石英脈型鎢礦山中深孔爆破震動規(guī)律分析與預(yù)測

謝世勇，葉光祥，葉際寰，李 春，張樹標(biāo)

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州341000；2.江西下壟鎢業(yè)有限公司，江西 大余341518）

0 引言

贛南作為我國黑鎢礦資源主要產(chǎn)地，礦床類型以石英脈型為主，可細(xì)分為單脈型與細(xì)脈帶型，與之相應(yīng)的落礦方法主要有淺孔落礦與中深孔落礦[1-2]。與淺孔落礦相比，中深孔落礦極大地提高了礦塊生產(chǎn)能力和勞動效率[3]，但其一次爆破藥量多達(dá)數(shù)噸，甚至上十噸，爆破產(chǎn)生的沖擊波、毒氣和震動等災(zāi)害已成為贛南鎢礦山安全生產(chǎn)影響因素之一，尤其是爆破震動，其受爆破條件、傳播介質(zhì)、受震物體結(jié)構(gòu)及動態(tài)響應(yīng)等因素影響，具有衰減瞬時、頻率復(fù)雜多變、傳播距離遠(yuǎn)、危害難以預(yù)測和察覺等特點，極易造成生命和財產(chǎn)損失[4]。為此，在中深孔落礦開采技術(shù)環(huán)境下，亟須對爆破震動開展相關(guān)研究，準(zhǔn)確預(yù)測爆破震動災(zāi)害，為爆破設(shè)計、爆破災(zāi)害防護和控制提供依據(jù)。

1 工程概況

下壟鎢業(yè)左拔礦區(qū)采用分段鑿巖階段崩落法開采密集型細(xì)脈帶礦體[5]，分段鑿巖階段落礦，各分段鑿上向扇形孔，多孔粒狀銨油炸藥崩礦，炸藥單耗0.45 kg/t，裝藥密度0.99 g/cm3，各孔口留0.5～1.5 m不裝藥，炮泥填塞，采用電雷管起爆，段、排微差起爆，其炮孔排面及爆破網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 礦塊爆破炮孔及起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of blasting holes and initiating networks for mine blocks

2 爆破測點布置

本次爆破震動現(xiàn)場監(jiān)測的主要目的是通過多次爆破監(jiān)測，尋找該礦區(qū)爆破震動規(guī)律，與此同時，保護重要巷道、硐室。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，沿186中段礦脈走向方向布置測線1條（5個測點），保護測點1個，測點布置如圖2所示。此外，在爆源附近236中段主扇房、186中段變電硐室布置保護測點各1個。

圖2 186中段爆破測點布置圖Fig.2 Layout of blasting measuring points in the middle section of186

3 爆破震動規(guī)律分析

為進行爆破震動規(guī)律分析，進行了5次爆破震動監(jiān)測，每次布置8個測點，共測得35組有效數(shù)據(jù)。通過MATLAB平臺，運用信號分析技術(shù)，揭示了不同藥量、爆心距條件下震動速度、頻率和能量的變化規(guī)律[6-9]。

3.1 速度變化規(guī)律

對現(xiàn)場測得的35組數(shù)據(jù)分3個方向（x、y、z）進行薩道夫斯基經(jīng)驗公式擬合，求得礦區(qū)場地系數(shù)k和衰減指數(shù)α，揭示質(zhì)點峰值振動速度與裝藥量、爆心距間關(guān)系，擬合所得模型如下：

式中：Q—炸藥量，爆破單段最大炸藥量，kg；R—測點與爆源中心的距離，m；

在地質(zhì)條件一定，爆破器材、裝藥結(jié)構(gòu)相同時，震動速度隨著單段最大藥量的增加或爆心距的減小而增大。

3.2 頻率變化規(guī)律

對礦區(qū)每一次爆破震動數(shù)據(jù)頻帶范圍及主震頻率進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖3、圖4所示。震動波形頻率范圍主要集中在0～500 Hz，大于500 Hz的波形數(shù)量僅占所有測震數(shù)據(jù)的8%；主震頻率分布直方圖顯示所有震動波形主震頻率均小于180 Hz，低于100 Hz的震動波形占據(jù)主要位置，占比83.9%。

圖3 頻帶分布直方圖Fig.3 Frequency distribution histogram

圖4 主震頻率分布直方圖Fig.4 Histogram of main earthquake frequency distribution

在確保爆心距相同或相近的情況下，進行主震頻率隨藥量的變化規(guī)律研究，如表1。爆破震動波形主震頻率隨單段最大藥量的增加呈降低現(xiàn)象，降低程度在各藥量段卻有所不同，小藥量段降低大，大藥量段降低小。與此同時，還發(fā)現(xiàn)，同樣炸藥量下，段別越多，單段最大炸藥量越小，波形頻率構(gòu)成越復(fù)雜。

對藥量相近的兩次爆破震動信號主震頻率與爆心距進行統(tǒng)計分析，得到主震頻率隨爆心距的分布圖，見圖5。大規(guī)律上可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爆心距在180 m范圍內(nèi)，主振頻率大小不一、數(shù)據(jù)分散、雜亂無章；超過280 m后，主振頻率以低頻為主，且集中在12.2～35.4 Hz內(nèi)，這一現(xiàn)象符合巖體對高頻信號衰減作用大于低頻信號的規(guī)律。同時，可認(rèn)為在左拔礦區(qū)這種缺陷（采空區(qū)、斷層、巖性交替等）巖體條件下，爆破中、高頻部分在爆心距280 m內(nèi)基本衰減完成。此外，還可大膽猜測：傳播介質(zhì)一定的條件下，其中高頻衰減距離一定，并可通過現(xiàn)場實測得到。

表1 不同藥量波形時頻分析Tab.1 Time-frequency analysis of different dosage waveform

圖5 主頻隨爆心距分布圖Fig.5 Distribution diagram of main frequencies with the variation of explosion center distance

3.3 能量變化規(guī)律

以測點編號0207、0307爆破震動波形頻帶能量圖（圖6），說明單段最大炸藥量與能量間關(guān)系，兩者爆心距基本一致，對應(yīng)的單段最大炸藥量分別為4 009 kg、279.3 kg。在整個頻帶范圍內(nèi)，單段最大炸藥量大者頻帶能量隨炸藥量變化呈現(xiàn)不同規(guī)律，0～120 Hz區(qū)間內(nèi)更大，120～200 Hz更小，超過200 Hz基本一致。說明在爆破震動主頻范圍內(nèi)，各頻帶能量隨著單段最大藥量的增加而增大。此外，還能發(fā)現(xiàn)，爆破震動能量主要集中在中低頻，頻率大，能量反而小。

以測點編號0101、0102、0103爆破震動波形頻帶能量圖（圖7），說明爆心距與能量間關(guān)系，三者單段最大炸藥量一致，對應(yīng)爆心距分別約為50 m、70 m及150 m。除0～40 Hz外，各頻帶能量均呈現(xiàn)0101＞0102＞0103，說明各頻帶能量及爆破震動總能量隨爆心距的增加不斷減小；此外還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爆心距分別為50 m、70 m、150 m時，其能量分布區(qū)間主要集中區(qū)域也不同，分別為0～360 Hz、0～200 Hz和0～120 Hz，這說明距離越近能量分布越發(fā)散、主震頻帶加寬，距離越遠(yuǎn)能量分布往低頻集中。

圖6 頻帶能量圖Fig.6 Band energy diagram

圖7 頻帶能量圖Fig.7 Band energy diagram

4 爆破震動波形預(yù)測

爆破震動波形預(yù)測是指對爆破震動速度、加速度、頻率、持續(xù)時間等多個物理量的整體預(yù)測，各參量融合于波形中。

首先，對現(xiàn)場獲取的爆破震動波形進行7層小波包分解，并對各頻段波形進行最小二乘法回歸擬合，分析不同頻率波形的傳播規(guī)律；其次，將一個最接近礦區(qū)場地信息的頻段波形作為預(yù)測基函數(shù)，再對各頻段波形進行歸一化得到子基函數(shù)；最后，將對應(yīng)頻段的傳播規(guī)律賦予子基函數(shù)得到預(yù)測模型，各方向信號預(yù)測模型如圖8～10。輸入確定的單段最大藥量及爆心距進行反演重構(gòu)，即可得特定情況下的預(yù)測波形。

圖8 x方向信號預(yù)測模型Fig.8 Signal prediction model in x-direction

圖9 y方向信號預(yù)測模型Fig.9 Signal prediction model in y-direction

圖10 z方向信號預(yù)測模型Fig.10 Signal prediction model in z-direction

為驗證波形預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，對試驗采場回采爆破進行驗證監(jiān)測，對比波形峰值速度、震動主要頻率范圍等參量，如表2。

預(yù)測結(jié)果顯示：以誤差10%以內(nèi)為預(yù)測準(zhǔn)確計算，預(yù)測準(zhǔn)確率93.3%；峰值速度預(yù)測方面，存在速度峰值相反，但絕對誤差仍在允許范圍內(nèi)；峰值速度預(yù)測數(shù)值普遍比實測值低。

說明基于小波包技術(shù)的爆破震動災(zāi)害預(yù)測在震動速度及頻率范圍兩個方面較為準(zhǔn)確，可滿足工程計算和分析要求。

5 結(jié)論

（1）在地質(zhì)條件一定，爆破器材、裝藥結(jié)構(gòu)相同時，震動速度隨著單段最大藥量的增加或爆心距的減小而增大。

（2）震動波形頻率范圍主要集中在0～500 Hz，主震頻率全部小于180 Hz。主震頻率隨單段最大藥量的增加呈降低現(xiàn)象，同樣炸藥量條件下，段別越多，單段最大炸藥量越小，波形頻率構(gòu)成越復(fù)雜。

（3）各頻帶能量與炸藥量呈正相關(guān)，爆心距的增加各頻帶能量減小，能量重心向低頻轉(zhuǎn)移，但信號的總能量卻呈衰減之勢?；谛〔ò夹g(shù)的爆破震動波形預(yù)測在震動速度及頻率范圍兩個方面較為準(zhǔn)確，可滿足工程計算和分析要求。

表2 爆破震動波形參量預(yù)測Tab.2 Prediction of blasting vibration waveform parameters