金屬礦山臺階爆破振速預(yù)測研究

張光權(quán)，吳春平，施俊健，陶鐵軍

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2.北京礦冶研究總院，北京 100070)

炸藥在介質(zhì)中爆炸時，其釋放出來的能量以不同的作用形式表現(xiàn)出來，其中沖擊波能量占2%～20%，空穴和介質(zhì)隆起能量占40%，噪聲、熱量及無用能量占40%～60%，用于破碎和介質(zhì)運動的能量占很少一部分，其余的無用能量中很大一部分以空氣沖擊波、飛石和爆破振動等工程災(zāi)害方式表現(xiàn)出來[1]。在爆破有害效應(yīng)中，爆破振動被認為是工程爆破中影響最大的公害之一。本文擬結(jié)合放馬峪鐵礦工程實踐對爆破振動的振速進行理論預(yù)測及實證研究。

1 爆破振動規(guī)律與預(yù)測方法

1.1 爆破地震波及其影響因素

炸藥在巖體中爆炸時，對巖體產(chǎn)生的擾動，這種擾動以應(yīng)力波的形式傳播便形成爆破地震波，當(dāng)它的強度超過一定限度時，會引起地表或附近結(jié)構(gòu)物的破壞，其造成破壞的程度主要決定于裝藥量和與震源的距離[2]。 影響爆破地震波產(chǎn)生和傳播的因素很多，主要有爆源、距震源的距離以及爆破地震波傳播區(qū)的地質(zhì)、地形情況等。

1.2 爆破振速的預(yù)測方法

1.2.1 爆破振動速度公式

爆破質(zhì)點峰值振動速度V的計算由薩道夫斯基公式確定[3]：

(1)

式中：V為保護對象所在地質(zhì)點振動安全允許速度，cm·s-1；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破時為總藥量，延時爆破為最大一段藥量，kg；R為爆破振動安全允許距離，m；K、α為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，可通過現(xiàn)場試驗確定。

1.2.2 用最小二乘法回歸方法確定K、α值

lnV=lnK+αlnρ

(2)

設(shè)y=lnV，a=α，x=lnρ，b=lnK，則式(2)可以表示為：

y=ax+b

(3)

根據(jù)最小二乘法原理，待定參數(shù)a、b應(yīng)使現(xiàn)場爆破試驗實測值yi=lnVi與式擬合值y′=axi+b=alnρi+b的偏差最小。因此，問題轉(zhuǎn)換為求解使殘差平方和取得最小值時的a、b值：

(4)

式中n為現(xiàn)場爆破試驗次數(shù)。

(5)

1.2.3 爆破振速的預(yù)測

通過現(xiàn)場爆破試驗得到若干組介質(zhì)質(zhì)點振動速度及相應(yīng)炸藥量、爆源距的實測數(shù)據(jù)，利用最小二乘法回歸K、α值，再用回歸后的K、α值代入式(1)，建立礦山的爆破振動速度峰值預(yù)測公式，即可預(yù)測具體爆破工程中距爆源一定距離質(zhì)點的振動速度。

2 放馬峪鐵礦爆破振速預(yù)測

2.1 爆破振動測試

本研究選用監(jiān)測儀器為UBOX-20016型爆破振動記錄儀，測試中采用脫機采集數(shù)據(jù)法。首先，根據(jù)爆破現(xiàn)場具體的地質(zhì)地形布置測線，選擇基巖作為傳感器的布置點，測點呈直線形分布。在選定的監(jiān)測地點安裝傳感器之前，清除地表浮土、浮石、疏松物，以及各種不利于黏接的物質(zhì)，然后用強力快黏粉將傳感器與基巖進行良好的耦合黏接；最后，將爆破振動記錄儀與傳感器連接，爆破前開機并調(diào)試。爆破完成后，將爆破振動記錄儀帶回與計算機連接讀取數(shù)據(jù)。

2.2 測試數(shù)據(jù)處理

為盡量消除誤差，取得較好的擬合效果，在密云縣放馬峪鐵礦爆破現(xiàn)場測得了100多組數(shù)據(jù)。其中包含了3種不同地表、地形條件下所測得的數(shù)據(jù)，具體情況如表1所示。

表1 不同地表介質(zhì)下的數(shù)據(jù)樣本數(shù)

為了分析比較的公平性和真實性，在實際處理時剔除差異大的和不同地表介質(zhì)條件下的監(jiān)測數(shù)據(jù)。本研究分別從垂直向、水平切向、水平徑向和振動速度矢量和4個途徑，對處理后的原始數(shù)據(jù)進行分析，求出各自的K、α值，并據(jù)此擬合出相應(yīng)的爆破振動速度預(yù)測公式。

2.2.1 垂直向振動速度分析

剔除在浮石上測得的數(shù)據(jù)點，以垂直振動速度Vc作為爆破振動速度回歸結(jié)果，見圖1。

圖1 以垂直振動速度為準計算的回歸結(jié)果

依據(jù)回歸原理可得：

K=eb=e4.266=71.24，α=a=1.58。線性相關(guān)系數(shù)γ=0.808。

據(jù)此可得垂直向振動速度預(yù)測公式：

(6)

2.2.2 水平徑向振動速度分析

以水平徑向振動速度作為爆破振動速度回歸結(jié)果，見圖2。

圖2 以水平徑向振動速度為準計算的回歸結(jié)果

依據(jù)回歸原理可得：

K=eb=e4.85711=129，α=B=1.7。線性相關(guān)系數(shù)γ=0.9。

則水平徑向振動速度預(yù)測公式如下：

(7)

2.2.3 水平切向振動速度分析

以水平切向振動速度作為爆破振動速度回歸結(jié)果，見圖3。

圖3 以水平切向振動速度為準計算的回歸結(jié)果

依據(jù)回歸原理可得：

K=eb=e4. 66813=106，α=B=1.8。線性相關(guān)系數(shù)γ=0.892。

于是得出水平切向振動速度預(yù)測公式：

(8)

2.2.4 振動速度矢量和分析

圖4 以矢量振動速度為準計算的回歸結(jié)果

依據(jù)回歸原理可得：

K=eb=e4.643=103.855，α=a=1.465。線性相關(guān)系數(shù)γ=0.913。

據(jù)此可得出爆破振動速度矢量和預(yù)測公式：

(9)

3 爆破振速預(yù)測公式的應(yīng)用

3.1 爆破振動速度最大值預(yù)測

根據(jù)回歸公式，可以對不同藥量、不同距離處爆破振動速度進行預(yù)測。根據(jù)試驗鐵礦目前實際情況，計算當(dāng)最大單響藥量Q=200 kg、250 kg、300 kg，R=50 m、80 m、100 m、150 m時的爆破振動速度，如表2所示。

表2 爆破振動速度計算預(yù)測值

由表2可以看出，爆破引起的質(zhì)點振動速度在量值上，垂直振動速度居于中間，而徑向振動速度最大。即使藥量增大到300 kg，在120 m、200 m處的振動速度也遠遠滿足《爆破安全規(guī)程》的相關(guān)要求。實際最大藥量為250 kg時，在120 m、200 m處的振動速度預(yù)測值分別為0.86 cm·s-1、0.36 cm·s-1，與《爆破安全規(guī)程》要求的2 cm·s-1相比還有很大的安全富余量。

3.2 居民區(qū)建(構(gòu))筑物振速預(yù)測

根據(jù)放馬峪鐵礦采礦爆破安全設(shè)計方案，可以得到鞍子溝采場、四和采場、蘿卜峪采場的最大一段起爆藥量Q。依據(jù)放馬峪采場現(xiàn)狀平面圖，可以計算出鞍子溝采場、四和采場、蘿卜峪采場離最近民房的距離R。在實際最大單響藥量Q和各采場最近民房的距離R基礎(chǔ)上，計算各采場離最近民房的工作面爆破作業(yè)時民房處產(chǎn)生的振動速度V。

由上述分析可知，垂直向振速預(yù)測公式在68.1m以外預(yù)測精度最高，因此用垂直向振速預(yù)測公式分別預(yù)測實驗所在礦山3個采場最近居民區(qū)的振動速度。同時為了便于比較，也計算了矢量和振速。計算結(jié)果見表3。

從計算結(jié)果可以看出，無論是垂直振速還是矢量和振速，最近民房處產(chǎn)生的振動速度均小于《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的2cm·s-1，故設(shè)計裝藥量可行。

3.3 公式預(yù)測結(jié)果與實測值對比分析

計算基于最大單響藥量Q=248.4 kg，爆破振動實際監(jiān)測與回歸公式計算預(yù)測對比分析結(jié)果見表4。

表3 居民區(qū)民房的振速計算值

表4 爆破振動實測值與計算值比較表

注：本表中誤差為相對誤差，取絕對值。

爆破振動實際監(jiān)測值與回歸公式計算值的對比分析表明，在較遠距離68.1m以外，其振動速度預(yù)測精度較高，最大誤差為9.3%，說明用其對68.1 m以外的振動速度進行預(yù)測，結(jié)果是可信的。而在近距離31.7 m附近振動速度預(yù)測的結(jié)果誤差較大，誤差最大達到59.5%，需在預(yù)測時結(jié)合實際采用適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)予以修正。

4 結(jié) 論

1)通過對放馬峪鐵礦爆破振動實測的120組數(shù)據(jù)進行分析，分別得出垂直向、水平切向、水平徑向和振動速度矢量和的K、α值，由此得出了該礦各速度分量的4個爆破振動預(yù)測公式。

2)通過多次現(xiàn)場監(jiān)測和對大量的實測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，垂直振動速度回歸公式能夠反映放馬峪鐵礦爆破振動的實際情況，尤其適用于距爆源較遠處垂直爆破振動速度的預(yù)測。

3)在對爆破區(qū)域附近居民區(qū)的爆破振動進行預(yù)測時發(fā)現(xiàn)，無論是垂直向振動速度還是矢量和振動速度，其預(yù)測值均不超過2 cm·s-1，表明最近民房處產(chǎn)生的振動速度是安全可靠的。

4)由薩道夫斯基公式經(jīng)線形回歸分析得出的爆破振速預(yù)測公式，對距爆源較近處質(zhì)點振動速度預(yù)測誤差較大，可在預(yù)測中結(jié)合實際情況用適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)予以修正。

[1] 楊小林, 侯愛軍. 巖溶隧道掘進爆破的地震效應(yīng)和安全標(biāo)準[J]. 洛陽工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報, 2007,17(1):1-5.

[2] 張立國. 爆破振動強度預(yù)測及其控制的研究[D].北京:北京科技大學(xué), 2005.

[3] 汪旭光,于亞倫,劉殿中.爆破安全規(guī)程實施手冊[M].北京:人民交通出版社,2004.