微震傳感器后用混凝土澆筑固定，傳感器布置如圖1所示。記錄傳感器預(yù)埋深度并測量孔口坐標(biāo)、鉆孔傾向、傾角，計算傳感器安裝坐標(biāo)，如表1所示。

表1 微震傳感器安裝信息

圖1 爆破振動傳感器布置示意

2）將預(yù)埋的微震傳感器接入50 m中段微震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集儀，并進(jìn)行對應(yīng)通道的參數(shù)設(shè)置，調(diào)試至最佳狀態(tài)。

3）從0 m北1＃采場底部拉底巷道中線位置施工上向垂直炮孔4個，分別裝填2卷乳化炸藥并堵孔，裝藥量0.6 kg，測量和計算藥包中心坐標(biāo)。爆破試驗炮孔參數(shù)與裝藥信息見表2。

表2 爆破試驗炮孔信息

4）爆破振動效應(yīng)測試試驗準(zhǔn)備工作就緒后，依次對爆破試驗孔進(jìn)行起爆，同時采用微震監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行振動波采集。

2 現(xiàn)場測試結(jié)果

4次爆破試驗，微震監(jiān)測系統(tǒng)50 m中段采集儀中對應(yīng)1＃傳感器與2＃傳感器的103、104通道采集的爆破信號典型波形如圖2所示。

圖2 爆破信號典型波形圖

根據(jù)爆破試驗振動波振動信號的采集，提取對應(yīng)數(shù)據(jù)記錄，統(tǒng)計發(fā)振時間段內(nèi)振幅峰值，爆破試驗孔起爆信息及相應(yīng)的振幅峰值如表3所示。

表3 爆破試驗孔起爆信息

3 振動波衰減特性分析

基于動載荷振動傳播規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場爆破振動效應(yīng)測試，將采集的測振數(shù)據(jù)代入振動波傳播方程，構(gòu)成方程組求解阿舍勒銅礦當(dāng)前礦巖、圍巖條件下的振動波衰減指數(shù)，分析其振動波衰減特性［5－9］。

根據(jù)動載荷振動傳播規(guī)律可推導(dǎo)出目標(biāo)監(jiān)測點處振動波質(zhì)點振幅。

因：

可得：

式中A0為振源處的振幅峰值；Ai為監(jiān)測點處的振幅；Ei為振動波能量；σ0為礦振振源處動載強(qiáng)度；l為礦振振源與采場目標(biāo)區(qū)域之間的傳播距離；η為傳播介質(zhì)對礦振動載的衰減指數(shù)。

結(jié)合現(xiàn)場爆破振動效應(yīng)測試步驟，假設(shè)第i次（i＝1，2，3，4）爆破試驗，振源處的振幅峰值為Ai0，第j＃（j＝1，2）傳感器接收到的振動波振幅峰值為Aij；假設(shè)振動波在礦體和充填體中的衰減指數(shù)分別為η1和η2；關(guān)于振動波傳播路徑，第i次爆破試驗產(chǎn)生的振動波傳播至第j＃傳感器，假設(shè)礦體段和充填體段傳播路徑分別為lij1和lij2，則式（1）可轉(zhuǎn)化為：

即：

根據(jù)炸藥爆破能量相似理論——相似藥包、相似測試孔，釋放能量相似，激發(fā)的振源處振動波振幅幅值相似，即：

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，結(jié)合擬定的假設(shè)，各詳細(xì)參數(shù)的取值情況見表4和表5。

表4 Aij取值情況

表5 lij取值情況

根據(jù)參數(shù)取值，分別代入式（2），形成6個等式組成方程組求解3個未知數(shù)，得出振動波在礦體和充填體中的衰減指數(shù)分別為1.361和3.179。因此，阿舍勒銅礦當(dāng)前礦體、圍巖條件下的振動波傳播方程為：

礦體介質(zhì)中：σd＝σ0e－1.361l／2

充填體介質(zhì)中：σd＝σ0e－3.179l／2

4 極限孔邊距的確定

采場爆破即利用炸藥爆炸形成的動載荷（爆轟壓）破巖和落礦［9］。二步驟采場兩側(cè)為一步驟采場充填體，爆破設(shè)計時要求合理布置孔網(wǎng)參數(shù)，既要有效崩落礦石，防止出現(xiàn)大塊和粉礦，又要控制邊排孔距離充填體的距離，防止采場兩側(cè)充填體垮落導(dǎo)致采場礦石貧化。因此，對合理的孔邊距（即邊排孔與采場邊界的距離）進(jìn)行了理論計算和優(yōu)化。

根據(jù)《爆炸動力學(xué)及其應(yīng)用》［10］中的研究，巖體工程中的爆破，形成的動載荷即爆轟壓與炸藥性能密切相關(guān)；耦合裝藥（裝藥結(jié)構(gòu)中炸藥直徑與炮孔直徑相同，藥炸與孔壁之間不留任何間隙）條件下，各物理量為：

式中Dv為炸藥爆速，m／s；Qv為單位炸藥產(chǎn)生的熱量，kJ／mol；u為爆心質(zhì)點振動速度，m／s；P為爆炸面處爆轟壓，Pa；ρ0為炸藥密度，kg／m3。

假設(shè)采場爆破中，邊排孔距離采場邊界的孔邊距為lm，充填體極限強(qiáng)度為σmax，結(jié)合動載荷振動波傳播規(guī)律與阿舍勒銅礦礦圍巖體條件下的衰減特性，考慮爆破擾動形成的松動圈范圍，對于一步驟已充填采場中充填體的動載荷擾動強(qiáng)度為：

根據(jù)采場爆破目標(biāo)，對于一步驟已充填采場中充填體的動載荷擾動強(qiáng)度，要求σd≤σmax，據(jù)此可計算出極限孔邊距為：

根據(jù)現(xiàn)場實際，所采用的2＃巖石乳化炸藥主要性能參數(shù)見表6。

表6 現(xiàn)場炸藥主要性能參數(shù)

對一步驟采場充填體鉆孔取芯，選擇完整度較好的試樣，進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)參數(shù)測定，得到充填體平均單軸抗壓強(qiáng)度為3.53 MPa。

5 結(jié) 論

1）利用礦山現(xiàn)有的微震系統(tǒng)進(jìn)行爆破振動測試，微震傳感器靈敏度高，目標(biāo)傳感器均得到有效觸發(fā)，爆破信號采集良好。

2）通過對現(xiàn)場爆破振動試驗結(jié)果采集，結(jié)合動載荷傳播規(guī)律，得到了爆破振動波在礦體和充填體中的衰減系數(shù)分別為1.361和3.179。試驗結(jié)果表明不同巖體性質(zhì)對振動波衰減規(guī)律影響不同，越堅硬的礦巖振動波衰減越慢。

3）由試驗結(jié)果可知，礦山開挖尤其是二步驟開采，采場兩側(cè)充填體強(qiáng)度較低，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的爆破測振工作，找到適合該礦巖的爆破振動衰減公式，作為后期鑿巖爆破工作的依據(jù)，以提高爆破質(zhì)量。

4）通過爆破振動測試得到的當(dāng)前礦巖條件下的衰減系數(shù)，結(jié)合充填體試樣單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果，利用爆轟壓理論計算出采場爆破振動在不影響兩側(cè)充填體穩(wěn)定性的邊排孔極限位置，即二步驟采場爆破孔網(wǎng)參數(shù)的極限孔邊距為1.5 m。