紫金東坪金礦的爆破震動測試與研究

鄭 曉,李萬斌,周益龍

(1.崇禮紫金礦業(yè)有限責(zé)任公司, 河北張家口市 076350;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

紫金東坪金礦的爆破震動測試與研究

鄭 曉1,李萬斌1,周益龍2

(1.崇禮紫金礦業(yè)有限責(zé)任公司, 河北張家口市 076350;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

東坪金礦與長沙礦山研究就采礦方法和爆破測振進(jìn)行合作研究,分析了爆破震動對周邊居民區(qū)及環(huán)境的影響及可能造成的危害。通過爆破地震測試和對測試數(shù)據(jù)的分析,得出了該礦爆破振動的規(guī)律及公式,為該礦的爆破設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

爆破地震效應(yīng);中深孔爆破;硐室爆破;振動速度

1 概 述

崇禮紫金礦業(yè)公司前身為東坪金礦,1988年建成150t/d采選綜合生產(chǎn)能力,經(jīng)過擴(kuò)建,目前生產(chǎn)能力已達(dá)2500t/d,是河北省重點(diǎn)黃金礦山之一。礦區(qū)分布有80余條含金石英脈群,6個(gè)礦帶。其中1～70號脈群占全區(qū)總儲量的90%以上。該脈群單層礦體呈脈狀、扁豆?fàn)?由淺至深礦脈數(shù)量逐漸增多,并雁列平行成群產(chǎn)出。主要礦化集中富集在標(biāo)高1250～900m區(qū)間。70#礦體與頂?shù)装鍨閴A性雜巖,硬度大、穩(wěn)固性很好。礦體主要賦存于7～31線之間,走向N40°E,走向長600m,傾向NW,傾角20°～42°,控制的傾向斜深820m。礦體連續(xù)性好,端部存在分支復(fù)合現(xiàn)象。

對于緩傾斜厚大礦體,原設(shè)計(jì)采用充填法,兩步驟回采。因各種原因,礦山采用中深孔空場法回采一步驟10m寬礦柱,20m寬的礦房沒有回采。為了回采二步驟采場,崇禮紫金與長沙礦山研究院合作進(jìn)行采礦方法研究,根據(jù)現(xiàn)況,采用分段扇形中深孔側(cè)向崩礦嗣后強(qiáng)制崩落頂板崩落采礦法。盤區(qū)試驗(yàn)采場寬度100m,其中包括4個(gè)空區(qū)采場,3個(gè)回采采場。在礦體下盤布置分段平巷,每分段每個(gè)采場布置一條出礦進(jìn)路,在回采采場開鑿一條鑿巖聯(lián)絡(luò)巷到礦體上盤,采場每一分段相隔25m平行礦體走向布置1條鑿巖巷到兩側(cè)空區(qū)采場。在鑿巖巷進(jìn)行扇形中深孔鑿巖,以兩側(cè)空區(qū)采場為自由面進(jìn)行側(cè)向崩礦,在分段出礦巷和底部結(jié)構(gòu)出礦。在上中段采場直接頂板布置12個(gè)放頂硐室,微差一次性起爆崩落采場頂板處理采空區(qū)。

礦山井下爆破引起的地震波對礦區(qū)地表建筑物、構(gòu)筑物和附近村莊民房的安全性有一定的影響,特別是在硐室大爆破時(shí),由于總裝藥量與最大一段藥量都比較大,所產(chǎn)生的爆破地震振速也大,爆破震動對周圍環(huán)境的破壞效應(yīng)也大。

東坪村距礦區(qū)較近,其建筑物一般是毛石房、一般磚瓦房,抗震能力差。礦山回采過程中采用扇形中深孔落礦,嗣后硐室放頂處理空區(qū)。一次裝藥量大,爆破對東坪村的影響較大。其次礦區(qū)有一條縣旅游公路,公路距井下爆破點(diǎn)的距離較小,政府部門要求爆破震動不能影響公路。為了確定中深孔爆破及硐室爆破不影響東坪村、礦區(qū)周圍建筑物、道路、行人、車輛安全,礦山與長沙礦山研究院合作進(jìn)行爆破地震測試研究,建立一套經(jīng)濟(jì)方便的爆破地震監(jiān)測系統(tǒng),從而優(yōu)化爆破參數(shù)、爆破方式、裝藥量等。

2 爆破震動現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方案

為了測定爆破地震波對東坪村及礦區(qū)建筑物、構(gòu)筑物的影響,在東坪村及礦區(qū)地表布置觀測點(diǎn),觀測點(diǎn)的布置遵循以下原則:

(1)地面振動測量能真正測得建筑物所處地面的振動,又要避開建筑施工回填土的影響;

(2)測點(diǎn)布置在穩(wěn)固的地基上;

(3)建筑物振動測量能反映建筑物、構(gòu)筑物整體振動和易破壞的部位。

按照以上原則,在礦區(qū)和東坪村布置6個(gè)觀測點(diǎn),用經(jīng)緯儀測出觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo),從而可以得到爆心與觀測點(diǎn)的距離。

構(gòu)筑物的破壞程度與質(zhì)點(diǎn)的振動速度密切相關(guān),因此,爆破地震波測試時(shí)通常測試質(zhì)點(diǎn)的振動速度。礦山購置了成都中科測控有限公司的“3850爆破振動記錄儀”,系統(tǒng)硬件包括傳感器、振動記錄儀、筆記本電腦。

爆破地震波在巖體中傳播時(shí),巖體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動是三維的,可分解為互相垂直的3個(gè)方向的分量,實(shí)際測試過程需要同時(shí)測試這3個(gè)正交分量,再求其矢量和,以完整描述地震波在巖體中的傳播規(guī)律。因此每一個(gè)測點(diǎn)要求有3個(gè)傳感器分別測量3個(gè)方向的振動速度分量。

2.2 測試方法

用生石膏粉加水調(diào)制成漿糊狀,將傳感器粘結(jié)在被測物較為堅(jiān)實(shí)的基座上。在安裝過程中,垂直速度傳感器應(yīng)該盡量保持與水平面垂直;水平速度傳感器的安裝應(yīng)該與水平面平行,用兩只水平傳感器分別測量徑向、切向的速度。安裝徑向水平傳感器應(yīng)該水平指向爆心,切向水平速度傳感器則與徑向垂直并且和地面保持水平。3個(gè)傳感器應(yīng)安裝在一起,構(gòu)成一個(gè)關(guān)于爆心的三維直角坐標(biāo)系。

3 結(jié)果分析

在東坪礦區(qū)1304,1264m中段進(jìn)行中深孔爆破時(shí),在礦區(qū)地表進(jìn)行了多次的現(xiàn)場測量,得到26組數(shù)據(jù)。采用非電雷管起爆,單段雷管起爆進(jìn)行6次地震波測試,多段雷管起爆進(jìn)行10次測試。爆破震動測試結(jié)果和波形圖顯示出相同的規(guī)律:

(1)最大爆破震動速度由單段最大藥量控制;

(2)不同段間爆破震動波未發(fā)生疊加;

(3)爆破振動各方向主頻率在14～35Hz左右;

(4)爆破震動波的衰減時(shí)間約為60～90ms。在最大單段藥量為530kg時(shí),測點(diǎn)的振速只有0.45 cm/s,遠(yuǎn)少于爆破安全規(guī)程的允許值。因此,中深孔微差爆破一般不會產(chǎn)生爆破震動疊加,只要控制單段藥量,可以放寬對總藥量的限制。

目前對爆破振動預(yù)測廣泛采用薩道夫斯基公式,但公式里參數(shù)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖土性質(zhì)、地形等因素有關(guān),因此對測得的實(shí)際數(shù)據(jù)用薩道夫斯基公式進(jìn)行擬合。

計(jì)算震動速度的薩道夫斯基公式為:

利用最小二乘法對測得26組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到:K=479.76;α=1.94。因此,對于東坪金礦礦區(qū)內(nèi)中深孔爆破引起的爆破振動速度可用式(2)計(jì)算:

爆破震動對結(jié)構(gòu)的破壞與頻率有關(guān),震動的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相同時(shí)容易發(fā)生共振,對結(jié)構(gòu)危害最大,因此頻譜分析可為裝藥量和爆破方式的選擇、安全距離的計(jì)算提供可靠依據(jù)。從表1可以看出,同一次爆破,不同方向的主振頻率有較大的差異,用3個(gè)方向最大分量確定總振幅不一定準(zhǔn)確。對構(gòu)筑物破壞最大的是徑向、切向振幅。爆破振動的主頻在12.8～34.8Hz之間,頻帶較窄。土坯房、磚房結(jié)構(gòu)允許的振幅分別為0.7～1.2,2.3～2.8 cm/s。多次地震波測試表明礦區(qū)中深孔爆破不會對東坪村的民房產(chǎn)生破壞。

表1 爆破震動測試主頻

圖1是某次在礦區(qū)南山井爆破時(shí)測得地震波的波形圖,爆破分析圖1所示的爆破振動波形圖得出,中深孔爆破震動波的衰減時(shí)間約為60～90ms?？傃b藥量為1100kg,單段最大裝藥量為297kg,爆心距測點(diǎn)的距離為183m,測的合成振速為0.703 cm/s。

圖1 爆破振動波形

4 工程應(yīng)用

東坪金礦緩傾斜厚大礦體現(xiàn)采用空場崩落法,為了保證回采的安全,必須強(qiáng)制崩落礦體的頂板處理空區(qū),一般強(qiáng)制崩落頂板采用硐室爆破。為保證放頂爆破對礦區(qū)相鄰的東坪村不產(chǎn)生破壞性影響及人身安全,必須控制放頂工程的單段藥量。經(jīng)過分析比較決定采用多硐室微差一次性起爆放頂。試驗(yàn)采場放頂工程共設(shè)計(jì)12個(gè)放頂小硐室,放頂爆破沒有對地表建筑物產(chǎn)生破壞性的影響。

4.1 最大單段藥量的確定

硐室放頂爆破爆心與東坪的距離R=401m,安全規(guī)程允許的土坯房振速V=0.7cm/s,用前述的式(2)計(jì)算得到單段最大藥量Q=2679kg,為了安全起見,多硐室放頂單段藥量取1500kg。

4.2 其它爆破參數(shù)的確定

強(qiáng)制崩落空區(qū)頂板處理空區(qū)對爆破塊度要求不高,因此采用松動爆破。松動爆破的計(jì)算公式如下:

式中:Q——爆破藥量,1500kg;

e——炸藥換算系數(shù),對2號巖炸藥e=1.0,對銨油炸藥e=1.0～1.15;

k′——松動爆破藥量系數(shù),對多臨空面或崩落爆破k′=(0.125～0.3)k,

k——標(biāo)準(zhǔn)單耗,kg/m3,一般為1.4;

W——最小抵抗線,m。

計(jì)算得到:W=15.3～20.5m。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,并考慮減少施工工程量,最小抵抗線取18m,放頂采場在1264m中段,在1344 m中段布置放頂硐室,頂板厚度平均27m左右,因此在1334中段施工放頂硐室時(shí),采用向下掘進(jìn)小井藥室進(jìn)行抵抗線調(diào)整,具體小井掘進(jìn)深度根據(jù)鉆孔深度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

爆破壓縮圈半徑計(jì)算公式為:

式中:Ry——壓縮圈半徑,即藥包向下作用深度,m;

Q——藥室裝藥量,kg;

△——炸藥密度,一般取0.8～0.85t/m3;

μ——壓縮系數(shù),堅(jiān)硬巖石一般為10。

計(jì)算得到Ry=1.6m。

松動爆破的破裂半徑按下式計(jì)算:

計(jì)算得到R=14～18.9m。

根據(jù)上述計(jì)算,在試驗(yàn)采場直接頂板1334中段設(shè)計(jì)布置12個(gè)放頂硐室。

4.3 爆破效果

硐室放頂采用雙發(fā)澳瑞凱雷管微差起爆破,硐室裝藥量1500kg,預(yù)測本次硐室放頂爆破使東坪村房屋產(chǎn)生的振幅為0.49cm/s,小于安全規(guī)程規(guī)定的允許值。

強(qiáng)制崩落頂板達(dá)到了預(yù)期效果,釋放了采場頂板的應(yīng)力,地表實(shí)測得到爆破地震波強(qiáng)度沒有超過安全規(guī)程的允許值,實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

(1)東坪金礦通過中深孔爆破的現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析,獲得了大量可靠的數(shù)據(jù)和一些規(guī)律。

(2)通過中深孔爆破地震監(jiān)測,可以判定礦山在進(jìn)行中深孔爆破時(shí)單段裝藥量控制650kg以下不會對東坪村的房屋產(chǎn)生破壞性影響。

(3)中深孔爆破地震監(jiān)測和分析,為該礦硐室放頂大爆破設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的數(shù)據(jù),放頂工程采用多硐室放頂,減少單段炸藥量,放頂大爆破沒有對地表建筑物產(chǎn)生破壞性的影響。

(4)中深孔爆破、硐室放頂爆破采用微差爆破,可減小爆破地震的影響。進(jìn)行微差爆破可以增大爆破量,減少爆破次數(shù),降低爆破生產(chǎn)成本。

[1]露天大爆破編寫組.露天大爆破[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1979.

[2]劉石義,趙小稚,鄭懷昌,等.礦山爆破地震波的測試分析[J].淄博學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程版),2002,4(4).

[3]GB6722-2003.爆破安全規(guī)程[S].

[4]楊年華,林世雄.爆破振動測試技術(shù)探討[J].爆破,2000,17(3).

2010-01-25)

鄭 曉(1975-),男,河北張家口人,助理工程師,主要從事采礦技術(shù)管理工作,Email:DPZX4772152@163.com。