露天爆破振動(dòng)在運(yùn)輸隧道內(nèi)的傳播規(guī)律研究

石晨晨，李祥龍，駱浩浩，胡 輝，張曉剛

（1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.玉溪礦業(yè)有限公司獅子山礦，云南 玉溪 651106）

0 引言

金屬礦山生產(chǎn)建設(shè)中，對(duì)井下及地表構(gòu)筑物進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，研究爆破振動(dòng)對(duì)構(gòu)筑物穩(wěn)定性問(wèn)題是很重要的。目前我國(guó)鎢礦山對(duì)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)研究還不多，因此，該技術(shù)推廣到鎢礦山的生產(chǎn)建設(shè)中是非常有意義的。

周建雄[1]通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)理論分析和數(shù)值模擬軟件計(jì)算，分析了爆破地震波對(duì)出礦隧道穩(wěn)定性的影響，并提出具體的隧道支護(hù)意見(jiàn)。胡輝[2]對(duì)某礦的選廠進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，得到爆破振動(dòng)在地表的傳播規(guī)律，可對(duì)地表選廠的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估；安泰龍[3]采用TC4850對(duì)爆源周圍的隧道進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)線性回歸計(jì)算，得出爆源附近的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律，并確定該礦的最大單響藥量，推出隧道和爆源的安全距離，為礦山的安全生產(chǎn)提供了保障。史秀志[4]利用爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)冬瓜山出礦隧道進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)線性回歸計(jì)算，得到薩道夫斯基公式中的K、α，得到爆破振動(dòng)有較多主頻，但主頻較其他頻率高，主要振動(dòng)頻率分布范圍為100～250 Hz。張力民[5]對(duì)礦山生產(chǎn)爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論和數(shù)值計(jì)算方法對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)條件下的爆破振動(dòng)速度的變化進(jìn)行了研究，從計(jì)算精度來(lái)看，回歸分析比數(shù)值模擬的精度更高，即回歸分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)吻合度更高。

研究通過(guò)對(duì)某金屬礦山采場(chǎng)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，經(jīng)分析測(cè)點(diǎn)Z方向振動(dòng)速度，得到爆破振動(dòng)在同一水平運(yùn)輸隧道的傳播規(guī)律，并利用HHT法對(duì)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，定量分析振動(dòng)信號(hào)傳播過(guò)程中能量散失的過(guò)程，最后給出1230平臺(tái)、1065平臺(tái)的最小安全距離。

1 工程概況

某礦山采場(chǎng)位于 102°3′36"E，24°51′48"N[6]。1230、1065平臺(tái)爆破區(qū)域位于81-85號(hào)勘探線之間，爆破區(qū)域巖性由西向東依次為片巖、夕卡巖、大理巖，爆破區(qū)域內(nèi)節(jié)理構(gòu)造發(fā)育，巖石破碎，巖層產(chǎn)狀為西傾，有部分水孔?？傮w巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=4.5。

新田進(jìn)料口西北方向有一條運(yùn)輸隧道叫西幫隧道，距離1065平臺(tái)西南方向大約410m，距離1230平臺(tái)西南方向約900m，隧道內(nèi)運(yùn)用皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸?shù)V石，對(duì)西幫隧道進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，研究爆破振動(dòng)在西幫隧道內(nèi)的傳播規(guī)律對(duì)于保障西幫隧道的穩(wěn)定運(yùn)輸具有重要意義。

2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014）[7]爆破振動(dòng)的判定依據(jù)采用測(cè)點(diǎn)所在質(zhì)點(diǎn)Z方向的峰值振動(dòng)速度和主振頻率。監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)的儀器為TC-4850爆破測(cè)振儀和三維速度傳感器，速度傳感器固定在測(cè)點(diǎn)位置，速度傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線連接爆破測(cè)振儀，測(cè)振儀對(duì)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)，測(cè)振儀通過(guò)數(shù)據(jù)線連接電腦后導(dǎo)出爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)。

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

本次爆破振動(dòng)分為4次進(jìn)行，第一、三次分別于2017年7月7日、11日1065平臺(tái)進(jìn)行生產(chǎn)爆破，第二、四次分為于2017年7月8日、12日1230平臺(tái)進(jìn)行生產(chǎn)爆破，在西幫運(yùn)輸隧道布置測(cè)點(diǎn)，裝藥方式為間隔裝藥和連續(xù)裝藥，采用直線逐孔網(wǎng)絡(luò)起爆方式，采用磁電雷管起爆，具體爆破參數(shù)如表1所示。

測(cè)點(diǎn)布置在西幫隧道中，西幫隧道和1230平臺(tái)、1065平臺(tái)的大致分布如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 M easuring point layout

3.1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

1230平臺(tái)、1065平臺(tái)爆破生產(chǎn)前30min在運(yùn)輸巷道布置測(cè)點(diǎn)，待放炮結(jié)束一個(gè)小時(shí)后，收回測(cè)振儀，連接電腦導(dǎo)出數(shù)據(jù)，4次爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 1065平臺(tái)、1230平臺(tái)爆破參數(shù)Tab.1 1065 platform，1230 platform blasting parameter table

表2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.2 Blasting vibrationm onitoring data

3.2 爆破振動(dòng)信號(hào)線性回歸分析

在實(shí)際工程中，薩道夫斯基公式描述了藥量、爆心距、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之間的關(guān)系，具體見(jiàn)公式（1）所示。

式中：V為爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)最大速度，cm/s；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延期爆破為最大單響藥量，kg；R為爆源距監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離，m；K、α為工程地質(zhì)條件有關(guān)的衰減系數(shù)和衰減指數(shù)。

將所收集到的數(shù)據(jù)線性回歸后，需要將式（1）轉(zhuǎn)化為線性方程，再進(jìn)行回歸計(jì)算。對(duì)公式（1）兩邊同時(shí)取以e為底的對(duì)數(shù)，可得公式（2）。

設(shè) y=ln V，a=ln K，b=α，x=ln（Q1/3/R），即可將式可化為標(biāo)準(zhǔn)的線性方程如式（3）所示。

根據(jù)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)1065、1230平臺(tái)測(cè)點(diǎn)Z方向上振動(dòng)速度數(shù)據(jù)，運(yùn)用Origin軟件對(duì)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸計(jì)算，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 各測(cè)點(diǎn)Z方向振動(dòng)速度的薩道夫斯基公式線性回歸圖Fig.2 The linear regression of the Sadov's formula for the vibration velocity at each measuring point in Z directionn

依據(jù)轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)線性方程與線性回歸圖中的方程兩者之間對(duì)比，再依據(jù)所假設(shè)的條件推算出與工程地質(zhì)條件有關(guān)的衰減系數(shù)K和衰減指數(shù)α的值。

即 y=1.892 7x+2.648 3 （R2=0.963 6）

則 K=444.94，α=1.89

得到Z方向的薩道夫斯基振動(dòng)回歸公式為：

3.3 基于HHT方法的爆破振動(dòng)信號(hào)分析

為了更加充分的分析爆破振動(dòng)波信號(hào)，本次采用希爾伯特-黃變換（HHT）算法對(duì)爆破振動(dòng)波形進(jìn)行時(shí)頻分析。該程序由EMD法和Hilbert變換兩個(gè)主要部分組成。EMD方法是HHT法的關(guān)鍵，能夠去除干涉波并使波形愈加對(duì)稱。IMF信號(hào)經(jīng)過(guò)EMD方法變換得到，Hilbert變換IMF信號(hào)得到瞬時(shí)頻譜，Hilbert譜可由瞬時(shí)頻譜綜合得到。HHT算法對(duì)分析非線性非平穩(wěn)信號(hào)具有較大優(yōu)勢(shì)，且具有較強(qiáng)的自主適應(yīng)性[8-10]。

對(duì)1065、1230平臺(tái)測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)信號(hào)運(yùn)用HHT法進(jìn)行時(shí)頻分析，研究爆破振動(dòng)在運(yùn)輸隧道內(nèi)的傳播規(guī)律。圖3為原始波形圖，爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間主要分布在0～1 s內(nèi)，其中，0～0.3 s內(nèi)爆破振動(dòng)速度迅速增加，約0.3s時(shí)振動(dòng)速度達(dá)到峰值，0.6s后振動(dòng)速度衰減較快，約1.3 s波形逐漸恢復(fù)至初始狀態(tài)。

圖3 原始波形圖Fig.3 Original waveform

圖4為邊際譜，表示每個(gè)頻率在全局的幅度，次爆破振動(dòng)頻率主要分布在0～30Hz，主頻帶為15Hz，幅值為1.6×10-6m2·s。圖5為能量分布圖，表示每個(gè)頻率在整體時(shí)間程度內(nèi)所積累的能量，其優(yōu)勢(shì)頻率主要分布在10Hz左右，主要頻率范圍為0～20Hz，因此，應(yīng)重點(diǎn)分析0～20Hz區(qū)間的爆破振動(dòng)對(duì)運(yùn)輸隧道的影響。

圖4 邊際譜Fig.4 Marginal spectrum

圖5 能量分布圖Fig.5 Energy distribution chart

3.4 運(yùn)輸隧道不同距離下的藥量控制

隨著礦山的持續(xù)開(kāi)采，采場(chǎng)周期性的爆破振動(dòng)對(duì)運(yùn)輸隧道的穩(wěn)定性造成一定程度的威脅。因此，礦山生產(chǎn)時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員給出運(yùn)輸隧道的不同藥量下的安全允許距離很有必要。查閱《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014）有關(guān)爆破振動(dòng)關(guān)于礦山隧道安全允許距離的文獻(xiàn)，考慮到運(yùn)輸隧道主要受到約為0～20Hz的爆破振動(dòng)波的影響，其中，10Hz左右的低頻振動(dòng)波最明顯。因此，選取西幫隧道最大安全允許振動(dòng)速度15 cm/s，通過(guò)前面算出的薩道夫斯基公式，可以得到1065平臺(tái)生產(chǎn)時(shí)西幫隧道的最小安全允許距離為33.92m，取35m；1230平臺(tái)生產(chǎn)時(shí)西幫隧道的最小安全允許距離為44.04m，取45m。

為了確保西幫隧道的穩(wěn)定性，還需要對(duì)最大單段藥量進(jìn)行控制，根據(jù)已求得的公式其中V取15 cm/s，計(jì)算得到公式（4）。

計(jì)算不同距離下的最大單段裝藥量，便于礦山技術(shù)人員進(jìn)行查詢，結(jié)果如表3所示。

表3 允許最大單段藥量控制表Tab.3 Maximum single-paragraph dose safety distance control table

4 結(jié)論

（1）1065、1230平臺(tái)Z方向振動(dòng)速度薩道夫斯基公式中的衰減系數(shù)K=444.94，衰減指數(shù)α=1.89，因此，可以根據(jù)薩道夫斯基公式描述爆破振動(dòng)在西幫隧道內(nèi)的傳播規(guī)律。

（2）基于HHT方法分析爆破振動(dòng)在運(yùn)輸隧道內(nèi)的傳播規(guī)律，運(yùn)輸隧道受到10Hz左右振動(dòng)波的影響較大，通過(guò)前面算出的薩道夫斯基公式，可以得到1065平臺(tái)爆破生產(chǎn)時(shí)運(yùn)輸隧道的安全允許距離為35m，1230平臺(tái)爆破生產(chǎn)時(shí)運(yùn)輸隧道的安全允許距離為45m。

（3）在運(yùn)輸隧道最大允許振速的條件下，根據(jù)爆破振動(dòng)在運(yùn)輸隧道的傳播規(guī)律，給出了1230、1065平臺(tái)爆心距為200～600m范圍內(nèi)的最大單段藥量，可指導(dǎo)礦山爆破技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，保證運(yùn)輸隧道安全生產(chǎn)。

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