復(fù)雜環(huán)境下大規(guī)模中深孔控制爆破振動規(guī)律的試驗研究

陳穎鋒,王茂玲,史太祿,王迪安

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

復(fù)雜環(huán)境下大規(guī)模中深孔控制爆破振動規(guī)律的試驗研究

陳穎鋒,王茂玲,史太祿,王迪安

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

為了探索復(fù)雜環(huán)境下大規(guī)模中深孔控制爆破振動的傳播規(guī)律,根據(jù)大量現(xiàn)場觀測結(jié)果,經(jīng)數(shù)值計算和分析,發(fā)現(xiàn)了爆破近區(qū)爆破地震波質(zhì)點峰值振動速度隨比例距離變化而變化的傳播規(guī)律,并首次提出了在硬巖爆破比例距離小于 8的為爆破近區(qū)、大于 8的為中遠(yuǎn)區(qū)爆破范圍的劃分標(biāo)準(zhǔn)。同時根據(jù)爆破振動觀測結(jié)果,應(yīng)用最小二乘法原理編程進(jìn)行回歸分析和方差分析,得出了不同巖性條件下中深孔控制爆破近區(qū)的爆破振速計算公式。

中深孔爆破;爆破振動;爆破近區(qū);比例距離

1 復(fù)雜環(huán)境下大規(guī)模中深孔控制爆破振動規(guī)律的試驗研究

1.1 試驗研究的理論依據(jù)

前蘇聯(lián)《爆破工程師手冊》中相關(guān)資料認(rèn)為:在地震波作用區(qū),質(zhì)點峰值振動速度隨 R-1增加而降低;在爆破作用近區(qū),巖石呈非線性彈性狀態(tài),質(zhì)點峰值振動速度隨 R-1.5增加而降低。大量國內(nèi)外爆破地震觀測資料表明:反映爆破振動強(qiáng)度的諸物理量與最大一段裝藥量、測點距爆源中心距離、巖土及場地條件等因素有密切關(guān)系,大致可總結(jié)出如下經(jīng)驗公式:

式中:A——反映爆破振動強(qiáng)度的物理量;

Q——最大一段裝藥量,kg;

R——測點距爆源中心距離,m;

K——反映場地條件的常數(shù);

α——衰減指數(shù)。

分析式(1)知,描述爆破振動的諸物理量與距離和藥量 (Q1/3/R)有關(guān),為突出表述爆破振動物理量隨距離增加而減少,將式 (1)作如下變換:

式中,ρ稱之為比例距離,ρ=R/Q1/3,其它符號含義同式 (1)。

分析式 (2)得知,影響爆破振動諸物理量的因素中,除與地質(zhì)條件有關(guān)且無法改變的場地常數(shù) K和衰減指數(shù)α外,就只有比例距離。因此只有依據(jù)比例距離的大小來劃分爆破地震影響區(qū)域。但合適比例距離值需要進(jìn)行實驗觀測和計算分析。

1.2 試驗研究方案、觀測物理量選擇及觀測系統(tǒng)的確定

根據(jù)某高速公路 J2標(biāo)段 K291+650至 K292+360區(qū)段的巖石性質(zhì)及巖石結(jié)構(gòu)情況,選擇 K291+650-850區(qū)段的二級臺階作為試驗研究區(qū)段。將整個試驗區(qū)段分成巖石堅硬區(qū)段 (即 K291+650-790區(qū)段)和巖石破碎區(qū)段 (即 K291+790-850區(qū)段),對這兩個區(qū)段分別布點觀測。根據(jù)爆破參數(shù)及爆破影響區(qū)域劃分原則及經(jīng)驗,參考以往觀測資料,初步確定以測點距爆心 60 m以內(nèi) (比例距離約為 16)為爆破地震波傳播近區(qū),而 60 m以外 (比例距離大于 16)則為中遠(yuǎn)區(qū)。根據(jù)觀測方案與質(zhì)點垂直方向振動速度觀測物理量,預(yù)估被測信號大小及頻率范圍,選擇觀測系統(tǒng)。觀測系統(tǒng)由拾震儀、信號傳輸線、測震儀及一套分析軟件組成。

1.3 試驗研究結(jié)果及分析

現(xiàn)場觀測共獲得有效爆破地震波形 111個,對波形進(jìn)行時域分析和頻譜分析,得有效數(shù)據(jù) 333組。其中破碎巖波形 48個,數(shù)據(jù) 144組,堅硬巖波形 63個 ,數(shù)據(jù) 189組。

質(zhì)點峰值振動速度在 0.04～9.90 cm/s范圍內(nèi)變化,破碎巖的質(zhì)點峰值振動速度最小,堅硬巖的質(zhì)點峰值振速最大;主頻率在 9.16～51.27 Hz范圍內(nèi),最小的在破碎巖中,最大的在堅硬巖中;振動持續(xù)時間在 298～1165 ms內(nèi)變化,振動持續(xù)時間最短的在破碎巖中,最長的在堅硬巖中。

在工程中一般都采用經(jīng)驗公式描述爆破地震波隨距離的衰減規(guī)律,如式 (2)所示。將質(zhì)點峰值振動速度 v代入式 (2),即可得到描述爆破地震波質(zhì)點峰值振動速度隨距離的衰減規(guī)律的經(jīng)驗公式:

式中,v為質(zhì)點峰值振動速度,cm/s,其它符號含義同式 (2)。

1.3.1 破碎巖觀測結(jié)果分析

對破碎巖的 144組觀測數(shù)據(jù)結(jié)果按比例距離排序,仔細(xì)觀察質(zhì)點峰值振動速度隨比例距離的變化規(guī)律可知,在等效距離ρ等于 16時有一拐點。以這個拐點作為近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)的分界點,按最小二乘法原理編程,對 144個觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析和方差分析,分析結(jié)果見表1,質(zhì)點峰值振動速度與等效距離的回歸曲線見圖1。

表1 破碎巖 k、α值及方差分析結(jié)果

圖1 破碎巖比例距離與質(zhì)點峰值振動速度的關(guān)系曲線

從表1和圖1可以看出,破碎巖近區(qū)的爆破地震波傳播規(guī)律可用下列經(jīng)驗公式表達(dá):

式中各符號意義同公式 (1)。

從表1中得知,公式 (4)的相關(guān)系數(shù) R分別為0.92和 0.94,標(biāo)準(zhǔn)偏差 Sy分別為 0.18和 0.16,表明數(shù)據(jù)規(guī)律性好,是線性相關(guān)的;用公式 (4)可描述某高速公路 J2標(biāo)段 K291+790-850區(qū)段地形地質(zhì)條件和大規(guī)模爆破方式下的近區(qū)爆破地震波傳播規(guī)律。兩者檢驗比值 F都大于 0.001水平下的顯著值 F0.001,說明公式 (4)在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)的置信度大于99.9%。所有這些都表明,可以利用公式 (4)來指導(dǎo)爆破施工設(shè)計。

為研究破碎巖主頻率隨等效距離的變化規(guī)律,將觀測數(shù)據(jù)按等效距離排序。在大規(guī)模爆破方式下近區(qū)主頻率在 12.21～49.44 Hz變化,其中 20 Hz以上的占 33.33%,20 Hz以下的占 66.67%;在中遠(yuǎn)區(qū),主頻率在 9.16～23.8 Hz變化,20 Hz以上的占25%,20 Hz以下的占 75%。

圖1中兩直線的斜率分別表示近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)的衰減指數(shù) k,直線截距分別表示近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)的場地常數(shù)α。對比圖中兩直線的斜率和截距看出,直線 1的斜率和截距均大于直線 2的斜率和截距。因此從直觀上初步得出了近區(qū)的場地常數(shù)和衰減指數(shù)均大于中遠(yuǎn)區(qū)的場地常數(shù)和衰減指數(shù)的結(jié)論。

1.3.2 堅硬巖觀測結(jié)果分析

對堅硬巖的 189組觀測數(shù)據(jù)按比例距離排序,仔細(xì)觀察質(zhì)點峰值振動速度隨比例距離變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn),在比例距離小于 8時,質(zhì)點峰值振動速度比較離散,且有幾個極值點;在比例距離大于 8時,質(zhì)點峰值振動速度突然變大,隨后逐漸衰減變小。因此可以認(rèn)為比例距離等于 8為近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)的分界點,比例距離小于 8的為近區(qū),大于 8的為中遠(yuǎn)區(qū) ,見圖2。

圖2 堅硬巖近區(qū)質(zhì)點峰值振動速度與比例距離的關(guān)系曲線

在近區(qū),由于質(zhì)點峰值振動速度比較離散且有3個極值點出現(xiàn),因此用 4次多項式對這區(qū)域內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行回歸分析和方差分析,回歸分析結(jié)果見式(5),方差分析結(jié)果見表2,比例距離與質(zhì)點峰值振動速度曲線見圖2。

表2 堅硬巖 k、α值及方差分析結(jié)果

從表2得知,公式 (5)的相關(guān)系數(shù) R為 0.92,標(biāo)準(zhǔn)偏差 Sy為 0.49,表明數(shù)據(jù)規(guī)律性好,是相關(guān)的;用公式 (5)可以描述某高速公路 J2標(biāo)段 K291+650-790區(qū)段地形地質(zhì)條件和大規(guī)模爆破方式下的近區(qū)爆破地震波傳播規(guī)律。檢驗比值 F大于 0.001水平下的顯著值 F0.001,說明公式 (5)在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)的置信度大于 99.9%。所有這些都表明,可以利用公式(5)指導(dǎo)該區(qū)段近區(qū)爆破施工設(shè)計。

為研究堅硬巖主頻率隨距離的變化規(guī)律,將觀測數(shù)據(jù)按比例距離排序。在近區(qū),主頻率在13.43～50.05 Hz變化,其中 20 Hz以上的占 76.92%,20 Hz以下的占 23.08%;在中遠(yuǎn)區(qū),主頻率在 14.65～51.27 Hz范圍內(nèi)變化,20 Hz以上的占 67.57%,20 Hz以下的占 32.43%。顯然,爆破地震波主頻率有隨距離增加衰減的趨勢。

2 結(jié) 論

(1)根據(jù)觀測研究近區(qū)爆破地震波傳播規(guī)律特點,發(fā)現(xiàn)近區(qū)爆破振動頻率高、衰減速度快、作用時間短,近區(qū)場地系數(shù)大于中遠(yuǎn)區(qū)的場地系數(shù)。

(2)無論是在堅硬巖或破碎巖條件下進(jìn)行近區(qū)大規(guī)模爆破,其主頻率均大于建 (構(gòu))筑物的自振頻率 (3～11 Hz),避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生,因此在近區(qū)爆破施工時的安全距離計算,必須要同時考慮爆破振動頻率的影響因素。

(3)根據(jù)觀測結(jié)果首次找出和定量描述了爆破地震波質(zhì)點峰值振動速度隨比例距離變化而變化的傳播規(guī)律。同時明確提出了在堅硬巖石條件下近區(qū)爆破比例距離小于 8的為爆破近區(qū),反之,比例距離大于 8的為中遠(yuǎn)區(qū)爆破范圍的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

(4)根據(jù)爆破振動觀測結(jié)果,按最小二乘法原理編程,對 333個有效觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析和方差分析,所得出的爆破振動速度計算公式可用于同類條件下的爆破施工設(shè)計。

[1] [蘇 ]B.H.庫特烏佐夫,等.爆破工程師手冊 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1992.

[2] GB6722-2003.爆破安全規(guī)程[S].

[3] 長沙礦山研究院,湖南省交通廳.耒宜高速公路復(fù)雜環(huán)境下大規(guī)模路塹開挖中深孔控制爆破技術(shù)的研究鑒定資料[Z].長沙:長沙礦山研究院,2000.

[4] 方 向,高振儒,李的林,等.降低爆破振動效應(yīng)的幾種方法[J].爆破器材,2003,6(2):22-25.

2011-06-26)

陳穎鋒 (1962-),男,江西寧都人,高級工程師,主要從事爆破技術(shù)和爆破工程施工技術(shù)管理。