考慮高程放大效應(yīng)的永久減震孔降震研究①

李吉楊芙， 劉敬智， 孫 琰， 李銀忠

(萬寶礦產(chǎn)有限公司,北京100053)

在露天礦生產(chǎn)過程中,由于爆破理論的不成熟和作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性,礦山爆破震動對周圍建(構(gòu))筑物造成破壞的災(zāi)害性事故時有發(fā)生［1-2］。 隨著爆破規(guī)模擴(kuò)大,由此引起的爆破震動效應(yīng)可能導(dǎo)致附近建筑物出現(xiàn)裂紋甚至損毀,造成經(jīng)濟(jì)損失,阻滯生產(chǎn)進(jìn)度,因而受到社會和政府的普遍關(guān)注。 目前,各種主動降震方法以及部分被動降震方法正被積極運用于生產(chǎn)實踐中［3-6］。 在露天礦山中,隨著開采臺階不斷下降,爆破設(shè)計當(dāng)中的理論計算公式因高程放大效應(yīng)的影響不再適用［7］,但是目前大多數(shù)實際工程并未考慮高程影響［8-10］。 本文以緬甸Letpaduang 銅礦北部寺廟為監(jiān)測點,在考慮高程因素的影響下,通過對寺廟附近爆破振速監(jiān)測得到地震波強度理論計算公式以研究不同排數(shù)減震孔的降震作用和減震孔后不同位置的降震效果,并根據(jù)減震孔的降震成效和寺廟處爆破震動振速限值,重新劃分爆破震動控制區(qū)以及探索減震孔受高程影響的長期降震作用。 此舉對有效保障周邊設(shè)施安全、保證正常生產(chǎn)、減少財產(chǎn)損耗、提高礦山經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)定當(dāng)?shù)厣鐣榫w具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概述

Letpaduang 礦座落于緬甸實皆省蒙育瓦鎮(zhèn),屬于斑巖型銅礦經(jīng)過風(fēng)化淋濾及次生富集作用后形成的高硫化型銅礦床。 在Letpaduang 礦區(qū)北部有一座佛教寺廟,被列為重點保護(hù)對象。

根據(jù)爆破安全規(guī)程,寺廟處爆破震動振速限值為5 mm/s。 然而隨著采坑深度不斷下降,爆破振動高程放大效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)。 在隨機測試中,寺廟附近爆破震動振速多次逼近5 mm/s。 目前,佛塔周圍爆破震動危害對礦山生產(chǎn)造成一定程度制約,已成為礦區(qū)亟待解決的問題。

2 減震機理

2.1 震動波傳播機理

當(dāng)炸藥在巖石介質(zhì)中爆破時,其爆破能量向外傳播引起地面震動的彈性波稱為地震波。 雖然地震波的總體能量僅占到炸藥爆炸釋放能量時的2%～6%［6］,但當(dāng)其整體強度超過某一臨界值時,將會使得地表建(構(gòu))筑物出現(xiàn)不同程度的損毀。 根據(jù)現(xiàn)場工程經(jīng)驗及相關(guān)文章描述,爆破震感在其他條件相同的情況下會隨著監(jiān)測點距離爆破源的高程增大而愈發(fā)明顯,因此爆破地震效應(yīng)不僅應(yīng)考慮水平傳播影響還應(yīng)研究高程因素。

2.2 Letpaduang 銅礦現(xiàn)有減震措施

Letpaduang 銅礦現(xiàn)階段主要利用參數(shù)調(diào)整、微差控制等主動手段對爆破震動進(jìn)行消減,整體效果較好。然而隨著采區(qū)的逐年加深,當(dāng)前所采用方法的效果逐漸降低。 為了控制寺廟處爆破震動,結(jié)合現(xiàn)場實際情況,決定采用施工永久減震孔的被動降震方式以保障寺廟的安全穩(wěn)固。

2.3 減震孔降震原理

在爆破點與被保護(hù)建(構(gòu))筑物之間設(shè)置深度超過被保護(hù)對象地基深度的減震孔將改變巖體的密度,當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ翜p震孔處時,將因介質(zhì)特性(波阻抗特性ρc)變化發(fā)生反射和折射,其能量被泄放減弱,達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn),從而保護(hù)建(構(gòu))筑物。 其傳播路徑見圖1。

圖1 地震波通過減震孔時的傳播路徑

由于空氣不傳播彈性波,因此不填充任何介質(zhì)的空孔相比填充其他介質(zhì)的減震孔更能在一定程度上加速削弱地震波的傳播,減小爆破震動。 同時,空氣填充的減震孔施工容易、快捷方便。 因此,本文進(jìn)行的減震孔試驗采用空氣介質(zhì)進(jìn)行填充。

3 減震孔試驗方案

3.1 減震孔布設(shè)

礦區(qū)北部寺廟基座尺寸51.4 m × 58 m,距圍擋最近距離為18.9 m,距圍擋內(nèi)道路最近距離為22.5 m。在道路南側(cè)存在樹木、雜草,地勢海拔不一、覆土層較厚,且距其5.2 m 處有一水文觀測點,觀測點東南角5 m處有一條排水溝,與道路方向基本平行。 同時,鉆機作業(yè)時距圍擋安全距離至少3 m。 因此,對道路進(jìn)行拓寬改造,將減震孔鉆孔位置設(shè)置于道路路面上。 結(jié)合減震作用范圍和寺廟寬度,選定寺廟寬度對應(yīng)兩側(cè)向外各自延伸20 m 作為鉆孔區(qū)域,計算得到減震孔最終鉆孔區(qū)域總長度94 m,左右兩端分別對應(yīng)寺廟基座張角26°和39°,如圖2 所示。

依現(xiàn)場鉆機設(shè)備情況,鉆垂直孔,孔徑250 mm。為發(fā)揮減震孔最大降震作用,應(yīng)盡可能加大孔深,但為了方便制作套管,采取統(tǒng)一孔深,鉆機目前最大鉆孔深度19.5 m,考慮提桿后落灰,孔深統(tǒng)一為18.5 m。 根據(jù)鉆機施工范圍,減震孔孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計見圖3,2 m ×2 m,3 排,三角形布孔,后排與前排孔在水平方向上錯開0.66 m,合計鉆孔數(shù)目144 個。

圖2 減震孔鉆孔范圍示意及測點布置

圖3 減震孔布孔設(shè)計

為保證降震效果,需防止孔內(nèi)充水,在孔內(nèi)放置具有一定強度的HDPE 橡膠管,該管兩端封閉,管長19.5 m,外徑200 mm,管壁15 mm,內(nèi)徑170 mm。 露出孔口1 m,出露段設(shè)置數(shù)個透氣小孔,如圖4 所示。

圖4 HDPE 管放置示意圖

3.2 振動監(jiān)測設(shè)計

此次試驗采用TC-4850 爆破測振儀進(jìn)行監(jiān)測,該設(shè)備屬于一體化三維傳感器,采樣頻率為1 ～50 kHz,16 位A/D,量化精度1/65 536。 當(dāng)振動信號傳遞至三矢量傳感器時,可用4850 爆測儀進(jìn)行現(xiàn)場預(yù)覽,隨后可將數(shù)據(jù)輸入電腦,通過數(shù)據(jù)值軟件分析得到監(jiān)測評估報告。 工作原理見圖5。

圖5 TC-4850 工作原理

本次試驗在寺廟周圍共放置6 臺設(shè)備,分別位于減震孔排的中垂線上距第1 排減震孔前側(cè)2 m(A點)、第3 排減震孔后側(cè)2 m(B 點)、25 m(C 點)、70 m(D 點),C 點左、右兩側(cè)30 m(E、F 點)(如圖2 所示)。每一排減震孔施工完成后,進(jìn)行12 次爆破振動測試,共獲得288 組波形數(shù)據(jù)。

4 考慮高程放大效應(yīng)的降震效果分析

4.1 高程放大效應(yīng)對爆破震動的影響

地震波強度理論計算通常采用薩道夫斯基的經(jīng)驗公式:

式中v 為爆破振動速率；K 和α 為與平整地形、地質(zhì)條件、爆破方法以及裝藥結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)的場地系數(shù)和衰減指數(shù)；Q 和R 分別為最大單響藥量和測點距炮區(qū)的距離。 通過在Letpaduang 礦長期爆破測振,發(fā)現(xiàn)使用式(1)進(jìn)行回歸計算得到的振速值與實測值存在較大差異。 記錄距離相近、炸藥量相當(dāng)?shù)谋普駝铀俾?如表1 所示,其中矢量合成速率均為A 點測振結(jié)果。

表1 高程對爆破震動的放大效應(yīng)

將編號5 和27、11 和14、20 和35 數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩對比,不難發(fā)現(xiàn),隨著高程增加,振動速率也隨之增加,說明高程對爆破震動確實存在放大效應(yīng)。 再將編號11 和20、14 和35 數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩對比,可以看到,當(dāng)距離、高差和藥量相互作用時,有可能使得爆破振動速率不發(fā)生改變。 因此,當(dāng)距離和高差無法改變時,調(diào)節(jié)單孔最大爆破藥量對于降低振動速率顯得至關(guān)重要。

4.2 不同減震孔排數(shù)的降震成效研究

為使地震波強度理論計算更加符合實際,現(xiàn)采用考慮高程放大效應(yīng)的拓展式。 前人已對薩道夫斯基的變形式提出過各種形式的表達(dá),但是多數(shù)并未將R 和巖性等因素對爆破質(zhì)點距測點的高程差H 的影響納入其中。 為減小誤差,本文采用如下公式進(jìn)行計算:

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式中K′為與邊坡等凸形地貌有關(guān)的作用系數(shù)；β 為高差作用指數(shù)。

將式(2)兩邊同時取對數(shù),得:

由于Q、R、H 均為已知數(shù),因此可將式(3)函數(shù)化為:

為更好地顯示減震孔對寺廟的保護(hù)作用,將C 點測振得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析,得到無減震孔、1 排減震孔、2 排減震孔以及3 排減震孔時爆破地震波速率的擬合計算公式,具體見表2。

表2 振動速率衰減擬合公式

通過對比表2 中各個公式不難發(fā)現(xiàn),平地系數(shù)K與凸形地貌系數(shù)K′的乘積、衰減指數(shù)α 和高差作用指數(shù)β 隨減震孔排數(shù)的變化趨勢為:隨著減震孔從0 排到1 排、1 排到2 排、2 排到3 排,衰減乘積系數(shù)KK′逐步減小,而α 和β 變化并不明顯。 KK′對比變化趨勢見表3。 從表3 可以看出,減震孔從無到1、2、3 排減震孔,降震效果逐漸弱化。

表3 衰減乘積系數(shù)KK′對比變化趨勢

將有無減震孔時的最大振動速率按式(5)進(jìn)行平均,并對比不同排間的變化百分比,得到減震率λ 如表4 所示。

式中v0n為第n 次爆破無減震孔時的最大振速；vn為第n 次爆破減震孔后的最大振速。 由于爆破點與測點的距離是測點相互之間距離的幾十倍,可近似將A、B 兩點視為同一點,因而v0n取A 點振速,vn取B 點振速。

表4 減震率變化趨勢

雖然減震孔排數(shù)越多總降震效果越明顯,但是單排減震孔的增加并未使得該效果得到顯著提升,而是逐步趨緩。 因此,減震孔排數(shù)無需施工過多,只要能使被保護(hù)物處于安全范圍即可。

4.3 寺廟附近不同監(jiān)測點的降震成效

選取C、D、E、F 點進(jìn)行對比,將3 排減震孔后各點地震波強度計算式列入表5 中。 縱觀擬合公式,除衰減乘積因子KK′有所變化外,另外兩個指數(shù)均無變化。由于目前某些炮區(qū)位置處于寺廟南稍偏東方向,因而地震波有時候會最先達(dá)到F 點,其次是C 點和E 點,最后是D 點。 因此在4 點當(dāng)中,最東側(cè)的F 點衰減乘子比C 點增大了0.31%,最西側(cè)E 點的衰減乘子比C點減小了0.64%,最北側(cè)D 點的衰減乘子比C 點減小了1.47%。 盡管公式當(dāng)中系數(shù)變化較小,但上述比較表明爆破地震波的傳播方位對于減震孔后的地震波振速計算存在著影響,所以若能將方位角歸入理論計算式中將使得表達(dá)式更加精確。 不過,隨著采坑逐漸南移,邊幫逐漸拓展,寺廟與礦坑之間的距離逐年拉大,寺廟范圍占整個礦區(qū)面積的比例逐年減小,4 個測點的變化將逐漸縮小,所以本文中永久減震孔對于保護(hù)寺廟來說受到爆破方位的影響可以忽略不計。

表5 寺廟附近各測點擬合公式

4.4 永久減震孔的長期降震效果分析

Letpaduang 銅礦圈定的終了境界臺階高度15 m,終了階段坡面角65°,最終邊坡角45°,安全/清掃平臺寬度8 m/8 m/20 m(安全-安全-清掃),露天采場上口尺寸2 700 m × 1 900 m,下口尺寸600 m × 120 m,露采最高開采標(biāo)高315 m,露采坑底標(biāo)高-345 m。 礦區(qū)北部最高開采標(biāo)高85 m,寺廟標(biāo)高75 m,離終了邊界最近距離266 m。 Letpaduang 銅礦臺階采用深孔臺階一次爆破成型,連續(xù)裝藥的爆破方案,高程H 以15 m為公差發(fā)生變化；同一臺階處R 越小,爆破震動越劇烈,而終了邊界是離寺廟最近的礦區(qū)位置,因此將最終境界模型導(dǎo)入3DMine 軟件中,測量寺廟附近C 點距離礦坑終了邊界各臺階的最近距離及高程,設(shè)定v ＝0.5 cm/s,得到各臺階單孔最大允許爆破裝藥量如圖6所示。

圖6 最危險區(qū)域單孔最大允許裝藥量

總體來說,藥量Q 隨R 和H 呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,中間略有波動。 終了境界與寺廟貼近處R 變化較小(R ＝288～346 m,H＝15～75 m),此時H 對Q 的影響占主導(dǎo)地位,隨著高程增大,能夠填裝的藥量逐漸減小,最小值350.77 kg 出現(xiàn)在與寺廟存在75 m 高差的00 m 水平,二者之間距離為346 m；第2、3 小值分別為361.71 kg 和366.23 kg,各自處于30 m 和15 m 臺階。 自-15 m 臺階開始往下,高程差值從90 m 增至420 m,爆心距從387 m 增至998 m,此時R 對Q 的影響凸顯更加重要的作用,隨著距離增大,單孔最大允許裝藥量從469.92 kg 增至5 627.82 kg。 根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)經(jīng)驗,通常單孔最大裝藥量在400 ～600 kg,所以在上部平臺爆破過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制裝藥量,同時可配合預(yù)裂爆破進(jìn)一步降低爆破震動。

5 結(jié) 論

1) 隨著采坑加深,高程對爆破震動的放大效應(yīng)明顯,在振速計算中不僅需要考慮藥量和距離,高差也要納入計算公式當(dāng)中。

2) 減震孔排數(shù)越多,總體降震效果越好,但降震效果會隨著減震孔排數(shù)增加而逐漸弱化。

3) 從經(jīng)濟(jì)效益考慮,減震孔無需施工過多排數(shù),只要能夠滿足所需保護(hù)建(構(gòu))筑物震動控制要求即可。

4) 減震孔后不同測點位置振速受爆破方位影響而有所不同,然而隨著開采區(qū)域遠(yuǎn)離及擴(kuò)大,其影響逐年減弱。

5) 高程放大效應(yīng)與距離的遠(yuǎn)近對單孔最大允許裝藥量產(chǎn)生交替影響,使得藥量呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢,因而合理探究最危險區(qū)域并進(jìn)行控制對于提高礦山經(jīng)濟(jì)效益和社會效益至關(guān)重要。