安慶銅礦充填體內(nèi)破壞區(qū)和非破壞區(qū)地震波衰減規(guī)律研究

袁本勝，史曉鵬，郭利杰，董凱程

（1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100160）

安慶銅礦充填體內(nèi)破壞區(qū)和非破壞區(qū)地震波衰減規(guī)律研究

袁本勝1，2，史曉鵬1，郭利杰1，董凱程1

（1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100160）

本文首先采用爆破震動(dòng)測試法對充填體內(nèi)的地震波進(jìn)行測試，然后根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行方程回歸擬合，獲得測試區(qū)段充填體內(nèi)破壞區(qū)和非破壞區(qū)的地震波衰減公式，進(jìn)而通過解方程求算充填體內(nèi)安全允許震速。然后采用聲波測試法根據(jù)聲波傳播速度的變化分析爆破引起的充填體破壞狀況驗(yàn)證所求得的充填體地震波衰減公式和安全允許震速的正確性。

地震波；衰減規(guī)律；充填體；爆破

隨著膠結(jié)充填等充填新工藝的逐漸完善，采用充填采礦法的礦山比例逐年增加，本文所述礦山即采用了充填采礦法開采。隨著采礦作業(yè)的不斷開展，該礦形成了兩面充填體中礦柱回采、三面充填體下礦房回采以及充填體下水平礦柱回采的局面。為了在回采過程中有效保護(hù)充填體，首先需要了解充填體的震動(dòng)破壞特性。本文首先采用爆破震動(dòng)測試法回歸擬合充填體破壞區(qū)和非破壞區(qū)的地震波衰減公式，然后通過解方程求得充填體內(nèi)安全允許震速；然后采用聲波測試法根據(jù)聲波傳播速度變化分析爆破引起的充填體破壞狀況以驗(yàn)證所得充填體內(nèi)破壞區(qū)和非破壞區(qū)的地震波衰減規(guī)律的正確性。

1 充填體概述

被測礦區(qū)地層主要為三迭系中上統(tǒng)灰?guī)r和粉矽巖，出露于礦區(qū)的東部與南側(cè)，露頭發(fā)育程度中等，地層較為完整。礦巖主要成分為大理巖、矽卡巖和閃長巖。礦體傾向西南，傾角較陡。礦區(qū)構(gòu)造基本為單斜層，地層走向?yàn)楸蔽鳎蠔|，傾向東北，傾角中等至平緩。礦區(qū)褶皺主要有西馬鞍山背斜和龜形山背斜。斷層和褶皺帶較發(fā)育，對礦床影響明顯，構(gòu)造發(fā)育程度中等。

測試場地位于－400m水平7＃采場充填體中間部位，在－400m至－460m天井聯(lián)絡(luò)道中－416m位置延伸原來的充填體調(diào)查橫巷，橫巷深20m，寬1.5m，測點(diǎn)和爆源點(diǎn)均布置在橫巷頂板。

對1＃礦體7＃、9＃礦房－488m、－471m 和－416m水平充填體做了開挖調(diào)查，并對取得的150個(gè)試樣進(jìn)行了測試，其平均強(qiáng)度為0.78MPa，其中在本次試驗(yàn)點(diǎn)位置所取試樣的平均強(qiáng)度為0.72MPa。

礦山生產(chǎn)過程中，1∶10配比的充填料漿平均濃度為70.38%，28天和60天強(qiáng)度平均值分別為1.14MPa、1.44MPa；1∶10配比濃度為70%～73%的充填體試塊28天抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果為1.23M～1.34MPa。

2 測試系統(tǒng)搭建

爆破震動(dòng)測試系統(tǒng)由傳感器、震動(dòng)測試儀和微型計(jì)算機(jī)等組成。傳感器為磁電式垂直型震動(dòng)速度傳感器，它為彈簧－質(zhì)量系統(tǒng)，當(dāng)物體震動(dòng)時(shí)，由于慣性導(dǎo)致線圈與磁鋼相對運(yùn)動(dòng)，切割磁力線人而在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。震動(dòng)測試儀采用高速微控制器，將速度傳感器輸出的電壓量進(jìn)行處理，然后由12位高速A/D轉(zhuǎn)換器對電壓量進(jìn)行量化并將量化結(jié)果保存到存儲(chǔ)器內(nèi)。通過該儀器與計(jì)算機(jī)的RS－232串行接口通信可將測試的數(shù)據(jù)結(jié)果存入計(jì)算機(jī)磁盤，之后利用配套軟件即可進(jìn)行分析處理。

聲波速度測試采用數(shù)字存儲(chǔ)示波器和計(jì)算機(jī)采集和存儲(chǔ)波形。根據(jù)雙通道波形起始點(diǎn)判讀直接得出兩測點(diǎn)間聲波傳播時(shí)間，由此和兩點(diǎn)間距離即可求出傳播速度。當(dāng)充填體破壞時(shí)，波速會(huì)有不同程度的降低；反過來，根據(jù)同一測試區(qū)間的波速變化可分析充填體的破壞狀況。

測點(diǎn)包括震動(dòng)速度測點(diǎn)和聲波速度測點(diǎn)，均布置在巷道頂板，見圖1。震動(dòng)速度測點(diǎn)共8個(gè)，編號為1?！?＃。聲波速度測點(diǎn)有2個(gè)，編號為a和b。圖中A、B、C、D、E為5個(gè)爆破用鉆孔，垂直向上，孔深0.5 m。

圖1 測試點(diǎn)位置示意圖

圖2 第1次測試獲得的波形圖

3 爆破震動(dòng)衰減規(guī)律分析

圖2為第1次測試獲得的波形（限于篇幅，其他波形略）。根據(jù)5次測試獲得的波形，經(jīng)過計(jì)算得出比例藥量和峰值震速結(jié)果見表1。

比例藥量：ρ＝Q1/3/R，式中 Q 表示炸藥量，齊發(fā)爆破時(shí)為總裝藥量，微差爆破時(shí)為最大一段裝藥量，單位kg；R表示測點(diǎn)與爆破中心的距離，m。

峰值震速：V＝震動(dòng)測試儀測得的峰值電壓/傳感器靈敏度。

從表1可以看出，在5次測試中，比例藥量取值范圍為0.0232～0.2656kg1/3/m，峰值質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度最小值為0.88cm/s，最大值為14.85cm/s。峰值質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度與比例藥量在雙對數(shù)坐標(biāo)系中的散點(diǎn)圖參見圖3。從散點(diǎn)圖可以看出，當(dāng)比例藥量由小逐漸增大時(shí)，震速的變化趨勢也是由小變大，但當(dāng)比例藥量較大時(shí)，震速增長趨勢變慢，大約在0.1時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。此拐點(diǎn)可以理解為充填體破壞區(qū)和非破壞區(qū)的分界點(diǎn)，它的值即是本文需推算的臨界比例藥量及與之對應(yīng)的臨界震速，而關(guān)鍵之所在就是如何確定此拐點(diǎn)。

表1 5次爆破震動(dòng)測試的比例藥量和峰值震速

具體推算方法為：按比例藥量由小到大的順序逐漸增加回歸點(diǎn)并進(jìn)行回歸，同時(shí)作相關(guān)系數(shù)和F檢驗(yàn)。當(dāng)檢驗(yàn)值出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)，即以此前檢驗(yàn)的最佳值對應(yīng)的回歸公式作為正常狀態(tài)下（也即非破壞狀態(tài)下）充填體的地震波衰減公式。再按比例藥量由大到小的順序逐漸增加回歸點(diǎn)并進(jìn)行回歸，同時(shí)作相關(guān)系數(shù)和F檢驗(yàn)以得出非正常狀態(tài)下（也即破壞狀態(tài)下）充填體的衰減公式。兩條回歸線的交點(diǎn)即是所求的臨界比例藥量和臨界震速。

3.1 非破壞狀態(tài)下充填體中地震波衰減規(guī)律

從比例藥量小于0.07的所有點(diǎn)開始回歸，然后按比例藥量由小到大的順序逐點(diǎn)加入進(jìn)行回歸（因篇幅所限，回歸分析數(shù)據(jù)表略）。

回歸曲線相關(guān)系數(shù)R范圍為0.722～0.907，若在0.05水平檢驗(yàn)，查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表得出其范圍為0.304～0.381，實(shí)際回歸得到的R均超出該范圍，表明地震波在充填體內(nèi)的衰減規(guī)律按公式V＝K（Q1/3/R）α擬合的效果較好。對 F 值在 0.05 和0.01水平檢驗(yàn)，查F分布表可得其范圍分別為4.08～4.24和7.31～7.77，而上表中的 F 值在25.048～147.725之間，全部超出查表值，可見擬合的曲線關(guān)系高度顯著。比較各次回歸的剩余標(biāo)準(zhǔn)差s，以s值最小為優(yōu)，也就是說以s為最小值時(shí)回歸得出的K、α值作為未被破壞的充填體中地震波衰減公式的K、α值。從表1中數(shù)據(jù)可求出，未被破壞的充填體中地震波衰減公式見式（1）。

3.2 破壞狀態(tài)下充填體中地震波衰減規(guī)律

對于充填體破壞區(qū)的地震波衰減公式回歸，數(shù)據(jù)選取按比例藥量從大到小的順序取至其稍小于0.1（未被破壞的充填體中地震波衰減公式回歸取點(diǎn)的最大比例藥量為0.1027）即可。

根據(jù)前述非破壞區(qū)充填體同樣的計(jì)算方法得到破壞區(qū)充填體中地震波衰減公式（式（2））。

最終獲得的破壞區(qū)和非破壞區(qū)充填體中地震波衰減公式的回歸線見圖3。

將破壞區(qū)和非破壞區(qū)充填體中地震波衰減公式（1）、式（2）聯(lián)立解方程得到安全允許震速 V＝9.22cm/s，對應(yīng)的比例藥量ρ＝0.0955kg1/3/m。

圖3 破壞區(qū)與非破壞區(qū)充填體中震動(dòng)數(shù)據(jù)散點(diǎn)與回歸線

4 利用聲波測試法驗(yàn)證衰減規(guī)律

聲波速度測試點(diǎn)為2個(gè)固定接收點(diǎn)，通過錘擊人為產(chǎn)生聲源。錘擊點(diǎn)與接收點(diǎn)同在一條直線上。兩接收點(diǎn)的距離為0.71m。在5次測試爆破之前和前4次爆破之后都進(jìn)行了聲波測試，雙通道數(shù)據(jù)采集器記錄的波形分別見圖4。取得的聲波傳播時(shí)間和經(jīng)計(jì)算得出相應(yīng)的聲波傳播速度見表2。

表2 充填體聲波測試數(shù)據(jù)

由表2可知，從第1次爆破后波速就開始減小，以后各次比前一次也都減小。由此可見，第1次爆破就已經(jīng)對兩測試點(diǎn)的充填體產(chǎn)生破壞，且隨著爆源的逐漸靠近，破壞程度越來越嚴(yán)重。

圖4 聲波測試波形

按式（1）計(jì)算，在第1次爆破時(shí)，藥量為0.075kg，爆心與第a和b兩測試點(diǎn)的距離分別為3.8 6 m和4.6 m，求得此二點(diǎn)的峰值震速分別為11.27cm/s和8.67cm/s。兩測試點(diǎn)所求得的峰值震速在前文所求得的安全允許震速9.22cm/s的兩邊，說明充填體被破壞的位置在兩測試點(diǎn)之間。

上述由爆破震動(dòng)和聲波速度測試分析兩種方法所得結(jié)論一致，相互驗(yàn)證了正確性，充分說明本研究對具體充填體條件進(jìn)行實(shí)測得出的衰減公式和安全允許震速是可信的。

5 結(jié)論

本文對同一次爆破采用爆破震動(dòng)測試數(shù)值擬合法和聲波測試法兩種方法對爆破震動(dòng)在充填體內(nèi)的衰減規(guī)律進(jìn)行測試，并根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行方程回歸擬合，取得測試區(qū)段充填體內(nèi)破壞區(qū)和非破壞區(qū)的地震波衰減規(guī)律，并輔以聲波速度測試反映充填體破壞狀況，驗(yàn)證了前述結(jié)果的正確性。獲得了如下結(jié)論。

1）按比例藥量逐點(diǎn)加入回歸以剩余標(biāo)準(zhǔn)差s判優(yōu)，并利用相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)在未知破壞區(qū)和非破壞區(qū)的情況下找出了此二區(qū)兩條回歸線的回歸系數(shù)，據(jù)此劃定兩區(qū)界線，從而確定充填體內(nèi)安全允許震動(dòng)速度。

2）對于本測試的充填體，灰砂比為1∶10時(shí)，充填體非破壞區(qū)的震動(dòng)衰減公式為V＝307.912（Q1/3/R）1.494。

3）對于本測試的充填體，灰砂比為1∶10時(shí)，充填體破壞區(qū)的震動(dòng)衰減公式為 V＝26.972（Q1/3/R）0.457。其衰減指數(shù)明顯低于非破壞區(qū)的衰減指數(shù)，即爆破震動(dòng)在破壞區(qū)的衰減慢。場地系數(shù)也因充填體被破壞而明顯減小。

4）對于本測試的充填體，灰砂比為1∶10時(shí)，安全允許震動(dòng)速度為9.22cm/s。

5）可通過測量充填體內(nèi)兩個(gè)點(diǎn)的聲波速速來判斷充填體的破壞狀況。

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Study on blasting vibration attenuation law for the failure zone and non－failure zone of backfilling in Anqing copper mine

YUAN Ben－sheng1，2，SHI Xiao－peng1，GUO Li－jie1，DONG Kai－cheng1
（1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 100160，China）

At first this paper use the method of the blasting vibration to test the seismic wave on the filling body，then apply the principle of mathematical statistics and the least squares to fit of regression equation，and obtain the attenuation formula of the seismic wave at the failure zone and non－failure zone of the filling body，also by solving the equation to calculate the allowable safety vibration velocity of filling body.At last it use the sound wave test method with its features of that the change of the seisimic wave velocity can indicate the destroys state of the filling body，to validate the attenuation formula of the seismic wave at the failure zone and non－failure zone of the filling body.

seismic wave；attenuation law；backfilling；blasting

袁本勝（1982－），男，漢族，工程師，碩士，主要從事礦山安全監(jiān)測方向的工作。E－mail：yuanbsh＠163.com。

P631

A

1004－4051（2014）S2－0309－04

2014－10－17

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助（編號：2013BAB－02B02；2012BAB01B04）；國際合作項(xiàng)目資助 （編號：2011DFA－71990）；北京礦冶研究總院院基金課題資助（編號：YJ－2012－01）；礦山主被動(dòng)結(jié)合高精度微震監(jiān)測技術(shù)與裝備研發(fā)項(xiàng)目資助（編號：2012BAK09B03）