深埋巷道開挖爆破中圍巖振動響應(yīng)特征的監(jiān)測研究

劉博文，周志偉，胡軍生，嚴(yán) 鵬

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430072；3. 鞍山五礦陳臺溝礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114051)

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對大自然的改造不斷深入，眾多行業(yè)都將目光轉(zhuǎn)向了地下。深埋地下隧洞越來越多的出現(xiàn)在水電工程、交通建設(shè)、礦山開采等工程領(lǐng)域中，其規(guī)模也越來越大。鉆爆法作為使用最為廣泛的開挖方法，在地下工程中也被廣泛運用，相應(yīng)的，地下工程的爆破振動控制和圍巖的振動響應(yīng)特征也受到大量研究[1-2]。

孫金山[3]研究了爆炸應(yīng)力波對鄰近圓形隧道的動力擾動，認(rèn)為質(zhì)點振動速度最大的位置并非動應(yīng)力集中系數(shù)最大的位置；王新宇[4]等分析了隧道爆破施工對其相鄰的隧道圍巖的影響，發(fā)現(xiàn)相鄰隧道迎爆面測點豎向振動速度較大；Song[5]等通過模型試驗研究了水平小間距隧道爆破施工對鄰洞的影響，發(fā)現(xiàn)后洞開挖對夾層巖體有一定影響；石洪超[6]等研究了并行小凈距隧道后續(xù)洞爆破產(chǎn)生的振動效應(yīng)，認(rèn)為先行洞迎爆側(cè)邊墻上的最大振動速度出現(xiàn)在后續(xù)洞爆破掌子面的側(cè)后方。

本文基于深埋巷道的現(xiàn)場實測開挖爆破振動數(shù)據(jù)，對圍巖內(nèi)部和表面質(zhì)點振動速度的影響因素進行研究，為深埋巷道的振動安全控制提供參考。

1 工程背景

陳臺溝特大型鐵礦床位于遼寧省鞍山市千山區(qū)千山鎮(zhèn)陳臺溝村，距鞍山市區(qū)約11 km；大地構(gòu)造位置位于中朝準(zhǔn)地臺(Ⅰ級)膠遼臺隆(Ⅱ級)太子河-渾江臺陷(Ⅲ級)遼陽-本溪凹陷(Ⅵ級)的南緣，估算范圍面積約1.16 km2，最高標(biāo)高-440 m，最低標(biāo)高-1 620 m，礦體最小埋深490 m，最大埋深1 658 m，全區(qū)鐵礦石總資源量約12.28億t，平均品位TFe 34.84%，mFe 27.86% ，屬于“鞍山式”沉積變質(zhì)型鐵礦床，為國內(nèi)特大型黑色地下深井礦山之一。其中貫穿全區(qū)，規(guī)模較大的主礦體資源量占全礦床資源總量的92.72%。受古地殼剝蝕，礦體賦存標(biāo)高呈舒緩波狀，最高標(biāo)高為-650 m，最低為-993 m。各礦體呈層狀～厚層狀賦存于太古界鞍山群櫻桃園巖組綠泥石英片巖中，其產(chǎn)狀與圍巖一致。礦體厚度變化簡單-中等，總體走向北西330°左右，傾向北東，傾角68°～ 75°。

陳臺溝鐵礦床埋藏較深(-440 m～-1 620 m)，礦體厚大(34 m～223 m)，位于調(diào)軍臺選礦廠和胡家廟選礦廠之間，地表為村莊和農(nóng)田，上盤側(cè)有齊大山鐵礦露天采場，屬典型深部難采金屬礦床。

本次監(jiān)測的巷道段為-1 082 m高程大件道轉(zhuǎn)彎段，其平面示意圖如圖1所示。由于深部開采是在圍巖高應(yīng)力、強卸荷條件下開采，極易誘發(fā)巖爆等礦山動力災(zāi)害。因此，開展深埋巷道的爆破監(jiān)測及圍巖振動響應(yīng)研究對保證深部礦床的高效安全開采具有重要意義。

圖1 巷道開挖爆破振動監(jiān)測段平面示意圖

2 監(jiān)測方案

出于對巷道轉(zhuǎn)彎特殊地形的考慮，為了盡可能測得高質(zhì)量的直達波，本次爆破監(jiān)測在轉(zhuǎn)彎段前部巖體內(nèi)測埋設(shè)了兩個振動測點，結(jié)合地面布置的兩個振動測點，一共布置4個爆破振動測點，如圖2所示。巖體內(nèi)部1號測點鉆孔深度為5 m，下傾角15°，巖體內(nèi)部2號測點鉆孔深度為3 m，下傾角30°，1號測點和2號測點的水平距離為5 m，2號測點測孔所在位置為巷道轉(zhuǎn)彎的起點處。3號測點和4號測點水平距離為5 m，4號測點距巷道轉(zhuǎn)彎起點處15 m。

圖2 爆破測點布置圖

本次現(xiàn)場檢測所使用的監(jiān)測方案由報爆破振動信號拾取系統(tǒng)、爆破振動信號記錄和儲存系統(tǒng)以及爆破振動信號分析處理系統(tǒng)三個部分組成。其中，爆破振動信號的拾取、記錄和儲存采用成都泰測科技有限公司生產(chǎn)的Blast-Cloud型爆破測振儀和其配套的三向振動速度傳感器，振速量程0.001～35 cm/s，頻響范圍5～500 Hz；爆破振動信號分析處理使用為其定制的Blast-Cloud Data View軟件。測點現(xiàn)場安裝情況如圖3所示。

圖3 振動測試傳感器安裝現(xiàn)場照片

3 監(jiān)測結(jié)果

4個測點各監(jiān)測到6次爆破開挖振動信號，三個方向的典型爆破振動信號如圖4所示。從振動波形來看，爆破信號分段明顯，各段爆破之間分離清晰，波形穩(wěn)定，三個方向測得爆破振動信號峰值位置基本一致，對應(yīng)度高，說明此次爆破監(jiān)測較為成功，所測信號能較好反映測點的真實爆破振動情況。

圖4 典型爆破振動信號圖

統(tǒng)計各測點水平徑向、水平軸向和豎直向三個方向上的最大振動速度如圖5～圖8所示。

圖5 1號測點監(jiān)測結(jié)果圖

可以看出，各個測點處巖體的振動速度最大方向均在水平軸向，水平徑向和垂直向最大振動速度大小相近，基本處于同一水平。且均在爆破安全規(guī)程的要求范圍之內(nèi)[7]。其中，1號測點和3號測點軸向振動速度的最大值出現(xiàn)在第三次測試過程，2號測點和4號測點軸向振動速度的最大值出現(xiàn)在第二次測試過程，這也體現(xiàn)出巷道轉(zhuǎn)彎的影響。隨著巷道開挖的向前推進，測點距掌子面的距離增加，爆破振動傳播距離增加，爆破振動信號峰值速度本應(yīng)降低，但是由于巷道轉(zhuǎn)彎，垂直開挖面方向，也就是爆炸荷載直接作用的方向，與測點的水平軸向監(jiān)測通道(即為傳感器的Y通道)方向的夾角變小，因此該方向上測得的振動速度反而出現(xiàn)增大。1號測點相比2號測點深入巖體內(nèi)部的程度更深，巷道轉(zhuǎn)彎對其Y方向振動速度的增益更大，因此在第一次測試時1號測點和2號測點的Y方向PPV基本相等，都在5 cm/s上下，隨著巷道轉(zhuǎn)彎段的推進，2號測點在第二次測試時PPV達到最大，之后隨著爆破掌子面的向前推進PPV逐漸降低；而1號測點處PPV則在第二次測試后繼續(xù)增加，到第三次測試時達到最高，然后才隨著掌子面的向前推進逐漸降低，體現(xiàn)出爆心距增加的影響。

圖6 2號測點監(jiān)測結(jié)果圖

圖7 3號測點監(jiān)測結(jié)果圖

圖8 4號測點監(jiān)測結(jié)果圖

巖體表面3號和4號測點也表現(xiàn)出相似的規(guī)律。3號測點距開挖面的距離較4號測點要略遠一些，在前兩次測試的結(jié)果中，由于巷道轉(zhuǎn)彎角度還不大，空間位置關(guān)系對振動速度的影響還不明顯，3號測點PPV要小于4號測點。第三次測試之后，巷道轉(zhuǎn)彎達到一定角度，空間位置關(guān)系對振動速度的影響開始體現(xiàn)出來，在后四次的測量結(jié)果中，3號測點PPV均大于4號測點。

4 結(jié) 語

通過對陳臺溝鐵礦深埋巷道轉(zhuǎn)彎段爆破開挖振動的監(jiān)測和圍巖振動響應(yīng)分析，可以得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，各測點監(jiān)測到的爆破振動速度峰值大小均在爆破安全規(guī)程所規(guī)定的礦山巷道的安全允許質(zhì)點振動速度范圍之內(nèi)，滿足規(guī)范要求，爆破振動不會危害巷道結(jié)構(gòu)的安全。

2)巖體質(zhì)點的爆破振動速度峰值大小除了與爆破開挖面的距離有關(guān)之外還與質(zhì)點位置和開挖面的空間位置關(guān)系有關(guān)。距開挖面較遠地點在與開挖面成較大角度的情況下其振動速度峰值大小可能超過距開挖面較近但與開挖面成較小角度位置的質(zhì)點。這可能是由于開挖面上地應(yīng)力的卸荷作用導(dǎo)致與開挖面成較大角度的方向相對于與開挖面成較小角度的方向而言振動信號里包含了較多的由地應(yīng)力卸荷誘發(fā)的振動，因此表現(xiàn)為PPV的相對較大。

3)在考慮深埋地下工程爆破振動控制時，除了分析炸藥爆炸產(chǎn)生的振動外，還應(yīng)把地下空間結(jié)構(gòu)和環(huán)境地應(yīng)力水平等因素也納入考慮之中。