孔內(nèi)分段爆破降振技術(shù)在會(huì)寶嶺鐵礦VCR 采場的應(yīng)用

石紹飛,于杜濤,史秀志,邱賢陽,張世安

(1.臨沂會(huì)寶嶺鐵礦有限公司,山東 臨沂市 277700;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖南 長沙 410083)

0 引言

爆破是地下采礦工程中的常用技術(shù),爆破破巖的同時(shí)不可避免地會(huì)對圍巖體產(chǎn)生地震擾動(dòng),引起爆破振動(dòng)等次生災(zāi)害[1]。爆破誘發(fā)的爆破振動(dòng)可能進(jìn)一步導(dǎo)致地表構(gòu)筑物破壞、邊坡滑坡、人的不適反應(yīng)等,這些問題極大地激化了礦山企業(yè)與周邊居民之間的矛盾。因此,在礦山規(guī)模化開采的前提條件下,通過爆破設(shè)計(jì)的優(yōu)化來降低爆破振動(dòng)一直是備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。

目前,對于爆破降振技術(shù)研究已有許多報(bào)道,大多數(shù)研究集中于露天爆破和隧道爆破。在露天礦常采用預(yù)裂爆破的方式來截止爆破振動(dòng)的傳播[2]。隨著電子雷管的發(fā)展,合理的延期時(shí)間設(shè)計(jì)已被公認(rèn)為改善巖石破碎和降低爆破振動(dòng)水平的有效方法[3-4]。除此之外,采用小孔徑炮孔和不耦合裝藥結(jié)構(gòu)也能有效降低爆破振動(dòng)[5-7]。然而,對地下礦山VCR 采場的減振研究并不多見。

本文針對會(huì)寶嶺鐵礦VCR 采場生產(chǎn)爆破單次爆破量大、爆破振動(dòng)大的問題,采用一種孔內(nèi)分段爆破的裝藥結(jié)構(gòu)和雷管段位布置方式,在該礦山VCR采場進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),并監(jiān)測爆破振動(dòng)。

1 爆破振動(dòng)控制理論

1.1 振動(dòng)強(qiáng)度控制

峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度(PPV)一直被認(rèn)為是爆破振動(dòng)最重要的參數(shù),我國也采用PPV 作為爆破振動(dòng)安全控制指標(biāo)。近年來,峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度(PPA)也被視為另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn),特別是在許多設(shè)備、重要的建(構(gòu))筑物的保護(hù),如核電站,PPV 和PPA 均需被考慮,實(shí)施雙控。

爆破振動(dòng)強(qiáng)度的衰減規(guī)律一般用薩道夫斯基公式表示:

式中,k和α均為場地系數(shù);R為爆心距;Q為爆破裝藥量。

上述公式雖簡易可行,且可簡單預(yù)測爆破振動(dòng)強(qiáng)度,但因?yàn)楸普駝?dòng)幅值的影響因素很多,其缺陷也就由此凸顯,為實(shí)現(xiàn)爆破振動(dòng)幅值的準(zhǔn)確預(yù)報(bào),許多學(xué)者將人工智能方法應(yīng)用于爆破振動(dòng)峰值強(qiáng)度的預(yù)測,預(yù)測誤差遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的指數(shù)衰減公式[8]。

1.2 振動(dòng)頻率控制

除了振動(dòng)強(qiáng)度之外,大眾已經(jīng)認(rèn)識(shí)到振動(dòng)頻率也是評估爆破振動(dòng)的一個(gè)不可或缺的指標(biāo),以避免結(jié)構(gòu)共振帶來的危害[9]。一般采用主頻來評估對地表附近建筑物的不利影響,《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[10]也規(guī)定了峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和主頻的聯(lián)合控制指標(biāo)。

現(xiàn)有研究表明,通過調(diào)整爆破藥量、孔網(wǎng)參數(shù)、起爆方式及微差時(shí)間等爆破參數(shù),可以在一定范圍內(nèi)達(dá)到改變爆破振動(dòng)頻率特征的目的。實(shí)踐中,頻率控制的主要參數(shù)為微差起爆延時(shí)時(shí)間,通過改變延時(shí)間隔,可以改變爆破振動(dòng)的頻率成分,進(jìn)而避開建(構(gòu))筑物的自振頻帶。

1.3 振動(dòng)頻譜控制

峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和主頻的聯(lián)合控制指標(biāo)雖然可以簡便地對爆破振動(dòng)的危害性做出一定評估,但沒有考慮到振動(dòng)持續(xù)時(shí)間對建(構(gòu))筑物受爆破振動(dòng)破壞的影響,作為爆破振動(dòng)三要素之一,振動(dòng)持時(shí)也是一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前,不少學(xué)者提出了基于能量原理和反應(yīng)譜理論的爆破振動(dòng)安全判據(jù),為綜合控制爆破振動(dòng)危害提供了方法[11-12]。

2 工程概況

山東能源魯西礦業(yè)集團(tuán)會(huì)寶嶺鐵礦位于臨沂市蘭陵縣尚巖鎮(zhèn),設(shè)計(jì)年產(chǎn)量300萬t。礦體呈陡傾斜的層狀、似層狀產(chǎn)于山草峪組變質(zhì)地層中,含礦巖石為條帶狀構(gòu)造。礦體產(chǎn)出穩(wěn)定,連續(xù)性好,礦石較完整,裂隙不甚發(fā)育,物理力學(xué)強(qiáng)度高,為極堅(jiān)硬巖類,礦石類型為TFe(全鐵)和MFe(磁性鐵)。礦體圍巖為黑云角閃片巖或黑云變粒巖,完整程度差別較大,屬于堅(jiān)硬至極堅(jiān)硬巖類。

試驗(yàn)VCR 采場為34315N2采場,位于－340～－270 m 水平之間,采場東頭和西頭均為穿脈巷道,南幫及北幫為間柱采場。礦體為急傾斜礦體,礦體下盤傾角為65°～90°。試驗(yàn)采場長度為44 m,寬15～24 m,炮孔直徑為Φ115 mm,孔網(wǎng)參數(shù)為2.4 m×2.8 m(排距×孔距)。礦山爆破歷來采用全耦合裝藥,單次爆破總藥量超過3 t,裝藥結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,單孔裝藥量約300 kg。雖然造成的爆破振動(dòng)能夠滿足《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[10]中對一般民用建筑物的規(guī)定,但礦山辦公區(qū)域內(nèi)的人員感知比較明顯,其舒適度明顯較差,因此采取降振爆破措施勢在必行。又由于缺乏電子雷管,且礦山中現(xiàn)有普通非電毫秒導(dǎo)爆管雷管只有15個(gè)段位,因此以現(xiàn)有裝藥結(jié)構(gòu)和雷管段位布置難以實(shí)現(xiàn)降振需求,需要設(shè)計(jì)新的裝藥結(jié)構(gòu)和雷管段位布置。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)示意

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 爆破設(shè)計(jì)

爆破使用炸藥和雷管分別選用改性銨油炸藥和非電毫秒導(dǎo)爆管雷管,孔底用細(xì)鐵絲下放多量卷成一卷的編織袋進(jìn)行封口,并填沙確保封堵嚴(yán)密,填沙高度為0.5 m。裝藥為耦合裝藥,孔內(nèi)分上下兩段起爆,段間填沙高度為1.5 m,孔口留2.5 m 的高度進(jìn)行堵塞。捆扎2卷直徑32 mm、分別插有導(dǎo)爆管雷管的2號(hào)巖石乳化炸藥作為起爆藥,起爆藥分別在上段藥柱的中部和下段藥柱的上部,然后在孔口處用兩發(fā)搭橋雷管增加延期時(shí)間,以彌補(bǔ)雷管段位不足的缺陷,導(dǎo)爆管拉出孔口。改進(jìn)裝藥結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

采用改進(jìn)裝藥結(jié)構(gòu)爆破時(shí),爆破自由面為切割槽及底部塹溝,并沿采場長度方向逐步分段崩礦,下半部分炮孔先起爆,上半部分炮孔后起爆,采用孔內(nèi)分段爆破的方案,通過雷管段次、裝藥結(jié)構(gòu)來控制最大段藥量,具體的段位設(shè)置如圖2所示。

圖2 雷管段位平面布置

3.3 爆破振動(dòng)監(jiān)測

此次共布置了4個(gè)監(jiān)測點(diǎn),分別布置在礦辦公區(qū)門外的路口、門衛(wèi)室、辦公樓和食堂,著重監(jiān)測礦山辦公區(qū)域內(nèi)的爆破振動(dòng)情況。4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)基本在一條測線上,測振儀的X方向均指向爆心,爆心距從近到遠(yuǎn)依次為406 m、498 m、568 m、674 m,測點(diǎn)布置如圖3所示。

4 爆破效果分析

減振爆破試驗(yàn)的爆破范圍為34315N2 礦房采場4～5排,共計(jì)14個(gè)炮孔,其中1個(gè)為堵孔,不能裝藥。試驗(yàn)共使用銨油炸藥和起爆藥包3472 kg,最大段藥量為177 kg,爆破礦量為10 311 t,單耗為0.34 kg/t。為了與之對比,還監(jiān)測了一次本采場13～14排的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)作為對照。13～14排的炮孔布置與試驗(yàn)組相同,共14個(gè)炮孔,裝藥結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,采用一孔一段的起爆方式。13～14排爆破共使用銨油炸藥和起爆藥包3978 kg,最大段藥量為312 kg,爆破礦量為11 132 t,單耗為0.36 kg/t。因?yàn)閮纱伪圃谕徊蓤?距離較近,故可以看作兩次爆破到振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)的爆心距是相同的。

4.1 振動(dòng)效果分析

記錄到爆破振動(dòng)3個(gè)方向中X方向的振動(dòng)幅值最高,所以X方向?yàn)楸普駝?dòng)的最主要分量,因此,本節(jié)對4 個(gè)測點(diǎn)的X方向爆破振動(dòng)進(jìn)行了分析。圖4為1 號(hào)監(jiān)測點(diǎn)的兩次爆破的振動(dòng)時(shí)程曲線,可以看出,由于孔內(nèi)分段并外接搭橋雷管,使得整個(gè)的爆破持時(shí)增加了,而且孔間延期時(shí)間也在優(yōu)化后變得均勻;4～5排的爆破振動(dòng)波形在整個(gè)持時(shí)過程中爆破振動(dòng)的幅值比較平均,沒有明顯的波峰;13～14排爆破的振動(dòng)持時(shí)短且幅值高。而且,由于孔間延期時(shí)間的不均勻設(shè)置,在低段位雷管處爆破振動(dòng)分布密集,高段位雷管處分布稀疏,這很容易造成低段位雷管處孔間波形疊加,進(jìn)而增加振動(dòng)幅值。

圖4 1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)爆破振動(dòng)時(shí)程曲線

其他振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)的PPV 和頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。由表1可知,爆破振動(dòng)的PPV 和頻率隨爆心距的增加呈衰減趨勢,表明爆心距越遠(yuǎn),雖然PPV 有所減小,但結(jié)構(gòu)共振的風(fēng)險(xiǎn)越大。所試驗(yàn)的4～5排爆破通過孔內(nèi)分段的爆破方式,有效減小了爆破的最大段藥量,僅為13～14 排爆破的最大段藥量的56%,監(jiān)測到的爆破振動(dòng)PPV 也明顯下降,降振率在不同監(jiān)測點(diǎn)處均超過了20%,最大降振率達(dá)到了30%。而且,段藥量的減少也使得爆破振動(dòng)頻率普遍也有所提升,這對于爆破遠(yuǎn)區(qū)構(gòu)筑物避免結(jié)構(gòu)共振很有益處。除此之外,在4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的PPV 均控制在0.2 cm/s以內(nèi),人的體感舒適度顯著提高。

表1 爆破振動(dòng)PPV和頻率統(tǒng)計(jì)

4.2 破巖效果分析

從－340 m 中段塹溝巷道的爆堆情況來看,34315N2采場4～5排爆破塊度均勻,未發(fā)現(xiàn)明顯大塊。如圖5所示,爆堆的大塊塊度80%能控制在20 cm 以內(nèi)。表明孔內(nèi)分段爆破的裝藥結(jié)構(gòu)和段位設(shè)置合理,既能有效減低爆破振動(dòng),又沒有增加爆破塊度,不會(huì)影響礦山生產(chǎn)過程中后續(xù)的鏟裝工序。

圖5 4～5排爆破塊度分析

5 結(jié)論

(1)針對會(huì)寶嶺鐵礦VCR 采場生產(chǎn)爆破單次爆破量大、爆破振動(dòng)大的問題,在不改變孔網(wǎng)參數(shù)和一次爆破總藥量的前提下,提出了一種孔內(nèi)分段爆破的裝藥結(jié)構(gòu)和雷管段位布置方式,并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。

(2)與礦山以往采用的全耦合裝藥爆破相比,孔內(nèi)分段爆破不僅能有效降低爆破振動(dòng)幅值,還能提高爆破振動(dòng)頻率,對地表構(gòu)筑物安全和提高礦區(qū)人員體感舒適度有重要意義。

(3)孔內(nèi)分段爆破也能很好地控制爆破塊度,不影響礦山生產(chǎn)過程中后續(xù)的鏟裝。