金屬礦山超大規(guī)模爆破振動監(jiān)測與分析

孟少勇，杜 婷，李永華

（包鋼集團礦山研究院有限公司，內(nèi)蒙古 包頭014000）

露天礦山在爆破作業(yè)破巖時，多余的能量會使邊坡巖體裂隙增大，尤其對表層巖體傷害較為明顯。不良的爆破施工組織，對邊坡巖體產(chǎn)生的瞬時慣性力和積累損傷會造成局部臺階的坍塌，嚴重時會影響到邊坡的穩(wěn)定[1]。因此在組織生產(chǎn)爆破時，對爆區(qū)尤其是特大爆區(qū)實施振動監(jiān)測就顯得尤為重要。通過科學合理的施工監(jiān)測，量化爆破振動對邊坡產(chǎn)生的破壞效應(yīng)，通過數(shù)據(jù)反饋及時調(diào)整爆破參數(shù)，在保證爆破作業(yè)高效經(jīng)濟的同時，保證臨近邊坡巖體的安全。

1 工程概況

金屬礦山位于內(nèi)蒙古中北部地區(qū)，屬高海拔高寒地區(qū)。礦山屬于大型金屬礦山，主要礦石產(chǎn)品為赤鐵礦和磁鐵礦，礦區(qū)呈近東西狹長帶狀展布，長近10 km，寬近2 km，面積約為18 km2，礦山的實際生產(chǎn)能力接近1 500 萬t/a。本次監(jiān)測的爆區(qū)位于該礦山采場南幫1 440 段16-21-1 勘探線之間，單孔設(shè)計穿孔長度為17 m，共穿孔9 350 m，平均寬度65 m；上盤高程為1 455～1 456 m，西高東低，平均高程為1 456.24 m，下盤預計高程為1 441 m，平均段高15.24 m。爆區(qū)巖性為板巖及鐵礦石巖組，該區(qū)巖體結(jié)構(gòu)類型主要為塊狀結(jié)構(gòu)及層狀塊狀結(jié)構(gòu)。爆區(qū)面積為40 841.59 m2，開采臺階高度15 m，臺階坡面角平均為75 °，平臺寬度30 m。此次爆破共用乳化炸藥601.75 t，是該礦山組織的超大規(guī)模的爆破工程之一。炸藥單耗為308 g/t，現(xiàn)場除爆破臺階穿孔外，在距爆區(qū)后方50 m 后，又進行了6 排炮孔的穿孔作業(yè)，孔徑均為φ310 mm，用以減輕爆破振動對邊坡的影響。

為了評價和控制爆破振動對采場邊幫影響程度，合理調(diào)整單孔裝藥參數(shù)提供科學依據(jù)，對本次特大爆區(qū)爆破施工的振動強度進行監(jiān)測。依照實際情況及需重點監(jiān)測邊坡位置，共布設(shè)5 處監(jiān)測點。

2 監(jiān)測儀器的選擇和安全控制標準

2．1 監(jiān)測儀器的選擇

合理地選擇監(jiān)測系統(tǒng)、正確地操作和使用系統(tǒng)各部分是非常重要的，直接關(guān)系到監(jiān)測結(jié)果的真實性，甚至影響監(jiān)測結(jié)果的成敗。選擇爆破振動速度監(jiān)測系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況預估被測信號的幅值范圍和頻率分布范圍，選擇的監(jiān)測系統(tǒng)幅值范圍上限應(yīng)高于被測信號幅值上限的20%，頻響范圍應(yīng)包含被測信號的頻率分布范圍。根據(jù)這個選擇監(jiān)測系統(tǒng)原則，選擇由TCS-B3 型三軸振動速度傳感器、低噪聲屏蔽信號電纜和TC-4850N 型無線網(wǎng)絡(luò)測振儀組成的監(jiān)測系統(tǒng)作為項目實施的監(jiān)測系統(tǒng)[2]。TC-4850N 型無線網(wǎng)絡(luò)測振儀速度傳感器主要技術(shù)指標參數(shù)：①響應(yīng)范圍:5～300 Hz；②靈敏度:28±10%V/（m·s-1）；③自振頻率:4.5±10%Hz；④阻尼系數(shù):0.6±20%；⑤諧波失真:≤0.2%；⑥使用溫度范圍:-20～75℃；⑦尺寸:64 mm×64 mm×64 mm；⑧質(zhì)量:（645±5）g。TC-4850N 型無線網(wǎng)絡(luò)測振儀主要技術(shù)指標參數(shù)：①A/D 分辨率:16 Bit；②頻響范圍:0～10 kHz；③記錄精度:0.01 cm/s；④讀數(shù)精度:1‰；⑤適應(yīng)環(huán)境:-10～75℃；⑥尺寸:168 mm×200 mm×80 mm；⑦質(zhì)量:1.5 kg。

2．2 安全控制標準

根據(jù)GB 6722—2014 爆破安全規(guī)程中對爆破振動對巖石高邊坡的安全允許振速規(guī)定見表1[3]。

表1 爆破安全規(guī)程中對部分爆破振動安全的規(guī)定

表1 中質(zhì)點振動速度為3 個分量中的最大值；振動頻率為主振頻率。頻率范圍根據(jù)現(xiàn)場實測波形確定或按如下數(shù)據(jù)選取: 硐室爆破f 小于20 Hz，露天深孔爆破f 在10 ～60 Hz 之間，露天淺孔爆破f在40 ～100 Hz；地下深孔爆破f 在30 ～100 Hz 之間，地下淺孔爆破f 在60 ～300 Hz 之間。監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)將與表中數(shù)據(jù)為控制標準進行對比分析。

3 監(jiān)測點的布置

監(jiān)測點的布置需根據(jù)監(jiān)測目的和現(xiàn)場實際情況，本次監(jiān)測依照需保護對象及礦山技術(shù)管理人員建議布置5 個測點，爆破振動監(jiān)測點布設(shè)情況統(tǒng)計表見表2。

表2 爆破振動監(jiān)測點布設(shè)情況統(tǒng)計表

4監(jiān)測情況及數(shù)據(jù)分析

本次爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測獲得實測爆破地震波形圖12 條，經(jīng)過對這些波形圖進行頻譜分析和時域分析，得出質(zhì)點峰值振動速度、主頻率、振動持續(xù)時間等相應(yīng)數(shù)據(jù)。爆破地震波的主要參數(shù)變化范圍見表3。

表3 主要監(jiān)測參數(shù)

1）1 號監(jiān)測點距離爆區(qū)中心距離457.33 m，由于實施監(jiān)測的1 號儀器故障，未收集到數(shù)據(jù)，故此點不作相關(guān)說明。

2）2 號監(jiān)測點距離爆區(qū)中心距離452.03 m，儀器傳感器布置于臺階基巖處，基巖表面出露地面，傳感器水平布置，并與基巖粘結(jié)牢固，滿足儀器正常工作的布設(shè)要求。測點處地質(zhì)條件屬巖質(zhì)邊坡，邊坡狀況相對其他測點處較完整，測點距爆區(qū)中心距離較近，爆破能量傳播較充分。2 號測點處監(jiān)測到的地面質(zhì)點峰值振動速度值為3.470 1 ～5.343 8 cm/s。實測最大質(zhì)點峰值振動速度值為5.343 8 cm/s（z 方向上），主頻率為30.9 Hz。

3）3 號監(jiān)測點距離爆區(qū)中心距離568.08 m，布置于1 號、2 號測點的上一平臺處。儀器傳感器布置于該臺階基巖處，基巖表面出露地面，傳感器水平布置，并與基巖粘結(jié)牢固，滿足儀器正常工作的布設(shè)要求。測點處地質(zhì)條件屬巖質(zhì)邊坡，邊坡狀況較2 號布置點處，巖體完整性變差，但爆破能量仍能較完整傳播。3 號測點處監(jiān)測得到的地面質(zhì)點峰值振動速度值為2.120 7 ～3.716 6 cm/s。實測最大質(zhì)點峰值振動速度值3.716 6 cm/s（z 方向），主頻率25.8 Hz。

4）4 號監(jiān)測點距離爆區(qū)中心距離805.35 m，布置于運輸路面轉(zhuǎn)彎處。布點處平臺在采場中位置靠上，處于表土層和巖石層的分界處，路面多由碎石筑成，因此在傳感器布置時很難找到基巖。在實際布設(shè)時，使用了一種布設(shè)測振儀傳感器的連接裝置，盡可能彌補因地形地質(zhì)條件缺陷對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。布設(shè)時傳感器水平布置，與連接裝置粘結(jié)牢固，連接裝置尖部深入地面，較為牢固，基本滿足儀器正常工作的布設(shè)要求。測點處屬碎石土質(zhì)邊坡，邊坡狀況完整性較差，對爆破能量的完整傳播會產(chǎn)生一定程度衰減[4]。在數(shù)據(jù)方面，由于傳感器布設(shè)條件的缺陷，導致CH3 通道（z 方向）數(shù)據(jù)明顯失真，故此次監(jiān)測分析不采用CH3 通道數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)。4 號測點處監(jiān)測到的地面質(zhì)點峰值振動速度值為2.650 8 ～3.236 7 cm/s。實測最大質(zhì)點峰值振動速度值為3.236 7 cm/s（x 方向），主頻率為14.4 Hz；

5）5 號監(jiān)測點距離爆區(qū)中心距離1 191.58 m，布置于爆區(qū)上方運輸平臺處，是5 處測點中最遠的一處布設(shè)點，監(jiān)測數(shù)據(jù)也相應(yīng)較小。儀器傳感器布置于該平臺一高壓線桿基礎(chǔ)之上，水泥基礎(chǔ)深入地面，傳感器水平布置，并與基礎(chǔ)粘結(jié)牢固，滿足儀器正常工作的布設(shè)要求。測點處基本屬于土質(zhì)邊坡，邊坡狀況較巖質(zhì)邊坡的致密性和完整性相差較大，對爆破能量的傳播會產(chǎn)生衰減、弱化。在距離爆心1 191.58 m的5 號測點處監(jiān)測到的地面質(zhì)點峰值振動速度值為0.751 2 ～0.941 0 cm/s[5-6]。實測最大質(zhì)點峰值振動速度值為0.941 0 cm/s（y 方向），主頻率為9.1 Hz。

本次特大爆區(qū)的監(jiān)測有4 處儀器采集監(jiān)測到了有效數(shù)據(jù)。此礦山開采處于中期階段，多數(shù)邊坡已經(jīng)開采到達礦山邊界，此次4 個監(jiān)測點均布設(shè)至永久性邊坡處，故4 處測點數(shù)據(jù)可代表此次爆破振動對永久性邊坡的影響，從各點監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)來看，此次爆區(qū)大爆破產(chǎn)生的振動對爆區(qū)臨近邊坡穩(wěn)定性的影響小于國家標準中規(guī)定的安全范圍（50 Hz 范圍內(nèi)振速8～12 cm/s 的范圍）。從主頻率因素看，監(jiān)測點的主頻率在8.0 ～30.9 Hz 之間變化，爆破振動頻率多數(shù)大于邊坡固有頻率，僅遠處屬低頻震動，爆破振動不會引發(fā)邊坡共振[7-8]。

5 結(jié) 語

1）監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，質(zhì)點峰值振動速度在0.751 2 ～5.343 8 cm/s 范圍之內(nèi)，12 組監(jiān)測數(shù)據(jù)中的質(zhì)點振動速度均未超過國家標準《爆破安全規(guī)程》中對巖石高邊坡規(guī)定的安全允許振速5～9 cm/s、8～12 cm/s范圍，故可視為此次爆破振動對礦山邊坡的影響在安全范圍內(nèi)。

2）在爆破振動頻率方面，已測出的爆破振動主頻率最小8.0 Hz，最大30.9 Hz，且小于10 Hz 的低頻振動占很小部分，根據(jù)資料查詢，邊坡及地面建構(gòu)筑物的固定頻率在5 Hz 以下，可認為爆破振動不會引發(fā)邊坡及建筑物的共振。因此，從爆破振動頻率因素上判斷，不會對測點周圍邊坡及建筑物產(chǎn)生破壞影響。

3）在爆破振動持時方面，持續(xù)時間在2.6 ～3.6 s 之間，持時較長。振動時間延續(xù)較長，會對邊坡產(chǎn)生積累損傷，對邊坡的穩(wěn)定不利。建議爆破振動的持續(xù)時間保持在1.5 s 之內(nèi)。

4）通過此次監(jiān)測，證明通過合理的單孔裝藥量控制，高質(zhì)量的施工組織，爆區(qū)后方采取打孔降振的措施，爆區(qū)在距離邊坡合理的距離下，組織礦山超大規(guī)模爆破，在提高經(jīng)濟效果的同時，可以保證邊坡穩(wěn)定性的安全要求。

5）通過組織超大規(guī)模爆區(qū)的施工，可以減少鉆機、電鏟等大型設(shè)備的頻繁移動，降低設(shè)備損耗，減少設(shè)備大修維護，提高勞動生產(chǎn)率；同時通過組織超大爆區(qū)的爆破施工，可有效減少爆區(qū)之間的銜接，增加礦巖塊體之間的碰撞，降低大塊率，減少巖體的二次破碎，降低生產(chǎn)成本，提高礦山運營的整體效益。