西灣露天礦預裂爆破減震效果研究

許中陽

(中國礦業大學（北京）， 北京 100089)

西灣露天煤礦礦區南北長約18 km，東西寬約4.1 km，面積73.47 km2，地層產狀平緩，煤層近水平分布，傾角1°左右，主采煤層平均厚度為11.13 m，視密度為1.32 g/cm3，真密度為1.38 g/cm3。西灣露天煤礦煤、巖均采用臺階深孔孔間延時爆破方式進行作業，日常采剝量大，爆破頻次高，為了減小日常爆破作業產生的振動對礦區內關鍵建筑物的影響[1-3]，多采用預裂爆破對爆破振動進行控制，因此，確定合理的預裂爆破參數，對爆破效果至關重要。本文以西灣露天礦預裂爆破參數為研究對象，研究適用于西灣礦的預裂爆破合理參數[4]，以期獲得最大程度的減振效果。

1 礦區爆破振動衰減規律

爆破地震波在介質中傳播時，常用介質質點的位移、速度、加速度來描述其振動強度。質點加速度能直接反映振動力強弱，并且用于測量加速度的儀器體積小、方便測量。因此，初期多用質點加速度來表征振動強度，但是通過大量研究表明，用加速度指標作為巖體破壞標準時分散性很大，而巖石產生破壞的臨界振動速度和巖體穩定性有較統一的對應關系，并且質點振動速度跟地表建（構）筑物破壞和失穩相關性較好，因此大多數國家都采用質點振速來作為爆破振動判據。

《爆破安全規程》（GB 6722-2014）中使用薩道夫斯基公式來計算預測爆破振動峰值速度，如式（1）所示：

式中，V為質點振動速度峰值，cm/s；Q為炸藥量，齊發爆破時為總藥量，延時爆破時為最大單段藥量，kg；R為質點至爆源距離，m；K、α為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。

在薩道夫斯基公式回歸方法中常用線性擬合法，即用足夠多的實測數據（單段最大藥量Q、質點距爆源距離R、質點峰值振速V）通過最小二乘法反演計算K、α的大小，而線性回歸殘差平方和與評價爆破振動擬合值偏差程度的殘差平方和并不相同，已有研究表明[5-9]，非線性回歸的分析方法準確度要高于線性回歸方法，采用非線性回歸法擬合的過程如下。

評價爆破振動速度衰減公式擬合值與實測值偏差程度通過殘差平方和M2來反映：

式中，Vi為介質質點i的振動速度幅值，cm/s；Pi為比例藥量。

將非線性殘差平方和M2最小作為擬合標準，直接對薩道夫斯基公式進行回歸分析。根據二元函數的極值定理，滿足M2最小的必要條件為：

整理得：

式（5）為非線性方程組，直接求解比較困難，可以利用數值方法求解。觀察式（5），構造方程為：

式（7）為非線性方程，可利用牛頓迭代法求解其根。該法需用到函數f(α)的導數，對α求導得：

計算出α值后，可由式（8）計算得出K值:

為了對預裂爆破振動規律進行預測，前期對西灣露天煤礦礦區爆破振動進行了監測，共得到118組監測數據，由于礦區測點距離爆區較近，因此不能用最大單孔藥量作為Q值（總藥量）來進行擬合；有時爆區較大，礦區內某些測點距離相比一般測試距離較遠，應剔除這些測點數據。通過對數據進行篩選、整理后，開展非線性擬合。

圖1為礦區水平橫向X方向峰值振速傳播規律擬合圖，其中K值為30.99，α值為0.73，擬合的相關性系數為0.73，擬合回歸X方向的振動衰減規律為：

圖2為礦區水平徑向Y方向峰值振速傳播規律擬合圖，其中K值為41.29，α值為0.89，擬合的相關性系數為0.63，擬合回歸Y方向的振動衰減規律為：

圖1 水平橫向（X方向）回歸分析結果

圖2 水平徑向（Y方向）回歸分析結果

圖3為礦區垂直向Z方向峰值振速傳播規律擬合圖，其中K值為74.31，α值為1.06，擬合的相關性系數為0.72，擬合回歸Z方向振動衰減規律為：

圖3 垂直向（Z方向）回歸分析結果

2 預裂爆破試驗方案

影響預裂爆破效果的因素有很多，本次方案設計主要考慮炮孔間距a、線裝藥密度q、爆孔直徑d，不耦合系數k等。

2.1 預裂孔孔徑與間距

西灣露天礦目前采用的預裂孔鉆孔設備是SWDA165潛孔鉆，直徑165 mm。由于鉆機可旋轉方向、角度有限，炮孔角度一般為90°。

預裂孔炮孔間距可由式（12）計算：

式中，a為炮孔間距，m；σt為巖石抗拉強度，Pa；p為炮孔壁面的壓力，MPa，為了避免造成炮孔壁周邊受壓破壞，應通過調整不耦合系數使其小于等于巖石抗壓強度；d為炮孔直徑，mm。

根據礦方提供的《西灣露天煤礦建礦地質報告》，煤層直接頂板的抗壓強度為14.42～26.59 MPa，平均24.92 MPa；抗拉強度為1.43～1.80 MPa，平均1.72 MPa。代入式（12）可計算出a≤15d。即預裂孔炮孔間距不能超過2.5 m。

2.2 預裂孔線裝藥密度

根據類似礦山及西灣露天礦區以往爆破經驗，預裂孔的線裝藥密度按以下經驗公式取值計算：

式中，q為預裂爆破的線裝藥密度，kg/m；σc為巖石的極限抗壓強度，MPa。

經計算，q取0.3 kg/m；為克服孔底夾制作用，底部5 m高度范圍內加強裝藥，取q為1.5 kg/m，此時單孔裝藥量為10.5 kg。

2.3 不耦合系數k

不耦合裝藥即藥卷直徑小于炮孔直徑的一種裝藥形式，這種裝藥結構使得藥卷與炮孔壁之間存在空氣間隔，起爆時爆轟波通過空氣介質作用到孔壁上，此時空氣間隙起到緩沖儲能作用，削弱了炮孔壁初始壓力峰值，而后又將儲存能量釋放出來，延長了爆生氣體在孔內的作用時間，以此來改善爆破效果。

結合礦區爆破生產經驗，采用以下經驗公式來計算預裂爆破不耦合系數：

式中，k為不耦合系數；D為預裂孔直徑，mm；dc為藥卷直徑，mm。

本試驗中采用2號巖石乳化炸藥，藥卷直徑為65 mm，預裂孔直徑為165 mm。根據國內外工程經驗，不耦合系數一般取值為1.5～5，根據計算本試驗中不耦合系數為2.5。

2.4 炸藥及雷管類型的選擇

根據西灣礦山實際生產情況，選用2號巖石乳化炸藥。預裂孔起爆均采用導爆索。具體方案設計見表1。

表1 不同孔距下的預裂孔設計參數

3 現場預裂試驗測試

為了研究不同孔距下預裂爆破的減振效果，預裂爆破試驗場地設置在同一平臺，每次爆破試驗均在預裂孔后方布置4個測點，距離設置為50 m、100 m、150 m、200 m，測點布置如圖4所示。

圖4 測點布置

在同一臺階總共進行了3次不同孔距的預裂爆破試驗，每次試驗都保證主爆孔在同一延期時間及藥量下進行，3次試驗波形如圖5、圖6、圖7所示（篇幅有限，僅選擇測點2#數據進行展示），試驗數據見表2。

由以上試驗數據可知，隨著預裂孔間距從2.5 m減小到1.5 m，爆破振動信號持續時間從2.0 s減小到1.0 s，從X方向離爆源最近的測點來看，爆破振動峰值有較大幅度減小，但這些也有可能是最大單段裝藥量的減小引起的，為了進一步探究預裂孔對 減振效果的影響，還需要進一步對數據進行分析。

圖5 測點2#爆破振動原始信號（1.5 m孔距）

圖6 測點2#爆破振動原始信號（2.0 m孔距）

4 預裂爆破現場試驗結果與分析

4.1 減振率分析

本文主要從不同孔距下預裂爆破的減振率以 及爆破振動信號的頻譜分析來優選最佳預裂爆破方案。

圖7 測點2#爆破振動原始信號（2.5 m孔距）

表2 預裂爆破試驗數據

減振率是衡量預裂爆破效果的重要指標[7]，爆破后產生的爆破地震波會通過巖石介質向外傳播，合理的預裂爆破方案設計可以形成貫通的預裂縫，而減振率可以反映預裂縫對地震波的阻隔效果。

露天礦山中，減振率（Rd）的計算方法一般取間接計算法，即用預裂試驗測得的質點振速V2與經 驗公式預測的質點振速V1進 行對比，計算公式如下：

式中，V2可用儀器現場采集獲得。因X方向擬合優度最高，因此選擇式（9）計算V1，進而進行減振率的計算，計算結果見表3。

表3 預裂爆破試驗數據

從上表可以看出，在滿足設計的最大單段裝 藥量情況下，預裂爆破的減振效果明顯，各測點 振速均有不同程度的下降，個別測點減振率范圍 為4.76%～78.93%，平均減振率范圍為13.14%～56.45%。當預裂孔孔距變小時減振率的平均值隨之增大，但并不是孔距越小減振率均值越大，當孔距2.5 m時減振率的平均值最小，當孔距2.0 m時減振率平均值最大；在預裂孔孔距一定時，隨著測點距離的增大，減振率也隨之增大，離爆區越遠減振的效果越明顯。

4.2 振動主頻分析

實際工程中，有時會出現爆破振速低于安全振速從而造成建（構）筑物產生破壞的情況，這是因為爆破振動所產生的頻率與建（構）筑物本身的頻率相近，產生了共振現象。因此在研究爆破振動對周邊建（構）筑物的影響中，頻率作為爆破振動的3要素之一不可忽略，為了更好地了解不同預裂孔距下預裂爆破的振動主頻特點，使用MATLAB對測點2#的數據進行快速傅里葉變換，結果如圖8至圖10所示。

圖8 孔距1.5 m徑向波形與頻譜

圖9 孔距2.0 m徑向波形與頻譜

圖10 孔距2.5 m徑向波形與頻譜

由圖8可知，預裂孔距1.5 m的波形信號主頻為14.77 Hz，主頻帶范圍為7～35 Hz，徑向振速為2.03 cm/s。

由圖9可知，預裂孔距2.0 m的波形信號主頻為13.31 Hz，主頻帶范圍為5～27 Hz，徑向振速為1.43 cm/s。

由圖10可知，預裂孔距2.5 m的波形信號主頻為26.13 Hz，主頻帶范圍為7～33 Hz，徑向振速為3.69 cm/s。

從以上分析可知，隨著預裂孔距的減小，爆破振動信號的主頻和主頻帶范圍也隨之減小，但并不是預裂孔距最小時主頻也最小，當預裂孔距為2.0 m時，振動主頻最小，并且頻帶范圍也隨之變窄。根據現場試驗可知，當預裂孔距為2.0 m時坡面出現了明顯的預裂縫，由此可以推測出預裂縫是影響主頻變化的主要因素，并且貫通良好的預裂縫還具有高頻濾波性[7]。

5 結論

本文對西灣露天礦不同參數的預裂爆破減振效果進行了研究，根據實測爆破振動速度與預測爆破振速速度的對比，分析不同參數預裂方案的爆破振動減振效果，分析得出如下結論：

（1）以在西灣露天礦爆破生產監測獲得的爆破振動原始信號為依據，通過非線性擬合方法得出了礦區水平橫向、水平徑向和垂直向的振動衰減規律分別為：

（2）預裂爆破減振效果明顯，各測點振速均有不同程度的下降，測點減振率范圍為4.76%～78.93%，平均減振率范圍為13.14%～56.45%，且減振率會隨著預裂孔距的減小而增大，2.0 m孔距預裂方案減振效果最佳。

（3）隨著預裂孔距的減小，爆破振動信號的主頻和主頻帶范圍也隨之減小，當預裂孔距為2.0 m 時，振動主頻最小。