高應力下中深孔爆破振動傳播規(guī)律及動態(tài)應力比安全判據(jù)研究

班克海，王賀

（1.廣西華錫集團集團股份有限公司銅坑礦，廣西河池547207；2.正威國際集團有限公司，深圳518040）

高應力下中深孔爆破振動傳播規(guī)律及動態(tài)應力比安全判據(jù)研究

班克海1，王賀2

（1.廣西華錫集團集團股份有限公司銅坑礦，廣西河池547207；2.正威國際集團有限公司，深圳518040）

以某銅鋅礦中深孔大爆破為依托，通過現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測收集了大量爆破振動數(shù)據(jù)和波形信息，通過擬合進行回歸分析，得出某銅鋅礦高應力下中深孔爆破振動傳播規(guī)律，并通過動態(tài)應力比判據(jù)判斷爆破振動對地下結(jié)構(gòu)的危害程度，為礦山確定最大段藥量的選取提供科學的依據(jù)和保障，為同類礦山設(shè)計和施工提供可靠的指導。

爆破振動；傳播規(guī)律；動態(tài)應力比；安全判據(jù)

爆破振動危害控制一直是國內(nèi)外爆破安全技術(shù)的重大研究課題［1］。大規(guī)模的或頻繁的爆破作業(yè)產(chǎn)生的爆破地震效應會對地下（礦山、水力、隧道）結(jié)構(gòu)物造成破裂、冒落或坍塌。史秀志［2］研究指出爆破振動在高應力條件下對巖石的破壞更加明顯。嚴鵬、盧文波［3］研究表明，高應力下振動能量向低頻率轉(zhuǎn)移，不利于建筑物的保護。因此掌握高應力條件下爆破振動傳播特性，對控制爆破振動危害，保證建筑物的安全有非常重要的意義。

1 某銅鋅礦概況

1.1 地質(zhì)

某銅鋅礦是我國開采最深的礦山之一，開拓深度達到1 357m，開采深度達到1 257m。礦床位于渾河大斷裂帶上盤，屬黃鐵礦型脈狀銅鋅礦床，主要由黑云母斜長片麻巖和角閃斜長片麻巖組成［4］。圍巖質(zhì)地堅硬、結(jié)構(gòu)致密、孔隙率小、含水性微弱，其堅固性系數(shù)為礦石8～10，圍巖10～14。巖性屬堅硬。

該銅鋅礦深部開采處于高地應力環(huán)境，地壓活動較明顯，因爆破直接或間接對巷道造成不同程度的破壞（如圖1），對安全生產(chǎn)造成極大影響。因此掌握其爆破振動傳播規(guī)律，對其進行安全評判極為重要。

1.2 中深孔爆破參數(shù)

采場采用分段鑿巖階段空場嗣后充填法，上向扇形中深孔爆破?？讖溅?0mm，排距1.3m，孔底距1.7m。上向扇形孔如圖2所示。采場階段高度60m，頂?shù)字Y(jié)構(gòu)分別在8m、12m左右。主要運輸巷道離采場50m左右（下文計算中R以50m處理）。

圖1 爆破誘發(fā)巷道破壞Fig.1 The failure induced by blasting vibration

圖2 上向扇形中深孔Fig.2 Upward fan－shaped medium－length holes

2 測試儀器的選擇、性能參數(shù)及安裝

2.1 設(shè)備選擇

此次監(jiān)測設(shè)備選擇四川拓普測控有限公司生產(chǎn)的UBOX5016爆破振動智能監(jiān)測儀。該設(shè)備是針對現(xiàn)場爆破、振動、沖擊、噪聲專門設(shè)計的小型儀器。用戶可根據(jù)測試條件設(shè)置四個監(jiān)測參數(shù)，供現(xiàn)場靈活使用，同時還具有掉電保護功能。儀器及監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 爆破振動監(jiān)測儀及監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 The intelligent monitoring and analysis system of blasting vibration

2.2 主要功能參數(shù)

主要性能參數(shù)見表1。

表1 UBOX5016性能參數(shù)Table 1 The performance parameters of UBOX5016

2.3 傳感器安裝

此次監(jiān)測傳感器為三向的傳感器，分別測得三個方向的振動速度（水平徑向、水平橫向、垂直方向）。安裝采用石膏固定，在巷道圍巖上預先修整平臺，滿足于傳感器的安裝空間。傳感器布置及測點布置如圖4～5所示。傳感器指向爆心，氣泡水平。

圖4 傳感器布置Fig.4 The installation of sensors

圖5 測點布置Fig.5 The arrangement of measuring points

3 爆破振動測試數(shù)據(jù)處理

3.1 薩道夫斯基公式

我國和前蘇聯(lián)廣泛使用薩道夫斯基公式［5］對爆破振動的傳播規(guī)律進行預測。薩道夫斯基公式見式（1）。

式中：v—介質(zhì)質(zhì)點的振動速度，cm/s；R—測點到爆心的距離，m；K、α—與傳播介質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；Q—炸藥量，kg。對于微差爆破，Q取最大段的藥量，對于齊發(fā)爆破，Q取裝藥總藥量。

對薩道夫斯基公式進行變形計算：

3.2 爆破參數(shù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)

此次監(jiān)測數(shù)據(jù)總共14個，見表2。

表2 爆破參數(shù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 2 The blasting parameters and monitoring data

3.3 爆破振動數(shù)據(jù)擬合

通過式（2）對表2中的爆破數(shù)據(jù)進行擬合，則有：v＝187.77ρ1.391。通過變形得：

運用相同的方法對水平徑向、水平橫向、垂直方向速度進行擬合，分別得出三個方向上爆破振動傳播規(guī)律：

K、α值與爆區(qū)地形、地質(zhì)條件和爆破自身情況相關(guān)，K值更依賴于爆破條件的變化，α值主要取決于地形、地質(zhì)條件的變化。不同的巖性對應的K、α值不同。根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)K、α與對應的巖性特征見表3。

通過表3可以看出，銅鋅礦中深孔爆破振動傳播規(guī)律中K、α值符合表中堅硬巖石的特征值。說明某銅鋅礦銅礦巖石屬于堅硬巖石。這與銅鋅礦深部巖性相符合，驗證了其可靠性。

4 動態(tài)應力比判據(jù)

爆破振動的安全評判參數(shù)包括速度、頻率等，但爆破振動產(chǎn)生的危害不僅與爆破振動強度有關(guān)，同時也與建筑物本身的特性有關(guān)。動態(tài)應力比結(jié)合爆破振動能級、巖石性能、現(xiàn)場特征和巖土支護系統(tǒng)等因素，利用巖土結(jié)構(gòu)的定量抗破壞能力的接近程度來評價爆破振動對相應結(jié)構(gòu)的危害。

4.1 動態(tài)應力比DSR

動態(tài)應力比是由加拿大Yu博士提出［6］，并基于現(xiàn)場條件調(diào)查和計算，給出了地下井巷、采場等巖體結(jié)構(gòu)體的損傷破壞現(xiàn)象與DSR的對應關(guān)系，見表4。

表4 地下結(jié)構(gòu)的爆破振動動態(tài)應力判據(jù)Table 4 Criterion of blasting vibration dynamic stress of underground structures

爆破振動產(chǎn)生的動態(tài)應力可由式（3）求出：

DSR等于爆破振動動態(tài)應力與量化的損傷阻抗應力Ks［σT］之比，即：

式中：Ks—場地質(zhì)量系數(shù)，Ks＜l；σT—巖體動態(tài)抗拉強度，MPa。

4.2 某銅鋅礦圍巖特性及動態(tài)應力比安全評價

此銅鋅礦主要圍巖為黑云母斜長片麻巖和角閃斜長片麻巖。其礦巖主要物理力學特征［7］見表5。

表5 某銅鋅礦礦巖物理力學性質(zhì)Table 5 The physical and mechanical properties of ore and rock

以表5中黑云母斜長片麻巖為例，通過式（4）與上述合速度衰減規(guī)律，得出動態(tài)應力比、振動速度、最大段藥量及破壞程度的關(guān)系，其中R取50m，見表6。

表6 黑云母斜長片麻巖動態(tài)應力比安全評價Table 6 Safety evaluation based on dynamic stress ratio of biotite plagioclase gneiss

從表6中可以看出對整體穩(wěn)定，局部不穩(wěn)定的巷道，允許最大單段藥量可達383.29kg，此時要求工程技術(shù)人員對周邊圍巖進行檢查，對局部不穩(wěn)定的圍巖進行及時支護。

5 結(jié)論

1）通過現(xiàn)場測試分析得出銅鋅礦銅礦深部中深孔爆破振動速度的傳播規(guī)律，求出K、α值，為最大段藥量的確定提供可靠的依據(jù)。

2）通過對K、α的經(jīng)驗取值進行比較，得出銅鋅礦巖性屬堅硬巖石，這與礦山深部巖性相符合，進而驗證了衰減規(guī)律的準確性。

3）各方向上速度的大小合速度＞垂直速度＞徑向速度＞橫向速度。

4）通過動態(tài)應力比判據(jù)求出在距50m處的最大單段藥量為383.29kg；并提出相應的處理方法。

5）測試的儀器、分析手段和處理數(shù)據(jù)的方法是比較合理的，對類似礦山具有參考意義。

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

［2］史秀志，董凱程，陳小康，等.高應力條件下爆破振動對巖石破壞研究［J］.爆破器材，2008（10）：23－24.

［3］嚴鵬，盧文波，陳明，等 .隧洞開挖過程初始地應力動態(tài)卸載效應研究［J］.巖土工程學報，2009，31（12）：1888－1894.

［4］王洪勇 .地壓測試技術(shù)在金屬礦山的應用與研究［J］.有色礦冶，2005，21（6）：12－17.

［5］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 6722－2014爆破安全規(guī)程［S］.北京：中國標準出版社，2014.

［6］Yu T R，Vongpaisal S.New blasting criteria for underground blasting［J］.CIM Bulletin，1996，89（998）：139－145.

［7］劉建坡 .深井礦山地壓活動與微震時空演化關(guān)系研究［D］.沈陽：東北大學，2011.

Study on spread law of blasting vibration with medium－length hole under high stress and safety criterion based on dynamic stress ratio

BAN Kehai1，WANG He2
（1.Tongkeng Mine，China Tin Group Co.，Ltd.，Hechi Guangxi 547207，China；2.Zhengwei International Group Co.，Ltd.，Shenzhen 518040，China）

Based on the support of blasting with medium－length hole in a copper－zinc mine，a lot of measured data and vibration wave signals are collected.Through the regression analyses by fitting，spread law of blasting vibration with medium－length hole under high stress is acquired.Finally，blasting vibration damages to the underground structures through the safety criterion based on dynamic stress ratio are estimated.This can provide scientific basis and safeguard for determining the maximum charge weight per delay interval in the mine.Also，this can provide a reference for the design and implementation of blasting in similar underground mines.

blasting vibration；spread law；dynamic stress ratio；safetycriterion

TD235.1

A

1671－4172（2015）05－0081－04

班克海（1985－），男，助理工程師，采礦工程專業(yè)，從事采礦相關(guān)設(shè)計及深部開采地壓控制研究。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.016