煤礦深孔爆破地震波傳播規(guī)律與能量分析

汪海波，徐 穎，宗 琦

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

煤礦深孔爆破地震波傳播規(guī)律與能量分析

汪海波，徐 穎，宗 琦

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

通過現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測，獲得了煤礦綜采面硬巖段深孔松動爆破地震波的衰減規(guī)律；采用sym5小波基對典型振動信號進行分解，研究爆破地震波的能量分布特征。結(jié)果表明：深孔松動爆破振動的持續(xù)時間為150 ms左右，振動速度三方向分量中徑向分量最大；主振頻率分布在40～60 Hz，能量主要集中在30～65 Hz的頻帶范圍，存在強烈爆破振動造成巖石崩落對管線設(shè)備造成危害的可能。根據(jù)衰減規(guī)律，得到深孔爆破的單段最大允許藥量，提出施工時控制單段最大藥量和加強爆破炮孔周圍防護，保證了施工安全。

煤礦安全；施工安全；深孔爆破；爆破振動

鉆孔爆破是煤炭開采必不可少的技術(shù)手段，廣泛用于井巷掘進、煤層致裂增透等方面。其中，深孔爆破技術(shù)在煤層瓦斯增透[1]、厚硬頂板強制放頂[2]和煤層厚硬夾矸處理[3]等工程中得到較好的應用，其炮孔深度由十幾米到幾十米，甚至上百米，單段最大起爆藥量也多達上百千克。一般的淺孔采掘爆破不會造成巷道、硐室等地下結(jié)構(gòu)垮塌，但是眾多煤礦巷道中布置有瓦斯抽排管、水、電、壓風等管線，強烈的爆破振動會導致巖石崩落造成事故，而煤礦許用雷管的延期時間是有限的(130 ms)。因此，深孔爆破地震效應產(chǎn)生的危害不容忽視。

目前，煤礦深孔爆破振動方面的研究較少，文獻[4]通過對采面卸壓爆破振動進行監(jiān)測、分析，研究了爆破地震效應對煤與瓦斯突出的影響；文獻[5]研究了炮采工作面爆破振動對硐室穩(wěn)定性的影響；文獻[6-7]則對巷道掘進爆破振動效應進行監(jiān)測分析。為此，依托綜采面硬巖深孔松動預裂爆破工程，研究煤礦井下深孔爆破地震波的傳播規(guī)律；基于Matlab平臺，采用sym5小波基對典型測試振動信號進行小波分析，研究振動信號的頻譜和能量分布特征，為深孔松動爆破參數(shù)設(shè)計和施工優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

某礦采煤工作面沿風巷走向有55 m長的全巖段，巖性主要為中砂巖，堅固性系數(shù)f=8～10。經(jīng)方案比選，采用深孔松動預裂爆破增加巖體內(nèi)的裂隙，以利于采煤機施工，節(jié)約時間，降低成本。根據(jù)地質(zhì)資料，距工作面較近的炮孔深度25～40 m，較遠處的炮孔深度為70～90 m；爆破區(qū)域距切眼最短距離為25 m，為避免給安全生產(chǎn)帶來的隱患，保證爆破區(qū)域附近巷道巖(煤)體的穩(wěn)定，在爆破施工初期一次起爆1～2個炮孔，并進行爆破振動監(jiān)測，為后續(xù)爆破提供參考。

1.1 深孔爆破方案

由于機巷膠帶機已安裝完畢，不利于鉆爆施工。爆破工作在風巷實施，炮孔垂直于風巷巷幫，炮孔排距800 mm，間距1 500 mm；炮孔直徑Φ75 mm，藥卷直徑Φ63 mm。起爆采用煤礦許用毫秒延期電雷管。爆破時的炮孔深度、最大段藥量、起爆炮孔數(shù)目等參數(shù)如表1所示。

表1 爆破振動測試結(jié)果

1.2 監(jiān)測方案與結(jié)果

爆破振動監(jiān)測采用Blastmate SeriesⅢ振動監(jiān)測儀，該儀器可以對質(zhì)點振動速度、加速度和頻率進行測試。測點布置在往切眼方向巷道底腳處，得到的測試結(jié)果如表1所示，序號3的振動速度波形如圖1所示。

2 爆破地震波傳播規(guī)律分析

由表1和圖1可見：振動速度三個方向分量中，水平徑向峰值較大，這與文獻[7]117軟巖巷道掘進爆破振動地震波傳播規(guī)律一樣；不同的是，深孔爆破振動的主振頻率主要集中在40～60 Hz，而文獻[7]117巷道掘進爆破振動的主振頻率高的多，為100～250 Hz。圖1中可明顯看到振動的持續(xù)時間約為0.15 s，且存在2個波峰，這與爆破時使用了兩段雷管相符合。

利用薩道夫斯公式對表1振動速度進行回歸[8]43，發(fā)現(xiàn)合速度和徑向速度的相關(guān)性較高，而其它分量相關(guān)性較差，爆破振動合速度和徑向速度的衰減規(guī)律為

(相關(guān)系數(shù) 0.918) (1)

(相關(guān)系數(shù)0.933) (2)

式中：V為質(zhì)點峰值振動速度，cm/s；Q為單段最大起爆藥量，kg；R為爆心距，m。

鑒于爆破場所環(huán)境較為復雜，爆破點距采煤工作面較近(最近時25 m)，炮孔周圍3～5 m范圍內(nèi)分布有鉆機、瓦斯抽排管、水、電、壓風等管線設(shè)備，強烈的振動會導致巷道圍巖崩落、造成危害。根據(jù)文獻[8]42：礦山巷道的安全振速為15～30 cm/s。由于爆破時封堵長度6～7 m，考慮工作面和管線設(shè)備的安全，結(jié)合表1中爆破振動頻率的分布，取6 m處安全允許振速25 cm/s；根據(jù)式(1)可反算出爆破的單段最大藥量為189.6 kg，試驗期間的114 kg滿足要求，并在后期施工中控制單段最大藥量小于160 kg；同時起爆多個炮孔時，各炮孔使用不同段別的雷管。

3 頻譜與能量分析

常用的振動信號分析方法有傅立葉變換、快速傅立葉變換、小波(小波包)變換和HHT方法等。鑒于振動速度的徑向分量最大，研究采用的sym5小波基函數(shù)對其進行小波包變換。儀器的采樣頻率為1 024 Hz，由Shannon采樣定理可得[9]，奈奎斯特頻率為512 Hz。根據(jù)小波(包)分解原理，可將測試得到的振動信號進行5層分解：將512 Hz范圍內(nèi)的振動信號分解成25個子頻率帶，每個頻率帶帶寬為16 Hz，最低頻率帶為0～16 Hz，最高頻率帶為496～512 Hz。表1中序號3的徑向速度信號分解得到的前8個分量和一個余量如圖2所示。

1) 頻帶d3、d4是信號的主要組成部分，振幅峰值接近20 mm，對應的頻帶分別為32～48 Hz和48～64 Hz。這兩個頻帶按時間可劃分為兩個部分，與圖1中徑向振動速度波形圖兩個峰值相吻合，也說明地震波沒有發(fā)生疊加。

2) 頻帶d2、d5是信號的次主要部分，振幅峰值接近10 mm，且呈現(xiàn)出明顯的時間特征：頻帶d2振幅較大的時間段在0.35～0.4 s、頻帶d5是0.25～0.35 s。

3) 最低頻率帶0～16 Hz對應的振動幅值較低，小于1.0 mm，說明信號低頻部分占據(jù)的能量較低，建(構(gòu))筑物的自振頻率一般只有幾赫茲，低頻占據(jù)的能量少不會引起結(jié)構(gòu)的共振，有利于結(jié)構(gòu)的安全。

為了更直觀的觀測振動信號能量隨時間-頻率的分布情況，得到了基于sym5小波基的振動信號三維能量譜(見圖3)，越靠近尖端、相應的能量越大。

所分解信號32個頻帶具體的能量分布情況如圖4所示，能量比例前五位的頻帶依次為：d3(32～48 Hz)、d8(112～128 Hz)、 d4(48～64 Hz)、d7(96～112 Hz)、d2(12～32 Hz)，此五個頻帶能量占總能量的92.149%。

為了更好地分析能量隨頻率的分布情況，對表1中各徑向速度信號進行sym5小波基分解，得到各徑向信號能量隨頻帶分布情況如表2所示。

1) 95%以上的能量集中在0～128Hz范圍內(nèi)，最大能量集中的頻帶為d3(32～48 Hz)6次、d4(48～64 Hz)3次、d1(0～16 Hz)1次；亦即主要的能量集中在30～65 Hz范圍內(nèi)， 高于建(構(gòu))筑物的自振頻率， 設(shè)計的深孔爆破方案不會對巷道結(jié)構(gòu)造成破壞。

表2 不同頻帶能量分布 (%)

2) 根據(jù)爆心距、單段最大藥量等原始參數(shù)，頻帶d3的能量隨爆心距的增大而降低、隨比例藥量的增大而增加，說明降低單段起爆藥量是減小爆破振動效應最好的方法。

4 結(jié)論

1) 對振動速度測試結(jié)果進行回歸分析，得到了合速度和不同方向分量的衰減規(guī)律，與在硬巖中傳播相吻合；并反算出該場地深孔松動爆破的單段最大藥量為189.6 kg，實際施工時控制在160 kg。

2) 深孔松動爆破振動的持續(xù)時間約為0.15 s，主要能量集中在30～65 Hz的頻帶范圍內(nèi)，高于一般結(jié)構(gòu)的自振頻率，但要注意強烈的爆破振動對巷道圍巖和工作面造成危害的可能，施工時炮孔周圍進行一定的防護，避免圍巖巖體崩落造成瓦斯抽排管、水、電等管線設(shè)備損壞。

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[2] 高魁，劉澤功，劉健，等.深孔爆破在深井堅硬復合頂板沿空留巷強制放頂中的應用[J]. 巖石力學與工程學報，2013，32(8)：1 588-1 594.

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[9] 李夕兵，凌同華，張義平. 爆破震動信號分析理論與技術(shù)[M]. 北京：科學出版社，2009：132.

(責任編輯：何學華，吳曉紅)

Seismic Wave Propagation Law and Energy Analysis of Coalmine Deep Hole Blasting

WANG Hai-bo, XU Ying，ZONG Qi

(School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China)

According to blasting vibration field monitoring, deep hole loose blasting seismic wave attenuation law in hard rocks in fully mechanized mining working face was obtained. Typical vibration signal was decomposed by sym5 wavelet basis, to study energy distribution of blasting seismic wave. The results showed that blasting vibration duration is about 150 ms, and the value of vibration radial component velocity is the largest in three directions; main vibration frequency distribution in 40 ～ 60 Hz; the largest energy mainly concentrated in frequency range of 30 ～ 65 Hz, which probably causes pipeline and equipment breaking by collapsing rocks. According to attenuation law, the permitted single shot charge of deep hole loosening blasting in the site was calculated. The measures to ensure safety during construction were proposed such as limitation of charge for single blasting and strengthening protection around blasting holes during construction.

mine safety；construction safety; deep hole blasting; blasting vibration

2014-04-03

國家自然科學基金重點資助項目(51134012)；國家自然科學基金項目(51274009、51374012、51404010)

汪海波(1983-)，男，安徽舒城人，講師，博士，研究方向：巖土與爆破工程。

TD235.33

A

1672-1098(2015)03-0010-04