煤礦深孔爆破地震波傳播規(guī)律與能量分析

汪海波 ++徐穎

摘要：通過現(xiàn)場爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，獲得了煤礦綜采面硬巖段深孔松動(dòng)爆破地震波的衰減規(guī)律；采用sym5小波基對(duì)典型振動(dòng)信號(hào)進(jìn)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(dòng)爆破振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間為150 ms左右，振動(dòng)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(qiáng)烈爆破振動(dòng)造成巖石崩落對(duì)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(shí)控制單段最大藥量和加強(qiáng)爆破炮孔周圍防護(hù)，保證了施工安全。

關(guān)鍵詞：煤礦；深孔爆破；爆破振動(dòng)；能量；小波分析

中圖分類號(hào)：X936文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2015）01-0000-00

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(jìn)、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(qiáng)制放頂[2]和煤層厚硬夾矸處理[3]等工程中得到較好的應(yīng)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(dá)上百千克。一般的淺孔采掘爆破不會(huì)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(fēng)等管線，強(qiáng)烈的爆破振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致巖石崩落造成事故，而煤礦許用雷管的延期時(shí)間是有限的（130 ms）。因此，深孔爆破地震效應(yīng)產(chǎn)生的危害不容忽視。

目前，煤礦深孔爆破振動(dòng)方面的研究較少，文獻(xiàn)[4]通過對(duì)采面卸壓爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析，研究了爆破地震效應(yīng)對(duì)煤與瓦斯突出的影響；文獻(xiàn)[5]研究了炮采工作面爆破振動(dòng)對(duì)硐室穩(wěn)定性的影響；文獻(xiàn)[6～7]則對(duì)巷道掘進(jìn)爆破振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。為此，依托綜采面硬巖深孔松動(dòng)預(yù)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(tái)，采用sym5小波基對(duì)典型測(cè)試振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波分析，研究振動(dòng)信號(hào)的頻譜和能量分布特征，為深孔松動(dòng)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化提供參考。

1工程概況

某礦采煤工作面沿風(fēng)巷走向有55 m長的全巖段，巖性主要為中砂巖，堅(jiān)固性系數(shù)f=8～10。經(jīng)方案比選，采用深孔松動(dòng)預(yù)裂爆破增加巖體內(nèi)的裂隙，以利于采煤機(jī)施工，以節(jié)約時(shí)間、降低成本。根據(jù)地質(zhì)資料，距工作面較近時(shí)炮孔的深度25～40 m，較遠(yuǎn)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(gè)炮孔，并進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，為后續(xù)爆破提供參考。

11深孔爆破方案

由于機(jī)巷膠帶機(jī)已安裝完畢，不利于鉆爆施工。爆破工作在風(fēng)巷實(shí)施，炮孔垂直于風(fēng)巷巷幫，炮孔排距800 mm，間距1500 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(shí)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(dòng)測(cè)試結(jié)果

序號(hào)單段最大藥量/kg起爆總藥量/kg最大炮孔深度/m爆心距/m振動(dòng)速度 V/（cm·s-1）

切向垂直徑向合速度頻 率f/Hz

切向垂直徑向

1696930152358185470544266457

2696930176207226368472477347

3751383319320338391484734757

47513833213240324364492435739

51141654624276334278407645147

611416546269175208254382645143

796964224432182414502736451

89696422715267216210357738557

99916841153802774805101175786

109916841165220378382416375764

12監(jiān)測(cè)方案與結(jié)果

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用Blastmate SeriesⅢ振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，該儀器可以對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、加速度和頻率進(jìn)行測(cè)試。測(cè)點(diǎn)布置在往切眼方向巷道底腳處，得到的測(cè)試結(jié)果如表1所示，序號(hào)3的振動(dòng)速度波形如圖1所示。

t/s

圖1典型的振動(dòng)波形圖

2爆破地震波傳播規(guī)律分析

由表1和圖1可見：振動(dòng)速度三個(gè)方向分量中，水平徑向峰值較大，這與文獻(xiàn)[7]軟巖巷道掘進(jìn)爆破振動(dòng)地震波傳播規(guī)律一樣；不同的是，深孔爆破振動(dòng)的主振頻率主要集中在40～60 Hz，而文獻(xiàn)[7] 巷道掘進(jìn)爆破振動(dòng)的主振頻率高的多，為100 Hz～250 Hz。圖中1可明顯看到振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間約為150 ms，且存在2個(gè)波峰，這與爆破時(shí)使用了兩段雷管相符合。

利用薩道夫斯公式對(duì)表1振動(dòng)速度進(jìn)行回歸[8]，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(dòng)合速度和徑向速度的衰減規(guī)律為：

合速度：V=263（3Q/R）117（相關(guān)系數(shù) 0918） （1）

徑向速度：V=23（3Q/R）129（相關(guān)系數(shù)0933） （2）

式中：V為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s；Q為最大單段起爆藥量，kg；R為爆心距，m。

鑒于爆破場所環(huán)境較為復(fù)雜，爆破點(diǎn)距采煤工作面較近（最近時(shí)25 m），炮孔周圍3～5 m范圍內(nèi)分布有鉆機(jī)、瓦斯抽排管、水、電、壓風(fēng)等管線設(shè)備，強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖崩落、造成危害。根據(jù)文獻(xiàn)[8]：礦山巷道的安全振速為15～30 cm/s。由于爆破時(shí)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(dòng)頻率的分布，取6 m處安全允許振速25 cm/s；根據(jù)式（1）可反算出爆破的最大單段藥量為1896 kg，試驗(yàn)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(shí)起爆多個(gè)炮孔時(shí)，各炮孔使用不同段別的雷管。endprint

3頻譜與能量分析

常用的振動(dòng)信號(hào)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(dòng)速度的徑向分量最大，研究采用的sym5小波基函數(shù)對(duì)其進(jìn)行小波包變換。儀器的采樣頻率為1024 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(cè)試得到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行5層分解：將512 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)分解成25個(gè)子頻率帶，每個(gè)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(hào)3的徑向速度信號(hào)分解得到的前8個(gè)分量和一個(gè)余量如圖2所示。

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

圖2小波分解部分結(jié)果

2） 頻帶d2、d5是信號(hào)的次主要部分，振幅峰值接近10 mm，且呈現(xiàn)出明顯的時(shí)間特征：頻帶d2振幅較大的時(shí)間段在035～04 s、頻帶d5是025～035 s。

3） 最低頻率帶0～16 Hz對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值較低，小于10 mm，說明信號(hào)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(huì)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(cè)振動(dòng)信號(hào)能量隨時(shí)間-頻率的分布情況，得到了基于sym5小波基的振動(dòng)信號(hào)三維能量譜（見圖3），越靠近尖端、相應(yīng)的能量越大。

圖3振動(dòng)信號(hào)三維能量譜

所分解信號(hào)32個(gè)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(gè)頻帶能量占總能量的92149%。

頻帶

圖4不同頻帶能量所占比例

為了更好地分析能量隨頻率的分布情況，對(duì)表1中各徑向速度信號(hào)進(jìn)行sym5小波基分解，得到各徑向信號(hào)能量隨頻帶分布情況如表2所示。

由表2可見：

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(jì)的深孔爆破方案不會(huì)對(duì)巷道結(jié)構(gòu)造成破壞。

表2不同頻帶能量分布（%）

序號(hào)頻帶號(hào)d1d2d3d4d5d6d7d8其它

1148024836457763169042564203548724546901314476

2033755866275272322132052907116098359348165127898

3129648532440471337219791035115031469733209

4439362393811277462340200060594431085620051050181

54318612133346692940912337513641386969893162

611977171734901376640408111005559112115059249

7801332493848872267930404170828672679769341298126

80830678946425337323072571712381579284248455243

927826287368382713512084520628450857237712949

1051321390314264691955724021772318858805510945

2） 考慮表1中爆心距、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(dòng)效應(yīng)最好的方法。

4結(jié)論

1） 對(duì)振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果進(jìn)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(dòng)爆破的最大單段藥量為1896 kg，實(shí)際施工時(shí)控制在160 kg。

2） 深孔松動(dòng)爆破振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間約為150 ms，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(qiáng)烈的爆破振動(dòng)對(duì)巷道圍巖和工作面造成危害的可能，施工時(shí)炮孔周圍進(jìn)行一定的防護(hù)，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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