地下采礦爆破振動對地面環(huán)境影響的監(jiān)測與分析*

楊 凱呂淑然董華興

（1.首都經(jīng)濟貿(mào)易大學安全與環(huán)境工程學院；2.河北省國控礦業(yè)開發(fā)投資有限公司）

地下采礦爆破振動對地面環(huán)境影響的監(jiān)測與分析*

楊 凱1呂淑然1董華興2

（1.首都經(jīng)濟貿(mào)易大學安全與環(huán)境工程學院；2.河北省國控礦業(yè)開發(fā)投資有限公司）

金屬地下礦山在采礦過程中，大多數(shù)礦山采用炸藥爆破進行開采，爆破產(chǎn)生的地震波將會傳播到地面，對地面建筑設(shè)施的安全產(chǎn)生影響。針對此問題，開展了采場爆破振動對地面環(huán)境影響的現(xiàn)場監(jiān)測，得到了爆破振動的監(jiān)測數(shù)據(jù)。選取了質(zhì)點峰值振動速度評價方法對影響后果進行分析，通過利用最小二乘法原理對數(shù)據(jù)進行線性回歸，得到地下采場爆破振動的薩道夫斯基公式。利用該公式對不同藥量、不同距離的爆破振動速度進行預測，并就振動速度、頻率、持續(xù)時間3個參數(shù)與火車通行振動產(chǎn)生的相應(yīng)數(shù)據(jù)進行了對比，通過對比分析，就采場爆破振動提出藥量控制標準。

爆破振動 地下礦山 安全影響 監(jiān)測

地下礦山開采過程中，多數(shù)使用爆破法崩落礦巖。爆破時，炸藥的一部分能量會轉(zhuǎn)換為地震波，從爆源以波的形式向外傳播，經(jīng)過介質(zhì)達到地表，引起地表的震動。這種震動的強度，隨著爆心距的增加而減弱。在爆區(qū)的一定范圍內(nèi)，當?shù)卣饎舆_到一定的強度時，會引起地表和建筑物、構(gòu)筑物不同程度的破壞［1］。張世雄等人對大冶鐵礦尖林山礦體無底柱分段崩落法回采進路采礦爆破振動速度的測試與研究表明，質(zhì)點爆破振動速度與單響最大爆破藥量和測點到爆心的距離密切相關(guān)，符合《爆破安全規(guī)程》［2］。但他并沒有分析地下爆破振動對地面建筑安全的影響。因此本研究以某礦山的實際采礦情況為背景，對其進行了地面地震波的監(jiān)測分析，以此為礦山安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 礦區(qū)地面環(huán)境與采場概況

1.1 地面環(huán)境

某礦山2005年建設(shè)時地表情況簡單，周圍沒有任何建筑物以及鐵路、公路等設(shè)施。2007年在礦區(qū)南側(cè)約100 m處修建了京通鐵路，之后又陸續(xù)建設(shè)了鄉(xiāng)村公路、公園、礦區(qū)辦公室、職工宿舍、村文化活動中心、賓館、小學等公共設(shè)施，這些建筑距離礦區(qū)井口均在100 m范圍以內(nèi)，使該采區(qū)的地面環(huán)境十分復雜，其中公園、礦區(qū)辦公室、職工宿舍、村文化活動中心、賓館、小學等建筑在采空區(qū)巖石移動監(jiān)測范圍內(nèi)，采空區(qū)充填后對這些建筑物的影響將會消除。礦區(qū)東側(cè)有相鄰采區(qū)開采，且部分巷道相通，相鄰采區(qū)目前已經(jīng)停產(chǎn)。

1.2 采礦方法

該礦山礦體厚度8.37～10.16 m，礦體傾角80°，礦巖穩(wěn)固，由于地面分布著很多建筑和基礎(chǔ)設(shè)施，地表不允許塌陷，因此選用平底結(jié)構(gòu)淺孔留礦全尾砂嗣后膠結(jié)充填采礦法。

礦山采用YT28鑿巖機鉆孔，炮孔孔徑42 mm，孔深4 m，孔距1.3～1.5 m，排拒0.8 m。一般鉆鑿1～2排，呈梅花形布孔。

爆破所用炸藥為巖石膨化硝銨炸藥，裝藥結(jié)構(gòu)為孔內(nèi)連續(xù)一段裝藥。采用普通導爆管雷管的爆破網(wǎng)路，其聯(lián)接方法也比較簡單，單孔裝藥14～15卷，即2.1～3 kg。一般布置1～2排炮孔，以1～3孔為一段，共10個段位。段與段間用半秒延時導爆管雷管串聯(lián)，以實現(xiàn)分段爆破，一段最大起爆藥量為6.3～9 kg。每天1班作業(yè)，1次爆破作業(yè)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測儀器

本次測定爆破質(zhì)點振動速度采用成都中科測控有限公司生產(chǎn)的TC－4850型爆破振動記錄儀以及配套的爆破振動分析軟件，簡稱BVA（Blasting Vibration Analysis）。現(xiàn)場爆破振動速度測試傳感器采用與TC－4850數(shù)據(jù)采集設(shè)備配套的速度傳感器為DX3型，其主要技術(shù)指標：頻響5～500 Hz；自然頻率（2.9± 10%）Hz；測速范圍0.1～40 cm／s；失真≤0.2%。

2.2 監(jiān)測方法

本次監(jiān)測參數(shù)為垂直振動速度，爆破振動監(jiān)測方法是在礦區(qū)地表建（構(gòu)）筑物附近不同位置呈直線狀態(tài)設(shè)置垂直振動速度傳感器，為了使傳感器能與大地耦合良好，將傳感器用快黏粉黏結(jié)于地面。然后把傳感器與地震儀相連，當爆破振動信號傳遞到測點時，DX3型速度傳感器會采集測點的信號，并轉(zhuǎn)換成電信號傳遞給TC－4850地震儀。然后回到室內(nèi)把地震儀與計算機連接，運用配套爆破振動分析軟件進行數(shù)據(jù)分析和存儲處理［3-4］。整個信號檢測系統(tǒng)如圖1。

圖1 信號檢測系統(tǒng)

2.3 監(jiān)測方案

爆破點位于地下，爆破產(chǎn)生的地震波對地面建筑物的影響主要來源于振動信號的垂直分量；同時，由于本次爆破時藥量小，爆破振動波的3個分量以垂直分量為主，其余2個方向上振動信號十分微弱，儀器不能采集；在《爆破安全規(guī)程》中規(guī)定的各項數(shù)值標準也主要以爆破振動垂直分量作為判斷依據(jù)。因此本次監(jiān)測數(shù)據(jù)只布置了垂直速度傳感器。

測點沿著采空區(qū)及建筑物附近呈直線布置在地表。具體為沿著地下采空區(qū)，把測點布置在活動中心前面廣場上，小學前面的公路上，居民樓附近的公園。每一測點布置速度傳感器，共15個傳感器。為了準確測試礦巖體爆破振動，把傳感器用快黏粉與地表相連。

同時，由于在距居民區(qū)100 m附近修建了鐵路，火車經(jīng)過時，產(chǎn)生的振動對樓內(nèi)的居民也會產(chǎn)生一定的影響。為了對比地下礦山爆破開采所產(chǎn)生的地震波和火車經(jīng)過的振動波，本次監(jiān)測同時記錄火車經(jīng)過時的振動信號。

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 分析方法

通常對爆破振動危害的主要分析方法是爆破地震烈度和質(zhì)點峰值振動速度2種，而實踐證明，質(zhì)點峰值振動速度與建筑物的破壞程度具有較好的相關(guān)性，因此本次采用質(zhì)點峰值振動速度對現(xiàn)場振動危害進行分析。

質(zhì)點峰值振動速度的計算用下式［5-7］：

式中，v為質(zhì)點峰值振動速度，cm／s；n為藥包形狀系數(shù)，歐美等國家的n值通常取1／2，我國和前蘇聯(lián)一般取1／3；Q為最大單響段藥量，kg；R為爆心距，即測點至爆源中心距離，m；K、α為與地質(zhì)條件、爆破類型及爆破參數(shù)有關(guān)的系數(shù)。

通常是通過現(xiàn)場試驗來確定K、α值的大小。在沒有現(xiàn)場試驗資料的情況下，不同巖石的K、α值，可參考表1確定［8］。

表1 不同巖性的K、α值

我國目前評價爆破振動對建（構(gòu)）筑物的危害，主要依據(jù)《GB6722—2003 爆破安全規(guī)程》規(guī)定的允許振動速度作為安全判據(jù)，該判據(jù)既考慮了爆破垂直振動速度的大小，又考慮了爆破振動主振頻率的作用，各保護對象安全允許振速見文獻［8］。

3.2 監(jiān)測結(jié)果與規(guī)律分析

對礦山采場正常生產(chǎn)爆破進行監(jiān)測，對不同爆破規(guī)模的3次正常采礦生產(chǎn)爆破進行了監(jiān)測，測得了41組垂直振動速度有效數(shù)據(jù)，典型的數(shù)據(jù)見表2。

表2 爆破振動測試結(jié)果

對時域內(nèi)的爆破振動信號進行FFT變換得到爆破振動頻域圖，分析表明，逐族爆破時，實際監(jiān)測爆破振動的主頻基本分布在10～90 Hz。

3.3 環(huán)境影響分析與討論

地下爆破振動對地面建筑物影響的因素較多，從表2可以看出，地下工程爆破振動有其自身的規(guī)律。

（1）地面振動速度和單響藥量Q有關(guān)。與露天爆破振動相似，地下爆破振動對地面振動速度的影響與單響最大藥量有關(guān)，與總藥量無關(guān)，當直線距離幾乎不變的情況下，單響藥量增加時，振動速度也相應(yīng)的增加，如在Q＝4.2 kg時，距離66 m的振動速度為0.044 cm／s；Q＝9 kg時，距離為65 m的振動

利用ORIGIN軟件中的最小二乘法原理對41組有效數(shù)據(jù)進行線性回歸，得到爆破振動傳播的規(guī)律性。對41個樣本點進行線性回歸分析得出：場地系數(shù)K值為174.16，地震波衰減指數(shù)α值為2.01，將線性回歸分析得到的K值和α值分別代入式（1），可得質(zhì)點垂直振動速度預測式?；貧w式基本能夠反映其爆破振動傳播的規(guī)律性。質(zhì)點垂直振動速度峰值的預測式為速度為0.119 cm／s。

（2）地面振動速度還與爆心距R有關(guān)。當單響藥量相同的時，地面測點振動速度距爆點越近，其振動速度越大。如表中Q＝9 kg時，爆心距為65 m時，振動速度為0.119 cm／s，爆心距為169 m時，振動速度為0.018 cm／s。

（3）利用式（2）分別對最大單響藥量為4.2 kg和9 kg時的爆破振動進行預測，在對比的41組數(shù)據(jù)中，有23組數(shù)據(jù)的實測值大于預測值，平均誤差值為0.039 cm／s。有18組數(shù)據(jù)的預測值大于實測值，平均誤差值為0.018 cm／s，監(jiān)測值與預測值十分接近，這也意味著預測值安全可靠。

按照式（2）預測采場生產(chǎn)爆破最大單響藥量9 kg時，在距爆點水平距離最近40 m的活動中心處和最近距離為52 m的村民小區(qū)的爆破振動預測速度值分別為0.062 cm／s和0.034 cm／s。完全滿足《GB6722—2003 爆破安全規(guī)程》的規(guī)定：對于土窯洞、土坯房、毛石房屋，當10～50 Hz時，爆破振動速度為0.7～1.2 cm／s的允許值［3］。爆破振動速度遠遠小于允許速度值的下限，并且分別保留11.3～19.4倍和20.6～35.3倍的富余量。

（4）盡管國內(nèi)外都有專家倡導用加速度值或速度值作為安全判據(jù)，但我們的意見是采用質(zhì)點振動速度值與振動頻率以及振動持續(xù)時間相結(jié)合來作為安全判據(jù)更好［9］。因此本研究將火車通行與爆破振動的這3方面相應(yīng)參數(shù)進行對比。利用式（2），采用Q＝9 kg對爆破振動速度進行預測。預測結(jié)果與火車通過產(chǎn)生的振動速度進行對比，在當前爆破水平及爆破規(guī)模下，采礦爆破所產(chǎn)生的爆破振動相比于礦區(qū)鐵路上行駛的火車來說，采礦爆破振動效應(yīng)比火車行駛產(chǎn)生的振動速度更大。對比結(jié)果見表3，振動頻譜對比見圖2。

表3 火車與爆破振動速度對比

從圖2中可以看出爆破振動頻率較高，范圍較廣，在25～100 Hz。而火車通行產(chǎn)生的振動頻率在10～20 Hz，頻率低，范圍窄。由于建筑物的自然頻率一般都比較低，當持續(xù)時間和振動速度都相同的情況下，低頻波的危害比高頻波的危害大，因為當爆破振動主頻率接近或等于建筑物結(jié)構(gòu)主頻率時，容易產(chǎn)生共振。因此火車振動頻率對建筑物危害大。

從圖3（a）可以看出，爆破震動波形持續(xù)時間較短，一般在1 s內(nèi)，持續(xù)時間較短，而火車通行產(chǎn)生的振動持續(xù)時間與火車長度、鐵軌長度、通行速度有關(guān)持續(xù)時間一般在90 s左右，見圖3（b）。振動頻率和幅值相同時，不同的爆破震動持續(xù)時間引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)最大值是相同的，但對考慮累積損傷的結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的塑性應(yīng)變隨震動持續(xù)時間的增加而增大［10］。因此火車經(jīng)過的持續(xù)時間將會對建筑結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變產(chǎn)生一定的影響。

由此，說明地下采區(qū)采礦爆破振動在頻率和持續(xù)時間上比火車小。振動速度與火車振動速度相當，均在毫米級，采用正常的爆破規(guī)模不會對其附近的建（構(gòu)）筑物造成不利影響。

圖2 振動頻譜圖

4 結(jié) 論

對于進行爆破開采的地下礦山，其爆破振動對地表環(huán)境的影響可以采用分析質(zhì)點峰值振動速度方法來評價其危害后果。

以上分析表明，目前礦山正常生產(chǎn)爆破，最大單響藥量9 kg時，爆破產(chǎn)生的爆破振動對距采場四周的建（構(gòu)）筑物不會造成不利影響。其振動速度比火車振動速度稍大，但在毫米級，且相對于爆破安全規(guī)程中規(guī)定的安全限值，留有足夠的富余量。爆破振動頻率比火車通行頻率高和持續(xù)時間比火車通行時短，因此可以認為其危害不及火車行駛振動。

圖3 振動持續(xù)時間

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Yang Kai1Lu Shuran1Dong Huaxing2
（1.School of Safety and Environment Engineering，Capital University of Economics and Business；2.Hebei State-owed Minerals Development＆Investment Co．，Ltd．）

In themining process，themajority of underground metalmines adopted explosive blasting.Seismic waves produced by blasting spread to the ground surface，which have an impact on the safety of the buildings and facilities on the ground.For this problem，the on-sitemonitoring of the impact of the stope blasting vibration on the ground environment is carried out，thus obtaining blasting vibration monitoring data.Peak particle velocity evaluationmethod is selected to analyze the impact ofblasting vibration.By linear regression of the data using the leastsquaresmethod，Sadov＇s Vibration Formula about underground stope is gained.Through the formula，blasting vibration velocitywith differentdoses and different distances are predicted，and three parameters of vibration velocity and frequency，duration were compared with the corresponding data generated by train traffic vibration.Then，the dose control standards for stope blasting vibration are proposed.

Blasting vibration，Underground mine，Safety impact，Monitor

2013-08-11）

*2011年度北京市屬高等學校人才強教深化計劃人才創(chuàng)新團隊項目（編號：PHR201107143）。

楊 凱（1986—），男，博士研究生，100070北京市豐臺區(qū)花鄉(xiāng)張家路口121號。

M onitoring and Analysis of Im pact of Blast Vibration on Ground Environment in Underground M ining