拉底過斷層巷道中深孔爆破振動監(jiān)測與分析

李爭榮，武鵬杰 ，劉明武，曹永 ，馮興隆，王貽明

(1.云南迪慶有色金屬有限責任公司，云南 香格里拉市 674400；2.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

0 引言

礦山爆破施工期間，炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波瞬間作用在巷道圍巖中形成強間斷，并以爆源為中心、沿著巷道圍巖等介質(zhì)，以橢球狀沖擊波的形式向外擴散傳播，伴隨著傳播距離的增大，沖擊波能量迅速衰減而轉(zhuǎn)化為波形較為平緩的應力波，引起巷道圍巖質(zhì)點振動，一旦超出安全允許范圍，將導致其嚴重破壞。因此，為了得到爆破振動效應的衰減規(guī)律，對爆破振動進行系統(tǒng)的監(jiān)測和研究是非常必要的。

針對爆破振動衰減規(guī)律的研究，國內(nèi)外學者從20世紀初期開始做出大量研究。DOWDING[1]研究發(fā)現(xiàn)用介質(zhì)質(zhì)點位移作為爆破振動對圍巖的破壞判據(jù)更符合實際。SLOBODAN Trajkovic等[2]學者討論了如何確定爆破振動安全距離的問題，特別是研究了爆破振動效應對現(xiàn)場作業(yè)帶來的不利影響。王先義等[3]提出了建立以質(zhì)點振動速度峰值為主、振動波頻譜和振動傳播時間為輔的多參數(shù)安全判據(jù)。對于不同地質(zhì)地形條件下的爆破振動衰減規(guī)律，也有學者進行了針對性的研究。張進平[4]指出，爆破受地質(zhì)條件等因素的影響，導致爆破振動波在介質(zhì)中傳播的方向性以及質(zhì)點振動峰速等值線的異向系數(shù)具有呈橢圓形分布的趨勢。張永哲[5]通過對李家峽露天礦山爆破振動的監(jiān)測與分析，發(fā)現(xiàn)爆破地震波在地表中傳播通過斷層后，大部分會出現(xiàn)主振頻率降低、波形振動速度峰值降低的現(xiàn)象，但部分巖體也會出現(xiàn)波形主頻增大的現(xiàn)象，說明斷層對振動波的阻隔效應是復雜且非線性的。

上述研究主要通過現(xiàn)場試驗和理論分析對爆破振動傳播和衰減規(guī)律進行分析，雖已取得大量有價值的成果，但是對布置在斷層破碎帶附近的拉底巷道圍巖的爆破振動效應研究較少，且得到的研究成果過于復雜，不利于生產(chǎn)應用。本文結(jié)合云南普朗銅礦地質(zhì)概況，設計并實施拉底過斷層中深孔爆破振動監(jiān)測。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析得到薩道夫斯基經(jīng)驗公式中的經(jīng)驗系數(shù)值K、α，進而獲得裝藥量、速度、距離三者的關(guān)系，建立適用于現(xiàn)場地質(zhì)條件的衰減規(guī)律公式，可為類似工程提供經(jīng)驗[6]。

1 工程概況

普朗銅礦位于滇西北迪慶藏族自治州東部，中甸縣城50°方向、平距約36.4 km處[7]。普朗銅礦首采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，除了大大小小的節(jié)理裂隙等構(gòu)造面密集發(fā)育外，主要存在5條斷層,還包括小斷層若干，往往橫穿多條穿脈或沿脈延伸幾十米后尖滅。首采區(qū)主要斷層詳細情況見表1[8]。

普朗銅礦采用自然崩落法開采礦石，通過在3736m拉底水平進行中深孔拉底爆破，形成拉底空間，使上部礦體在次生應力場的作用下，內(nèi)部不連續(xù)面持續(xù)擴張，并在礦石自重作用下進行崩落[9]?，F(xiàn)場中深孔拉底爆破采用扇形中深孔炮孔，孔深3.5m～13m，根據(jù)首排炮孔設計參數(shù)，調(diào)整第2排、第3排炮孔的參數(shù)，形成交叉布置的炮孔結(jié)構(gòu)，炮孔排距為1.9m。爆破炸藥采用粒狀銨油炸藥，采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，孔底、孔口雙向起爆，起爆藥包為1節(jié)Φ50mm乳化炸藥。

表1 首采區(qū)主要斷層特點（3760～3736m中段）

2 爆破振動監(jiān)測

2.1 監(jiān)測原理

中深孔爆破釋放的能量在實現(xiàn)形成拉底空間目的的同時，有部分能量不可避免地以波的形式向四周傳播并形成爆破地震波，炸藥發(fā)生爆炸的整個過程是一個比較復雜的物理化學反應，同時也是一個能量轉(zhuǎn)化以及傳遞的過程，而地震波在傳播過程中不可避免地會對巷道圍巖、支護體以及其他構(gòu)筑物產(chǎn)生影響，即為爆破振動效應。根據(jù)巖石爆破的特性可知，爆破振動效應與質(zhì)點振動速度的大小密切相關(guān)，在實際工程爆破中，往往采用振動速度峰值來衡量爆破振動效應，進而評估爆破振動的危害程度。為了確保構(gòu)筑物的安全，必須對現(xiàn)場爆破質(zhì)點振動速度加以監(jiān)測。一般的爆破振動監(jiān)測通常會將圍巖物理力學參量的變化轉(zhuǎn)換為電信號，通過電測法來記錄圍巖質(zhì)點的物理力學性質(zhì)改變，再對記錄到的電信號進行轉(zhuǎn)換與后處理，從而有效記錄爆破振動的諸多參數(shù)[10]。

2.2 測點布置

本次現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)采用中科院成都分院自主研發(fā)的TC-4850爆破振動測振儀。為保證監(jiān)測的可靠性，避免出現(xiàn)較大誤差，該儀器設定采樣率為8 kHz，采樣時間為2 s，觸發(fā)電平設置為0.2 cm/s，記錄延時為?100ms。同時考慮到拉底巷道的地質(zhì)條件，將爆破振動測振儀的傳感器布置在距爆源2倍洞徑的拉底巷道兩幫上，且距底板1/3巷高，用石膏粉把三矢量傳感器固定在基巖上形成剛性聯(lián)結(jié)，分別監(jiān)測測點水平徑向、水平切向、垂直方向的質(zhì)點振動速度。參考以往的監(jiān)測經(jīng)驗及現(xiàn)場拉底巷道的布置情況，同時結(jié)合當前的拉底進度，此次共布置3個測點，要求每一處監(jiān)測點至爆炸中心的距離按近密遠疏的對數(shù)分布規(guī)律布置，因此設計每個測點至爆炸中心的距離依次為15m，30m，60m?，F(xiàn)場測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 試驗結(jié)果

對拉底爆破展開多次振動監(jiān)測后，把記錄儀數(shù)據(jù)導入計算機，使用Blasting vibration analysis爆破振動分析軟件處理數(shù)據(jù)。通過篩選對比，去掉誤差較大的數(shù)據(jù)，選擇其中較優(yōu)的3組數(shù)據(jù)進行分析。相關(guān)振動數(shù)據(jù)以及相應的炸藥量、爆心距等數(shù)據(jù)見表2。

由表2分析可得，在該拉底巷道所監(jiān)測到的爆破振動主頻頻散現(xiàn)象比較明顯，主頻分布的頻域跨度都比較大，幾乎涵蓋了從高到低的所有頻率。可見爆破振動主頻除了受到地震波傳播距離和最大單響藥量的影響外，拉底爆破現(xiàn)場的地形地質(zhì)條件對頻率的變化也均有影響。正是由于斷層、節(jié)理裂隙等構(gòu)造面的存在導致圍巖傳播介質(zhì)的非線性，使得地震波頻譜具有不規(guī)則的廣譜性。

表2 爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2 回歸分析

依據(jù)現(xiàn)有的研究成果，目前國內(nèi)外一般采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式對爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析。公式（1）中的K、α均是經(jīng)驗系數(shù)值，與爆破現(xiàn)場拉底巷道圍巖的巖性條件相關(guān)，不同巖性條件下的K、α經(jīng)驗數(shù)據(jù)可參見表3。

表3 不同巖性條件下的K、α值

根據(jù)表2中的爆破振動速度及相對應的單段最大單響藥量和爆心距，對薩氏公式進行二元線性擬合，以確定經(jīng)驗公式中的巖性系數(shù)K與α值，進而得到拉底過斷層中深孔爆破作業(yè)的爆破振動衰減規(guī)律。

式中，V為圍巖質(zhì)點振動速度，cm/s；R為爆心距，即爆源與測點的直線距離，m；Q為爆破單段最大起爆藥量，kg；K為與地質(zhì)條件、圍巖特性有關(guān)的巖性系數(shù)；α為爆破衰減系數(shù)。

將式（1）轉(zhuǎn)化為一元線性回歸公式

根據(jù)線形回歸和最小二乘法的基本原理，使用Origin 2019軟件擬合分析，得到本次測試的爆破振動衰減方程。三矢量和速度：

K=88.235，α=0.80，相關(guān)系數(shù)R2=0.932。

水平徑向速度：

K=49.402，α=0.93，相關(guān)系數(shù)R2=0.897。

水平切向速度：

K= 61.559，α=0.89，相關(guān)系數(shù)R2=0.883。

垂直方向速度：

K=40.447，α=0.74，相關(guān)系數(shù)R2=0.927。

可得水平徑向速度、水平切向速度、垂直方向速度、質(zhì)點三矢量和速度與單段最大單響藥量與爆心距比值的散點及線性回歸圖，見圖2～圖5。

由回歸分析結(jié)果可知，擬合相關(guān)性系數(shù)較高，表明振動監(jiān)測數(shù)據(jù)具有較高的可靠性，也進一步驗證了公式（1）的合理性。根據(jù)表3對經(jīng)驗系數(shù)值的規(guī)定，發(fā)現(xiàn)薩氏公式適用于該礦山且經(jīng)驗系數(shù)K=88.235，α=0.80能真實地反映爆破振動波的衰減規(guī)律。

同時發(fā)現(xiàn)衰減系數(shù)α小于規(guī)定的閾值范圍，α<1.3，衰減系數(shù)過小，表明質(zhì)點振動速度受地質(zhì)地形條件的影響，爆破振動影響范圍變廣、持續(xù)時間變長。這與現(xiàn)場實際情況相符，普朗銅礦地下有大大小小斷層、破碎帶，地震波在傳播過程中遇到斷層、節(jié)理裂隙面等結(jié)構(gòu)面時，會產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象，此外，還會產(chǎn)生繞射等現(xiàn)象，使波的波形、頻率和振動持續(xù)時間都發(fā)生變化。

圖2 水平徑向速度線性回歸曲線

圖3 水平切向速度線性回歸曲線

圖4 垂直方向速度線性回歸曲線

圖5 三維合成速度線性回歸曲線

4 結(jié)論

（1）由于拉底爆破施工現(xiàn)場地質(zhì)地形條件的復雜性，且影響爆破振動衰減的因素不存在線性關(guān)系，因此對具體工程而言，應該通過現(xiàn)場監(jiān)測，對數(shù)據(jù)進行擬合分析建立線性回歸模型，從而得到符合現(xiàn)場地質(zhì)地形條件的爆破振動衰減規(guī)律。

（2）試驗區(qū)S5S拉底巷道爆破振動衰減系數(shù)K與α分別為88.235，0.80，即適用于現(xiàn)場的爆破振動傳播數(shù)學模型為：與該區(qū)域巖性基本吻合，可以準確地反映爆破振動波在該區(qū)域的衰減規(guī)律。

（3）斷層的存在導致中深孔拉底爆破振動效應影響范圍變廣、持續(xù)時間變長，對拉底巷道圍巖及支護結(jié)構(gòu)的破壞加劇。因此，后續(xù)的拉底爆破及類似工程，應及時優(yōu)化爆破參數(shù)和支護巷道。