下店子銅鐵礦爆破振動對周邊環(huán)境影響的監(jiān)測與分析

張 遠(yuǎn)，呂淑然

（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京100070）

下店子銅鐵礦爆破振動對周邊環(huán)境影響的監(jiān)測與分析

張 遠(yuǎn)，呂淑然

（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京100070）

在對下店子銅鐵礦正常生產(chǎn)爆破振動監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對監(jiān)測的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性回歸分析和頻域分析，分析結(jié)果表明：該礦正常生產(chǎn)爆破最大單響藥量為14kg時，實際監(jiān)測結(jié)果和預(yù)測結(jié)果都合符《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011）的規(guī)定，該礦目前爆破方式和規(guī)模是安全可行的；質(zhì)點(diǎn)爆破振動速度大小與爆破最大單響藥量和到爆破點(diǎn)距離密切相關(guān)，爆破振動速度和振動頻率都隨著爆心距的增加而衰減。最后，提出通過開挖減振溝的方式來控制采場爆破振動對周邊建筑物的影響。

爆破振動；三分量；回歸分析；減振溝

鑿巖爆破，崩落松動礦巖是有色金屬礦山開采過程中常使用的方法。爆破時，炸藥的一部分能量會轉(zhuǎn)化為地震波［1］，地震波向四周傳播，當(dāng)傳播到地表的地震波強(qiáng)度超過一定強(qiáng)度時，會給地表建筑物和設(shè)施造成破壞，因此需要對礦山采場附近有建筑物的區(qū)域進(jìn)行爆破振動監(jiān)測，通過分析監(jiān)測的數(shù)據(jù)研究爆破振動對建筑物的影響，得到爆破振動地震波的傳播規(guī)律，為礦山生產(chǎn)爆破方案提供科學(xué)、準(zhǔn)確的理論依據(jù)，進(jìn)而采取合理的爆破方案和減振措施來降低礦山采場爆破振動對周圍建筑物的影響，這對于保護(hù)礦山附近的建筑物和設(shè)施，避免民事糾紛，保障礦山生產(chǎn)的正常進(jìn)行，都具有十分重要的意義。

1 礦山概況

1.1 礦山環(huán)境

下店子銅鐵礦位于河北省承德市壽王墳鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)東邊有一條市級公路通過，公路東側(cè)有一條小型季節(jié)性水溝，公路兩側(cè)沿線分散布置著民房。該礦山有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ號礦體，共探求保有資源儲量73.33萬t，平均品位Cu 0.46%、TFe 25.57%、mFe 21.37%。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體未進(jìn)過開采，Ⅳ號和Ⅴ號礦體曾進(jìn)行過露天和地下聯(lián)合開采，礦山投入生產(chǎn)后，隨著開采的進(jìn)行，附近居民反映采場爆破震感強(qiáng)烈，給他們的生命和財產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅，礦山安全生產(chǎn)無法正常進(jìn)行，停產(chǎn)兩年，現(xiàn)某冶金有限公司準(zhǔn)備重新開采此礦區(qū)，需要對目前的爆破方式和爆破規(guī)模進(jìn)行監(jiān)測，論證目前采礦爆破方式和規(guī)模是否對附近地表建筑物的安全產(chǎn)生影響。

1.2 采礦工藝

礦山采用7655型鑿巖機(jī)鑿巖，鉆鑿75°～80°上向炮孔，孔深1.8～2.0m，最小抵抗線1m左右，也采用水平孔落礦，水平孔落礦時，炮孔上仰5°～8°，炮孔間距0.8～2.0m，孔深2～3m。

炮孔交錯排列布置，為便于回采工作的順利進(jìn)行，盡量采用梯段工作面，梯段工作面的長度不超過5m，實行每梯段工作面一次爆破的制度。各排炮孔之間實行微差起爆方式，每段采用非電導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)起爆，一段最大起爆藥量為4.0～4.2kg，人工裝藥，MF-1起爆器起爆，乳化炸藥爆破。崩落礦石塊度＞350mm視為大塊，在裝礦道內(nèi)進(jìn)行二次破碎，二次爆破采取穿孔爆破破碎方法。每天一班作業(yè)，一次爆破作業(yè)。

2 爆破振動監(jiān)測

2.1 監(jiān)測儀器

爆破對附近建筑物的影響主要來自爆破引起建筑物在垂直方向的振動，只測爆破引起的垂直方向振動，而不管徑向和水平方向的振動是片面的［2］，因此本次爆破振動監(jiān)測測定建筑物質(zhì)點(diǎn)爆破振動速度采用成都中科測控有限公司生產(chǎn)的TC-4850爆破測振儀，以及與之匹配的三分量速度傳感器（三分量速度傳感器技術(shù)指標(biāo)見表1）和爆破振動分析軟件（簡稱BVA（Blasting Vibration Analysis））、GPS測距儀、Origin數(shù)據(jù)分析軟件。

表1 振動速度傳感器技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical specifications of vibration velocity sensors

2.2 監(jiān)測方法

爆破振動監(jiān)測方法是在距離礦山采場較近的不同建筑物附近呈直線安放三分量速度傳感器，為了使傳感器能與大地耦合良好，將傳感器用快粘粉粘牢于地面或?qū)鞲衅魑沧抵苯硬寰o于地面。當(dāng)采場爆破引起的地震波傳播到監(jiān)測點(diǎn)時，三分量速度傳感器將采集到質(zhì)點(diǎn)振動信號并傳輸?shù)奖茰y振儀，爆破測振儀記錄并存儲振動信號。采場爆破振動監(jiān)測結(jié)束后，回到室內(nèi)將爆破測振儀儲存的信息導(dǎo)出并利用匹配軟件處理并分析，即完成爆破振動數(shù)據(jù)的監(jiān)測、處理與分析的工作［1，3］。爆破振動監(jiān)測流程如圖1。

圖1 爆破振動監(jiān)測流程示意圖Fig.1 Illustration of the process of blasting vibration monitoring

2.3 監(jiān)測方案

監(jiān)測工作按照“近密遠(yuǎn)疏，對數(shù)布置”的原則布置測點(diǎn)［4］，但在實際布置監(jiān)測點(diǎn)時，應(yīng)考慮到自然氣候的影響，其中風(fēng)的影響最為突出，監(jiān)測點(diǎn)要布置在非風(fēng)口處；此外監(jiān)測點(diǎn)布置還受到礦區(qū)四周條件的限制。監(jiān)測時，可根據(jù)采場四周環(huán)境以及監(jiān)測點(diǎn)布置的方便性、可行性，盡量將監(jiān)測點(diǎn)布置在礦區(qū)建筑物和所關(guān)心的居民房屋附近。

本次對該銅鐵礦正常生產(chǎn)爆破規(guī)模24kg藥量情況下進(jìn)行了4次監(jiān)測，每次監(jiān)測點(diǎn)的位置都不變，由于受炮孔位置的限制采場爆破點(diǎn)的位置每次都有所變化，沿礦區(qū)建筑物以及所關(guān)心的民房盡量呈直線的布置了A、B兩組三分量傳感器，每組6個，測點(diǎn)布置如圖2所示。為使傳感器與地面耦合良好（垂直、牢固、穩(wěn)定），首先將監(jiān)測點(diǎn)上的浮土、雜物清除，然后將傳感器用快粘粉粘結(jié)于地面或直接插緊于地面，以真實反映地表內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)振動規(guī)律［5］。

2.4 監(jiān)測結(jié)果

為保證分析的數(shù)據(jù)是由爆破振動產(chǎn)生的，對于爆破測振儀記錄的數(shù)據(jù)首先要進(jìn)行濾波處理，濾波處理后A組有23組有效數(shù)據(jù)，B組有4組有效數(shù)據(jù)，且這4組數(shù)據(jù)都是每次公路旁的測點(diǎn)采集到的。爆破測振儀記錄的質(zhì)點(diǎn)水平方向（X）、垂直方向（Y）、徑向方向（Z）峰值振動速度進(jìn)行合成以及三方向主振頻率選取最小頻率值，監(jiān)測結(jié)果見表2。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Illustration of arrangement of monitoring points

表2 爆破振動監(jiān)測結(jié)果Table 2 The results of blasting vibration monitoring

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 分析方法和依據(jù)

爆破振動對建筑物造成的不利影響，不僅取決于爆破振動引起的質(zhì)點(diǎn)振動速度，而且還取決于質(zhì)點(diǎn)振動的頻率［6］。我國目前評價爆破振動對建（構(gòu)）筑物的危害，主要依據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011）規(guī)定的安全允許振動速度作為安全判據(jù)，部分爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)［7］見表3。

表3 部分爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Part of blasting safety standard in GB6722-2011

巖石爆破對地面建筑物和隧道的爆破振動安全判據(jù)可采用地面質(zhì)點(diǎn)振速和主振頻率兩個指標(biāo)［6］，質(zhì)點(diǎn)振動速度通常采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式進(jìn)行計算［8-9］：

式中：υ—質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度，cm/s；n—藥包形狀系數(shù)，我國一般取1/3；Q—最大單響藥量，kg；R—爆心距，即測點(diǎn)至爆源中心距離，m；K、α—與地質(zhì)條件、爆破類型及爆破參數(shù)有關(guān)的系數(shù)［1、10］；K、α值可通過Origin軟件線性回歸分析得到，也可通過查閱《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2011）得到。

對于質(zhì)點(diǎn)爆破振動頻率，主要是根據(jù)實際監(jiān)測爆破振動質(zhì)點(diǎn)振動速度峰值對應(yīng)的頻率統(tǒng)計結(jié)果，與建筑物固有頻率進(jìn)行比較判定。

3.2 回歸分析

式中：ρ—藥量距離比，利用Origin軟件中最小二乘法原理對A組23組有效數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析［11-12］，回歸方程基本能夠反映其爆破振動傳播的規(guī)律性，A組爆破振動速度線性回歸結(jié)果如圖2所示。B組數(shù)據(jù)樣本太少，進(jìn)行線性回歸分析沒有意義。

爆破振動速度線性回歸結(jié)果：

將線性回歸分析得到的K值和α值分別代入公式（1），可得本次爆破振動監(jiān)測的質(zhì)點(diǎn)振動速度預(yù)測公式為：

圖2 A組質(zhì)點(diǎn)振動速度線性回歸結(jié)果Fig.2 The results of linear regression of particles blasting vibration velocity in group A

利用公式（3）對本次監(jiān)測測點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動速度進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測質(zhì)點(diǎn)爆破振動速度與實測質(zhì)點(diǎn)爆破振動速度進(jìn)行對比分析，通過對比分析可以檢驗回歸分析結(jié)果的精度。爆破振動實測值與預(yù)測公式計算值對比分析結(jié)果，見表4。

表4 爆破振動實際監(jiān)測結(jié)果與預(yù)測公式計算結(jié)果對比分析表Table 4 The contradistinction of actual monitoring results and prediction results for blasting vibration

對比這23組數(shù)據(jù)表明，預(yù)測的爆破振動速度與實測爆破振動速度存在一定誤差，絕對誤差的量值均在毫米級，最大絕對誤差值為0.026cm/s，而這種級別的誤差數(shù)據(jù)也僅有1組；有9組數(shù)據(jù)的預(yù)測值小于實測值，平均誤差為0.009 4cm/s，有13組數(shù)據(jù)的預(yù)測值大于實測值，平均誤差為0.004 3cm/s，監(jiān)測值與預(yù)測值十分接近，這也意味著預(yù)測值更安全。

基于以上分析，利用公式（3）預(yù)測在采場生產(chǎn)爆破最大單響藥量為14kg時，距離采場爆點(diǎn)最近直線距離為146m的礦山廠房（與爆破點(diǎn)高差約10 m）附近爆破振動速度為0.074cm/s；采場新的設(shè)計工程距其南側(cè)村民房屋（與爆破點(diǎn)高差約8m）最近的直線距離為123m處爆破振動速度為0.099cm/s。考慮到，礦山廠房和民房修建時間以及建筑框架、結(jié)構(gòu)材料各異，選取《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2011）中保護(hù)對象為“土窯洞、土坯房、毛石房屋”的相關(guān)規(guī)定作為安全判據(jù)，這兩個預(yù)測速度完全滿足《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011）中對于“保護(hù)對象為：土窯洞、土坯房、毛石房屋，當(dāng)主振頻率為50～100Hz時，安全允許振速為1.1～1.5cm/s”的規(guī)定。

3.3 頻域分析

對時域內(nèi)的爆破振動信號進(jìn)行FFT變換得到爆破振動頻域圖，典型頻譜圖見圖3所示。頻率分析的目的在于為選擇安全判據(jù)提供依據(jù)。分段爆破時，實際監(jiān)測爆破振動的主頻基本分布在17～90 Hz（見表2），并且隨著爆破振動傳播距離的增加，爆破振動頻率也將隨之衰減，而建筑物的固有頻率在10Hz以下，一般在5Hz左右［13］，爆破振動頻率大于建筑物固有頻率，因此，從頻率角度考慮，采場附近建筑物和周圍民房不會因為共振作用發(fā)生破壞。

4 結(jié)論

1）該銅鐵礦按照目前所采用爆破方式正常生產(chǎn)爆破，最大單響藥量為14kg時，爆破產(chǎn)生的振動效應(yīng)對礦山附近的建筑物不會造成不利影響。但本次監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)論僅對該銅鐵礦采用目前的爆破方式、正常爆破規(guī)模最大單響藥量為14kg以下爆破時有效，當(dāng)采場改變爆破方式或爆破最大單響藥量超過14kg爆破時應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。

2）質(zhì)點(diǎn)爆破振動的速度大小與爆破最大單響藥量和到爆破點(diǎn)距離密切相關(guān)，質(zhì)點(diǎn)爆破振動速度和振動頻率都隨著爆心距的增加而衰減，爆破振動對建筑物的破壞不僅與爆破參數(shù)有關(guān)，還與爆破區(qū)域、房屋結(jié)構(gòu)等有密切關(guān)系。

圖3 爆破振動典型頻率分析圖Fig.3 Typical frequency analysis for blasting vibration

3）B組有20組數(shù)據(jù)未采集到，其中包含最大單響藥量為14kg時，距離爆破點(diǎn)稍近爆心距為178.46m和190.71m的兩測點(diǎn)，可見季節(jié)性水溝起到了減振作用。鑒于礦山爆破工作的頻繁性，建議開挖一定深度的隔振溝渠來減輕采場爆破對周邊建筑物的影響。

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Monitoring and analysis of the impact of blast vibration on surrounding environment in Xiadianzi Cu-Fe Mine

ZHANG Yuan，LV Shuran
（College of Safety and Environment Engineering，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China）

Based on monitoring the blasting vibration of normal production in Xiadianzi Cu-Fe Mine，the monitoring valid data is analyzed with the Least-Squares method for linear-regression pattern and frequency domain analysis.The analysis results show that the values of actual monitoring data and predictor data are both below the rule of“Blasting Safety Regulations”（GB6722-2011），so the maximum interval charge of millisecond blasting at 14 kg is feasible and safety in Xiadianzi Cu-Fe Mine，the velocity of particles blasting vibration is closely related to the maximum interval charge of millisecond blasting and the distance from the bursting point.The velocity of particles blasting vibration and the vibration frequency of blasting both are attenuated by the increasing distance from the bursting point to the measuring points.At last，putting forward a way of excavating damping ditch to control the impact of the blasting vibration to the nearby buildings.

blasting vibration；three-component；regression analysis；vibration dampingditch

TD235.4

Α

1671-4172（2015）03-0077-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51474151）；科研基地建設(shè)-科技創(chuàng)新平臺-特大城市安全運(yùn)行研究項目（PXM2014-014205-000044）

張 遠(yuǎn)（1989-），男，碩士研究生，安全科學(xué)與工程專業(yè)，主要從事爆破振動與控制、應(yīng)急管理等方面的研究。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.017