露天礦山爆破振動控制技術(shù)的綜合評價(jià)

董英健 于研寧 郭連軍 徐振洋 賈建軍 郭航伸 包 松

（1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山114051；2.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司，遼寧鞍山114046）

爆破振動是施工過程中必然產(chǎn)生的自然現(xiàn)象，影響著礦山的生產(chǎn)安全，一直視為露天礦山首要解決的災(zāi)害[1-3]。如何控制爆破振動強(qiáng)度在安全范圍之內(nèi)是目前面臨的一個(gè)主要難點(diǎn)問題。雷明等[4]基于爆破振動峰值速度理論分析了地下礦爆破振動產(chǎn)生的沖擊波對周圍巖層的影響范圍，進(jìn)而對地下巷道穩(wěn)定性做出了評價(jià)。張家斌等[5]利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立了東川嶺礦的爆破振動傳播模型，在保證爆破效果條件下降低炸藥量的減振措施。李宇星等[6]從爆破振動的頻率和速度角度出發(fā)，基于地震波傳播理論對爆區(qū)周圍房屋穩(wěn)定性展開了評估。占城[7]等將現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬綜合對建筑物的動態(tài)響應(yīng)特征，為建筑物安全穩(wěn)定性提供預(yù)測。辛紅園等[8]利用ansys分析軟件對爆區(qū)鄰近的輸電塔展開了數(shù)值模擬，保證了其安全性。文獻(xiàn)[9-10]從巖石結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，建立振動傳播與巖石結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，提出了巖石性質(zhì)對爆破振動的影響。結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，本研究以某礦山工程為依托，利用現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段從爆破振動速度、加速度振級角度對控制爆破振動技術(shù)的可行性做出評價(jià)。

1 工程概況

關(guān)寶山礦位于鞍山市高新區(qū)千山鎮(zhèn)，隸屬于鞍鋼礦業(yè)有限公司。在關(guān)寶山采場西區(qū)的西南側(cè)，坐落有山印子村，該村現(xiàn)有居民270戶，距采場邊界均超過100 m。結(jié)合地質(zhì)條件，基于爆破地震波傳播理論，在離爆區(qū)幾何中心15 m的位置分別布置單排減振孔、雙排減振孔。初步設(shè)計(jì)減振孔孔徑為250 mm，孔間、排間距均為2 m，配合使用2號巖石乳化炸藥，采用徑向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)及逐孔微差起爆方式。為了驗(yàn)證方案的減振效果，分別對無減振孔、單排減振孔、雙排減振孔條件下爆破振動強(qiáng)度的監(jiān)測以及對減振孔的布置形式、數(shù)目等展開了定量分析。

2 現(xiàn)場測試

結(jié)合上述的提出的減振方案，在-96 m臺階分別對無減振孔、單排減振孔、雙排減振孔條件下展開振動速度、加速度振級監(jiān)測，在單排減振孔方案中，共布置16個(gè)減振孔，其中減振孔與爆破區(qū)域幾何中心為15 m，按射線位置布置4個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)之間的間距為10 m。而雙排孔減振方案中，初步設(shè)計(jì)為32個(gè)減振孔，前排減振孔距離爆破區(qū)域幾何中心仍為15 m，同樣也布置4個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)之間的間距仍為10 m。減振方案空孔布置如圖1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 爆破振動速度的對比分析

本次臺階爆破振動測試采用TC-4850振動監(jiān)測儀。-96 m水平臺階深孔爆破時(shí)，在該臺階共布置4臺儀器，儀器擺放位置由上述圖1所示，進(jìn)行爆破信號收集。對單排減振孔、雙排減振孔、無減振孔試驗(yàn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)整理，由于本次監(jiān)測數(shù)據(jù)較多，僅列舉出部分?jǐn)?shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

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結(jié)合表1監(jiān)測的數(shù)據(jù)，為了直觀地分析振動峰值速度的變化規(guī)律，易于比較上述提出的減振方案的優(yōu)越性，繪制測點(diǎn)在單排減振孔、雙排減振孔、無減振孔條件下峰值速度變化曲線，如圖2～圖3所示，以及對比3種方案下的降振率，確定降低爆破振動對周圍介質(zhì)的最優(yōu)措施。

本次測振共展開10次，測振地點(diǎn)位于-96 m水平臺階上。由表1可得：當(dāng)在-96 m水平臺階上沒有布置減振孔時(shí)，其中監(jiān)測的最大峰值速度的達(dá)到8.65 cm/s，位于測點(diǎn)1處；即使監(jiān)測中峰值速度最小值也達(dá)到了5.10 cm/s，位于測點(diǎn)4處?？傮w振動效應(yīng)較大。

在距離爆區(qū)15 m處布置單排空孔時(shí)，監(jiān)測的水平徑向、水平切向、垂直方向振動峰值速度均有不同程度的減小。測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)3、測點(diǎn)4的最大振動峰值速度分別為 5.21 cm/s、4.87 cm/s、3.12 cm/s、2.56 cm/s，相對于無減振孔試驗(yàn)來說，振動峰值速度降低了39.7%、33.6%、56.1%、49.8%，可見降振效果較為明顯。

針對布置的雙排孔方案，在距離爆區(qū)15 m的位置處布置兩排空孔，在后排空孔外布置4個(gè)測點(diǎn)，結(jié)合圖3可以得出，相對于單排減振孔來說，雙排減振孔的降振效果更加明顯。距離爆區(qū)15 m的雙排減振孔后方監(jiān)測的峰值速度最大為3.14 cm/s，位于測點(diǎn)1位置，相當(dāng)于單排減振孔同位置的0.62倍。另外相對于無減振孔方案測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)3、測點(diǎn)4位置的降振率分別為63.7%、63.4%、71.4%、61.8%，近似于單排減振孔的試驗(yàn)方案的2倍。由圖2～圖3可得出爆破振動峰值速度：無減振孔＞單排減振孔＞雙排減振孔，而降振率：雙排減振孔＞單排減振孔。因此，在距離爆區(qū)15 m處布置雙排空孔降振效果最佳，該結(jié)論可為現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)意見。

3.2 爆破振動加速度振級的對比分析

本次臺階爆破振動測試采用杭州愛華儀器有限公司研究開發(fā)的振動加速度監(jiān)測儀。-96 m水平臺階深孔爆破時(shí)，在該臺階共布置4臺儀器，儀器擺放位置由圖1所示，進(jìn)行爆破振動加速度信號收集，結(jié)果見表2。測試前，先將加速度傳感器固定于基巖上，然后將傳感器接頭連接完畢后，最后開啟電源，儀器進(jìn)入工作狀態(tài)；測試后，將儀器簡單擦拭，并按照要求放入工具箱。

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結(jié)合表2可以得出，相對于單排減振孔來說，雙排減振孔的降振效果更加明顯。距離爆區(qū)15 m的雙排減振孔后方監(jiān)測的加速度振級最大為65 dB，位于測點(diǎn)1位置，相當(dāng)于無減振孔同位置的0.59倍、單排減振孔同位置的0.68倍。另外相對于無減振孔方案測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)3、測點(diǎn)4位置的加速度振級降振率分別為40.9%、49.1%、58.2%、60%，近似于單排減振孔的試驗(yàn)方案的2～3倍。綜上可得出加速度振級降振率：雙排減振孔＞單排減振孔。因此，在距離爆區(qū)15m處布置雙排空孔降振效果最佳，與所監(jiān)測的振動峰值速度相吻合。

4 不同減振孔形式對爆破振動的數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型的建立

選取某一部位設(shè)為研究區(qū)域，考慮到中深孔爆破的實(shí)際特征，采用三維計(jì)算模型，共計(jì)劃分約22 900個(gè)單元，231 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，因減振孔布置形式不同，各計(jì)算模型單元與節(jié)點(diǎn)數(shù)略有差異。數(shù)值計(jì)算模型單元?jiǎng)澐旨皫缀涡螤钊鐖D4、圖5所示。記錄爆破振動速度的測線位于模型中間位置。模型總長100 m，高16 m，寬42 m。中深孔布置于模型的一側(cè)，孔徑150 mm，呈6 m×6 m方形布置，共計(jì)32個(gè)炮孔。減振孔位于炮孔前端，呈2 m×2 m梅花型布置。屈服準(zhǔn)則選取mohr模型，均質(zhì)力學(xué)參數(shù)為彈性模量35 GPa，泊松比0.22，黏聚力1.05 MPa，內(nèi)摩擦角45°，抗拉強(qiáng)度0.5 MPa。

4.2 動力計(jì)算參數(shù)

（1）阻尼的選取。由于巖體的運(yùn)動是不可逆的過程，要避免系統(tǒng)在平衡位置來回振蕩，就要采用加阻尼的辦法來耗散系統(tǒng)在振動過程中產(chǎn)生的動能。因而在動力分析時(shí)，需要確定阻尼形式和大小。FLAC動力計(jì)算中主要采用了2種形式的阻尼，即瑞利阻尼（Rayleigh Damping）和局部阻尼（Local Damping）[11-12]。局部阻尼FLAC在靜力計(jì)算中采用的阻尼方法，在振動中通過在節(jié)點(diǎn)上增加或者減少質(zhì)量的方法達(dá)到收斂，但系統(tǒng)保持質(zhì)量守恒[13]。本文選用局部阻尼，選取目前巖土動力分析中的典型值5%，從而求得局部阻尼為0.157 1。

（2）邊界條件。在動力計(jì)算中，波傳播到模型邊界會產(chǎn)生反射，這勢必會影響計(jì)算的結(jié)果。理論上，模型邊界選取的越大越好，但過大的模型會引起巨大的計(jì)算負(fù)擔(dān)，影響效率，可操作性差。因而在FLAC中提供靜態(tài)邊界和自由場邊界來解決這個(gè)問題。靜態(tài)邊界通過施加法向和切向的粘壺來吸收來自模型內(nèi)部的入射波，對于入射角＞30°入射波可以完全吸收，此范圍外的波也具有一定的吸收能力。本模型的研究對象為爆破載荷，來自模型的內(nèi)部，范圍有限。如果模型的范圍足夠大，選用靜態(tài)邊界可以達(dá)到計(jì)算的精度要求。

4.3 炮孔壁壓力計(jì)算模型

三角形荷載形式需要確定兩大要素：爆破荷載峰值、爆破荷載升壓時(shí)間和作用時(shí)間。確定爆破荷載峰值，即確定作用在炮孔壁上的爆生氣體峰值壓力。在C-J爆轟條件下，炸藥的平均爆轟壓力為

式中，PD為炸藥爆轟平均初始壓力；ρe為炸藥密度；D為炸藥爆轟速度，γ為與凝聚態(tài)炸藥性質(zhì)和裝藥密度相關(guān)的常數(shù)，近似取值2～3，本文取3。

空氣沖擊波后是爆轟產(chǎn)物撞擊炮孔壁，孔壁受到的壓力明顯增大，增大系數(shù)為n=8～11，本文取n=9。對于不耦合系數(shù)較小的柱狀藥包，此時(shí)炮孔壁上沖擊波峰值壓力為

式中，Pb為作用在炮孔壁上的峰值沖擊壓力；re為藥柱半徑；rb為炮孔半徑；le裝藥長度；lb分別為炮孔長度。

式中，σr為徑向應(yīng)力；b=μd/(1-μd)；μd為動態(tài)泊松比，可以近似取靜態(tài)泊松比的0.8倍。如果σi超過巖石的動態(tài)抗壓強(qiáng)度σcd，則巖石將粉碎破壞。

4.4 無減振孔模型與減振孔模型的對比分析

在本次數(shù)值模型中，通過直徑250 mm的null單元模擬減振孔，參照巖石松動圈理論，對減振孔周邊1倍直徑范圍的巖體單元進(jìn)行弱化，弱化后單元體力學(xué)參數(shù)為彈性模量1.5 GPa，泊松比0.22，黏聚力0.35 MPa，抗拉強(qiáng)度0.23 MPa，內(nèi)摩擦角35°。

圖6為無減振孔條件下的速率云圖。圖7為減振孔條件下的速率云圖，Ljz=9.0 m，布置18個(gè)減振孔（指第一排減振孔），減振孔深等于炮孔深14 m?？梢钥闯?，由于減振孔的存在，減振孔周邊的介質(zhì)與周邊原巖介質(zhì)間存在較為明顯的力學(xué)性能差異。振動波傳播至減振孔部位后，受到明顯的干擾，振動波于減振孔范圍振蕩，爆破產(chǎn)生的振動效應(yīng)受限于減振孔與炮孔之間，減振孔對于振動沿x正方向傳播產(chǎn)生了較為明顯的阻斷作用。

4.5 不同減振孔布置形式對振動波傳播規(guī)律的影響

為了深入研究減振孔直徑Djz，孔深Hjz，數(shù)目Njz等因素對爆破振動波傳播的影響程度，本文引入無量綱影響系數(shù)K展開定量表述。K表示無減振爆破條件下測線上某點(diǎn)的z向振動速度與減振孔存在的條件下同點(diǎn)z向振動速度的比值。如圖8所示，Va30表示無減振孔條件下測線距第1排炮孔30 m處的z向振速，Vb30表示有減振孔條件下同一點(diǎn)的z向振速，則K=Va30/Vb30。K值越大，表示減振孔的存在對振動波衰減的影響越明顯。在圖8中，K取值按距離30、35、40 m依次為1.56、2.14和1.787。

（1）減振孔數(shù)目對振動波傳播規(guī)律的影響。圖9為Djz=32 cm和Hjz=14 m條件下減振孔數(shù)目（半側(cè)）為12，14和18時(shí)對振動波傳播規(guī)律的影響程度，可見，在30 m、35 m和40m條件下，K值最大相差為7%，差異不影響，這主要由于減振孔對振動波的阻斷作用和兩側(cè)的吸收邊界所致?？梢姕p振孔數(shù)目對振動波的影響不顯著。

（2）減振孔孔深對振動波傳播規(guī)律的影響。圖10為Djz=32 cm和Njz=18條件下，Hjz=6～14 m，步距2 m時(shí)，減振孔孔深對振動波傳播規(guī)律的影響程度，可見，在30 m、35 m和40 m條件下，K值在Hjz＞10 m時(shí)較大，此后，K值明顯減小。這主要由于減振孔孔底為完整巖體，孔深減小意味著減振孔對炮孔裝藥斷的影響變?nèi)?，有利于振動波的傳播?？梢?，K值受減振孔孔深的影響較為明顯。

（3）減振孔孔徑對振動波傳播規(guī)律的影響。圖11為Njz=18，Hjz=14 m條件時(shí)，Djz=22～32 cm，步距2 m時(shí)，減振孔孔徑對振動波傳播規(guī)律的影響程度。可見，在30 m、35 m和40 m條件下Djz=30 cm時(shí)，K=1.4左右，表明此時(shí)減振孔對振動仍存在一定的影響。此后，當(dāng)減振孔直徑降至22 cm時(shí)，K=1.0左右，表明此時(shí)減振孔對爆破振動波基本上無任何影響。減振孔的作用范圍由null單元和松動圈弱化單元2部分構(gòu)成，其影響區(qū)域與減振孔半徑的平方呈正比關(guān)系。若減振孔過小，則減振孔存在的矩形區(qū)域內(nèi)的大多數(shù)單元與周邊巖體介質(zhì)單元力學(xué)性質(zhì)相同，這對于沿節(jié)點(diǎn)傳播的運(yùn)動速度，不易產(chǎn)生影響。

5 結(jié) 論

（1）相對于無減振孔試驗(yàn)，單排減振孔振動峰值速度最大降低可達(dá)到56.1%；而雙排孔方案振動峰值速度接近于單排減振孔同位置的0.62倍，最大降振率達(dá)到71.4%，雙排減振孔的降振效果更加明顯。

（2）針對雙排減振孔布置方案，監(jiān)測的加速度振級近似于無減振孔同位置的0.59倍、單排減振孔同位置的0.68倍，且最大降振率可達(dá)到單排減振孔的3倍，降振效果顯著。

（3）減振孔的存在導(dǎo)致了減振孔周邊的介質(zhì)與原巖介質(zhì)間力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大的差異，減振孔的存在對于振動傳播產(chǎn)生了較為明顯的阻斷作用。

（4）減振孔布設(shè)在20個(gè)以上后，數(shù)目再持續(xù)增加，對減振孔后區(qū)域內(nèi)的減振效果不明顯；減振效果受減振孔的直徑影響顯著，當(dāng)減振孔直徑降至24 cm以下時(shí)且減振孔深小于10 m時(shí)，不易取得明顯的減振效果；