多點爆破震動速度衰減規(guī)律研究

劉建坡 許宏亮 王少泉 程崇強 荊洪迪

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819;2.中冶北方工程技術有限公司，遼寧 大連 116600)

多點爆破震動速度衰減規(guī)律研究

劉建坡1許宏亮2王少泉2程崇強2荊洪迪1

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819;2.中冶北方工程技術有限公司，遼寧 大連 116600)

爆破震動是引起地下礦山巷道破壞的重要原因，掌握爆破震動速度衰減規(guī)律，降低爆破震動危害，對礦山的安全高效生產(chǎn)有著重要意義。針對鐵蛋山礦區(qū)爆破震動造成下盤沿脈運輸巷道破壞嚴重的現(xiàn)狀，開展了爆破震動監(jiān)測工作。對于完整爆破信號數(shù)據(jù)，采用最小比例距離方法確定了多點爆破爆心距、炸藥量和最大振速值的對應關系，為薩道夫斯基公式應用提供參數(shù)，并采用實例驗證了該方法的可靠性。在此基礎上，建立了鐵蛋山礦區(qū)爆破震動速度衰減模型，獲得了距離下盤沿脈運輸巷道不同位置開采時所允許的最大單段藥量。對礦山回采過程中的爆破參數(shù)進行了改進，不同區(qū)域采用不同最大單段藥量，保證了沿脈運輸巷道的穩(wěn)定性和產(chǎn)能需求。

爆破震動 振速衰減 多點爆破 薩道夫斯基公式 安全控制

爆破是礦山生產(chǎn)主要環(huán)節(jié)之一，其質(zhì)量的好壞不僅威脅到礦山工作人員和建筑結(jié)構(gòu)的安全，而且影響著礦山生產(chǎn)過程中的鏟裝、運輸、機械破碎等后續(xù)工藝的效率和經(jīng)濟效益。生產(chǎn)爆破震動是引起地下礦山巷道破壞的重要原因，當爆破引起巷道所處地帶的震動幅值大于一定的數(shù)值時，會引起巷道的損壞。因此，掌握爆破震動波的傳播規(guī)律，建立合理的爆破安全判據(jù)，針對具體的礦山工程提出有效降低爆破震動危害的措施，對礦山的安全高效生產(chǎn)有著重要意義。

在對爆破地震效應研究的過程中，大量的測試資料和工程實踐表明，地面質(zhì)點震動速度與建(構(gòu))筑物破壞的相關性最好，因此，各國都逐漸采用質(zhì)點震動速度作為衡量爆破震動強度的物理量。其中，薩道夫斯基經(jīng)驗公式作為爆破震動參數(shù)衰減方程的應用最為普遍。國內(nèi)外研究針對薩道夫斯基經(jīng)驗公式中的相關參數(shù)K、α的取值、適用情況和工程應用開展了廣泛的研究，并取得了諸多有益的成果。但是在薩道夫斯基經(jīng)驗公式應用中，爆破位置是作為一個點(坐標唯一)來進行考慮的，即不管是單段爆破還是多段爆破，爆破位置距離監(jiān)測點的距離是唯一的。對于多點爆破(多個位置同時起爆或者近似同時起爆)的情況研究較少。

本研究以遼寧北票保國鐵礦鐵蛋山礦區(qū)為工程背景，針對其爆破震動造成下盤沿脈運輸巷道破壞嚴重的現(xiàn)狀，開展爆破震動監(jiān)測，采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式對多點爆破情況下的爆破震動速度衰減規(guī)律進行了研究，對礦山現(xiàn)有爆破參數(shù)所引起的爆破震動速度進行了安全評價，為礦山的爆破參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，保障礦山安全生產(chǎn)。

1 爆破震動測試方案

保國鐵礦鐵蛋山礦區(qū)位于遼寧北票境內(nèi)，礦體總體走向呈近SN向，厚度從幾米到數(shù)百米不等，傾角50°～65°，2007年開始轉(zhuǎn)為地下開采，目前礦山年產(chǎn)鐵礦石近200萬t，主要采用無底柱分段崩落法進行開采?；夭蛇M路垂直礦體走向布置，炸藥采用乳化粒狀銨油炸藥，用FZY-1裝藥器裝藥。爆破采用導爆索和導爆管雙能源起爆。

鐵蛋山礦段礦體為磁鐵石英巖礦層，屬堅硬和半堅硬巖石，穩(wěn)定性較好。上盤圍巖主要為混合巖，局部夾斜長角閃巖，下盤圍巖主要為混合巖，均為前震旦系建平群中深變質(zhì)巖系。下盤圍巖破碎松軟，穩(wěn)定性差，具有抗壓強度低、變形大、來壓快、遇水極易膨脹產(chǎn)生變形破壞等特點，導致其礦山沿脈運輸巷道的穩(wěn)定性問題十分突出。因此，開展爆破震動測試，研究爆破震動對圍巖、巷道穩(wěn)定性的影響是十分必要的。

結(jié)合現(xiàn)場工程布置，在鐵蛋山礦+35 m和+20 m水平開采爆破震動測試工作，每個水平各布置3個測點，共6個測點，如圖1所示。測試所采用設備為四川拓普測控科技有限公司生產(chǎn)的NUBOX-6016型智能震動監(jiān)測儀，并配套TP3V-4.5 三維速度型傳感器。在綜合考慮現(xiàn)場因素以及不妨礙礦山生產(chǎn)順利進行的情況下，開挖巷道底板至基巖，澆筑混凝土形成水泥臺面以便傳感器安裝。每次爆破前1 h，使用速凝石膏來固定傳感器在水泥臺面上，并采用防護措施保護好設備以防止被爆破沖擊波損壞。本次測試工作于2014年4月、5月開展，共開展了15次爆破測試。

2 多點爆破信號分析方法

薩道夫斯基公式給出了爆破震動速度隨炸藥量和爆心距等因素之間的定量關系。該方法具有明確意義，應用方便，為爆破設計提供了理論依據(jù)，是目前爆破工程中應用最為廣泛的方法，其關系式如下：

圖1 巷道工程布置及爆破震動測試方案

(1)

式中，V為質(zhì)點震動速度，cm/s；Q為單段最大炸藥量，kg；R為觀測點到爆源的距離，m；K為與介質(zhì)性質(zhì)相關的系數(shù)；α是震動波隨距離衰減的系數(shù)。

應用薩道夫斯基公式進行計算時，爆破位置可以看作1個點，爆源與測點之間的距離R是唯一的。對于單段爆破，取總藥量Q進行計算。當采用多分段微差爆破時，取最大單段藥量Q進行計算。對于保國鐵礦鐵蛋山礦區(qū)來說，每天下午15:30左右在多個進路進行爆破，每個進路爆破1排炮孔(每排11～12個炮孔)，每排炮孔同時起爆，不同進路之間采用分段微差起爆。這種情況下，每個爆破位置距離測點的距離是不同的，存在多個爆心距R1，R2，R3，…，Rn，對應不同的炸藥使用量Q1，Q2，Q3，…，Qn(圖2)。這種情況下，判斷某個信號來自哪個爆源困難很大，因而無法采用薩道夫斯基公式進行爆破安全評價。

針對上述問題，采用比例距離Rm對爆破信號進行分析，比例距離Rm定義為

圖2 爆破信號傳播示意

(2)

依據(jù)《爆破安全規(guī)程》，K取值為正，α取值大于1。依據(jù)公式(1)，比例距離Rm越小，所產(chǎn)生的質(zhì)點震動速度越大。因此，可分別計算出不同爆破位置的比例距離Rm，以最小比例距離Rm，min所對應的爆心距R、炸藥量Q和最大振速值V來進行薩道夫斯基公式計算。為驗證該方法的可靠性，本研究進行了實例分析。

表1、表2和圖3分別為5月13日+35 m水平爆破位置、炸藥使用量、測點3獲得的爆破振速和波形圖。此次爆破共有3個進路位置分段爆破，分別為+35 m水平8#進路、9#進路和11#進路，炸藥量分別為485、556和545 kg，比例距離分別為10.22 、9.87和8.46 m/kg1/3。測點3處的測試設備完整地記錄了該3段爆破信號，其質(zhì)點震動速度分別為3.658 m/s，1.213 m/s和6.05 m/s。該3段爆破中比例最小的爆破所對應的質(zhì)點震動速度最大。

表1 5月13日+35 m水平爆破數(shù)據(jù)

表2 5月13日測點3爆破振速統(tǒng)計

Table 2 Blast vibration velocity at measurestation 3 on May 13

cm/s

5月21日+35 m水平爆破位置、炸藥使用量、測點5的爆破振速和波形圖見表3、表4和圖4。從中可以看出，11#進路爆破所對應的比例距離最小，為6.99 m/kg1/3，在測點5處所產(chǎn)生的質(zhì)點震動速度最大，為5.69 m/s。限于篇幅，其他驗證實例在此不做贅述。

圖3 5月13日爆破信號波形圖

爆破點距 離/m炸藥量/kg比例距離/(m/kg1/3)8#進路788956095711#進路570654569913#進路8474561102723#進路19269291974

表4 5月21日測點5爆破振速統(tǒng)計

Table 4 Blast vibration velocity at measurestation 5 on May 21

cm/s

圖4 5月21日爆破信號波形圖

值得注意的是，采用最小比例距離Rm，min來判斷最大振速對應起爆點的方法只適用于信號不丟失或不疊加的情況。對于由設備靈敏度低或爆破震動信號衰減所造成的信號缺失情況，或者由于信號疊加造成的信號減少的情況，該方法并不適用。因此，遇到測點所檢測到的信號數(shù)量少于爆源數(shù)量時，應剔除該數(shù)據(jù)，選擇信號不丟失或不疊加的數(shù)據(jù)進行計算分析。

3 爆破震動速度衰減模型及數(shù)據(jù)分析

本次測試工作于2014年4月和5月開展，共開展了15次爆破測試?，F(xiàn)場每天在+35m水平和+50m水平各進行1次分段爆破。通過最小比例距離Rm，min獲得薩道夫斯基公式計算參數(shù)的方法，共得到60組有效數(shù)據(jù)，部分數(shù)據(jù)見表5。

表5 爆破震動速度衰減模型計算參數(shù)

(3)

對于保國鐵礦鐵蛋山礦區(qū)來說，爆破所引起的下盤沿脈運輸巷道破壞嚴重現(xiàn)象是亟需解決的問題。盡管控制爆破震動危害有多種方案，但是現(xiàn)階段研究成果中顯示，影響爆破震動的主要因素是最大段藥量，隨著最大段藥量的增加，沿脈巷道的質(zhì)點震動速度增加。因此，如何在生產(chǎn)爆破過程中控制最大段藥量，就成為控制爆破震動危害的關鍵。為了保護鐵蛋山礦區(qū)下盤沿脈運輸巷道，根據(jù)爆破震動測試所獲得

圖5 振速隨比例距離變化關系

的爆破振速衰減公式，結(jié)合《爆破安全規(guī)程》礦山巷道所允許的最大爆破震動速度要求，計算得到了鐵蛋山礦區(qū)距離下盤沿脈運輸巷道不同距離所對應的最大單段藥量，如表6所示。

目前，鐵蛋山礦最大單段藥量在500～1 200 kg之間，以500～650 kg為主。從表6中可以看出，距離35 m時，允許的最大段藥量為574.83 kg，與目前鐵蛋山礦現(xiàn)階段實際單排最大段藥量相近。距離40 m時，允許的最大段藥量為858.06 kg，距離50 m時，允許的最大段藥量為1 675.89 kg。而小于35 m時，目前實際的最大單段藥量要高于允許藥量。

表6 各距離對應的允許最大段藥量

對于鐵蛋山礦區(qū)來說，主要開采分段+35 m水平礦體距下盤沿脈巷道最近距離4.23 m，最遠232.57 m；+20 m水平礦體距下盤沿脈巷道最近距離11.62 m，最遠231.29 m，礦體呈不規(guī)則脈狀，沿脈運輸巷道巖體破碎，支護良好。沿脈巷與礦體距離主要集中在15～150 m之間。結(jié)合表5所得結(jié)果，建議礦山在距離下盤沿脈運輸巷道小于35 m時，采區(qū)增加分段數(shù)量或者減緩回采進度的方法，降低最大單段藥量，控制爆破震動對于沿脈運輸巷道造成損害。當距離下盤沿脈運輸巷道35～50 m時，保持現(xiàn)有最大單段藥量即可；當距離下盤沿脈運輸巷道大于50 m時，可增加單段藥量，加大回采進度，這樣即保證了沿脈運輸巷道的穩(wěn)定性，也增加了產(chǎn)能效率。

4 結(jié) 論

(1)針對遼寧北票保國鐵礦鐵蛋山礦區(qū)爆破震動造成下盤沿脈運輸巷道破壞嚴重的現(xiàn)狀，開展了爆破震動測試工作，多點爆破情況下存在著信號與爆源識別困難的問題。對于完整爆破信號數(shù)據(jù)，采用最小比例距離Rm，min所對應的爆心距R、炸藥量Q和最大振速值V可以有效解決該問題，為薩道夫斯基公式計算提供參數(shù)。經(jīng)實例驗證，此方法是可靠的。

(2)通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，建立了鐵蛋山礦區(qū)爆破震動速度衰減模型，獲得了距離下盤沿脈運輸巷道不同位置開采時所允許的最大單段藥量。

(3)對礦山回采過程中的爆破參數(shù)進行了改進，建議距離下盤沿脈運輸巷道小于35m時，降低最大單段藥量，控制爆破震動對于沿脈運輸巷道造成損害；當距離下盤沿脈運輸巷道35～50m時，保持現(xiàn)有最大單段藥量；當距離下盤沿脈運輸巷道大于50m時，增加單段藥量，保證了沿脈運輸巷道的穩(wěn)定性和產(chǎn)能需求。

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(責任編輯 石海林)

Study on Velocity Attenuation Law for Multi-point Blasting Vibration

Liu Jianpo1Xu Hongliang2Wang Shaoquan2Cheng Chongqiang2Jing Hongdi1

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China;2.NorthernEngineering&TechnologyCorporation，MCC，Dalian116600，China)

Blasting vibration is a key factor to induce the destruction of tunnel in underground mine.Therefore，it is important to obtain velocity attenuation law for blasting signals，and to reduce the damage from blasting vibration，which is meaningful to the safe and efficient production.In view of the footwall strike-drift seriously destructed by blasting vibration in Tiedanshan mine，the monitoring work for blasting vibration was carried out.For integrated blasting signals，the minimum scale distance was used to obtain the relationship between distances from center of explosion，explosive quantity and maximum vibration velocity.This method provided calculating parameter for Sadov's formula，whose reliability was verified.On this basis，the velocity attenuation model velocity attenuation model of blasting signals in Tiedanshan mine was established，and the largest amount of explosives per delay interval of different distance to footwall strike-drift were obtained.Then，the blasting parameters in Tiedanshan mine were improved.The measures that use the different largest amount of explosives per delay interval in different areas can meet the requirements of stability of footwall strike-drift and production capacity.

Blast vibration，Velocity attenuation，Multiple positions blasting，Sadov's formula，Safety control

2015-06-09

國家自然科學基金項目(編號：51204030)，“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2013BAB02B01,2013BAB02B03)，中國中冶“三五”重大科技專項(編號：0012012009)。

劉建坡(1982—)，男，講師，博士。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-024-05