爆破地震波傳播規(guī)律試驗(yàn)研究*

安勝杰，易吉祥，池恩安，于海闊，歐陽(yáng)天云,4

(1.保利久聯(lián)控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴陽(yáng) 550002；2.安順新聯(lián)爆破工程有限公司，安順 561000；3.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴陽(yáng) 550002；4.保利民爆哈密有限公司，哈密 839200)

1 工程概況

新疆別斯庫(kù)都克露天煤礦(以下簡(jiǎn)稱“別礦”)年產(chǎn)煤2×106t、年石方剝離量1.8×106m3，平均每天爆破巖石5×104m3、消耗炸藥20 t。其開采形式采用工作幫梯級(jí)放坡，開采現(xiàn)狀見圖1。非工作幫位于西幫和南幫，經(jīng)過長(zhǎng)年的風(fēng)化，有小型崩塌的風(fēng)險(xiǎn)，為解決底部平臺(tái)爆破產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)非工作幫的動(dòng)力穩(wěn)定性影響問題，需對(duì)底部平臺(tái)爆破產(chǎn)生的地震波的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，進(jìn)而在爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)底部平臺(tái)的爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，降低爆破振動(dòng)危害。

圖 1 露天煤礦開采現(xiàn)場(chǎng)示意圖Fig. 1 Diagram of mining site of open pit coal mine

2 爆破振動(dòng)試驗(yàn)研究

2.1 爆破振動(dòng)試驗(yàn)方案

本次爆破振動(dòng)試驗(yàn)主要是研究爆破地震波在邊坡巖體中的傳播衰減規(guī)律[1,2]，進(jìn)而分析別礦露天邊坡爆破動(dòng)力響應(yīng)特征規(guī)律，并通過大量振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)回歸薩道夫斯基方程中的參數(shù)K、α。根據(jù)對(duì)礦山地質(zhì)調(diào)查，本次試驗(yàn)的臺(tái)階邊坡巖性主要為砂巖，質(zhì)地較硬，屬于中硬巖，臺(tái)階邊坡保存完好，有利于試驗(yàn)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)階邊坡狀況見圖2。

試驗(yàn)方案如下:

(1)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

根據(jù)礦山實(shí)際生產(chǎn)情況和測(cè)點(diǎn)布置目的，選取巖體構(gòu)造比較單一且地質(zhì)條件相對(duì)較差的剖面進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，在爆破區(qū)域的上部平臺(tái)由近到遠(yuǎn)依次布置4個(gè)振動(dòng)測(cè)試點(diǎn):A、B、C、D，見圖3。

圖 2 臺(tái)階邊坡現(xiàn)狀圖Fig. 2 Present situation map of step slope

圖 3 測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位:m)Fig. 3 Schematic diagram of measuring point layout(unit:m)

(2)現(xiàn)場(chǎng)傳感器安裝

在邊坡巖體上找到合適的基巖，并將傳感器用石膏固定在清理后的基巖上[3]。傳感器X軸方向指向爆源，Y軸方向與爆源方向垂直，Z軸方向豎直向上?，F(xiàn)場(chǎng)儀器布置，見圖4所示。

圖 4 現(xiàn)場(chǎng)儀器布置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of field instrument layout

別斯庫(kù)都克露天煤礦爆破采用電子雷管微差起爆網(wǎng)路，孔排間采用毫秒微差延時(shí)網(wǎng)路來控制最大單響藥量，采用三角形布孔方式[4]。爆破孔網(wǎng)參數(shù)見表1。

表1 爆破孔網(wǎng)參數(shù)表Table 1 Blasting hole network parameter table

2.2 爆破振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次爆破振動(dòng)試驗(yàn)共進(jìn)行了7次，每次測(cè)得4組振動(dòng)數(shù)據(jù)，其中除去2次異樣數(shù)據(jù)后，還剩5次有效數(shù)據(jù)，包括有效測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)共20組，60個(gè)爆破振動(dòng)信號(hào)。爆破工藝參數(shù)見表2，爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

表2 爆破工藝參數(shù)表Table 2 Blasting process parameter table

表3 爆破振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Measured data of blasting vibration test

通過對(duì)表3中爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出別礦臺(tái)階邊坡爆破振動(dòng)的響應(yīng)特征[5]:

(1)整體數(shù)據(jù)顯示，隨著爆破振動(dòng)在邊坡上傳播時(shí)間和距離的增加，三個(gè)方向上的振動(dòng)峰值速度不斷衰減，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距爆源的距離對(duì)爆破振動(dòng)峰值速度的影響要遠(yuǎn)大于高程[6]。

(2)水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的峰值速度最大，水平切向次之，垂直向最小[7]。水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值范圍為0.75～5.66 cm/s、水平切向?yàn)?.12～5.11 cm/s、垂直方向?yàn)?.72～3.82 cm/s，爆破振動(dòng)合速度為2.053～8.392 cm/s。

3 爆破振動(dòng)公式回歸擬合

利用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式研究測(cè)點(diǎn)振速與爆心距和最大單響藥量之間的關(guān)系[8-11]，利用MATLAB軟件線性回歸分析得到與傳播地質(zhì)條件和爆破方式有關(guān)的衰減系數(shù)K、α值，進(jìn)而得到別礦爆破地震波的傳播規(guī)律公式[8]。對(duì)薩道夫斯基公式兩邊取對(duì)數(shù)進(jìn)行變形可得

(1)

則有線性回歸方程

y=ax+b

(2)

利用MATLAB軟件對(duì)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程影響爆破振動(dòng)的相關(guān)參數(shù)K、α，三個(gè)方向速度及合速度擬合結(jié)果分別見式(3)、(4)、(5)、(6)。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，X方向和合速度方向擬合曲線結(jié)果見圖5、圖6。

圖 5 水平徑向速度線性擬合曲線圖Fig. 5 Linear fitting curve of horizontal radial velocity

圖 6 合速度線性擬合曲線圖Fig. 6 Linear fitting curve of combined velocity

相關(guān)性系數(shù)R是評(píng)價(jià)線性關(guān)系的密切程度，即衡量回歸分析值與真實(shí)值的相似度，R的值大于0.8且與1越接近，線性相關(guān)程度越高。三個(gè)方向速度及合速度擬合結(jié)果相關(guān)性系數(shù)均大于0.8，說明該測(cè)振結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

4 振動(dòng)預(yù)測(cè)軟件研發(fā)

當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離爆源較遠(yuǎn)時(shí)，將整個(gè)爆區(qū)看作一個(gè)參考點(diǎn)O，該點(diǎn)的坐標(biāo)O(x0,y,z0)計(jì)算公式見式(7)

(7)

式中:Xmin、Ymin、Zmin為所有炮孔X、Y、Z坐標(biāo)中最小值；Xmax、Ymax、Zmax為所有炮孔X、Y、Z坐標(biāo)中最大值。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)至爆源中心距離R的計(jì)算公式見式(8)

(8)

式中，x、y、z分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GPS坐標(biāo)。

當(dāng)給定場(chǎng)地系數(shù)K，衰減系數(shù)α，最大單響藥量和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)后，便可根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)該點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值，經(jīng)過公式的相關(guān)變換，可實(shí)現(xiàn)校核最大單段起爆藥量、校核振動(dòng)安全距離。如圖7所示。

圖 7 爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)的軟件界面Fig. 7 Software interface for blasting vibration prediction

5 結(jié)論

(1)別礦的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，隨著爆心距的增大，邊坡質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度不斷衰減，三個(gè)方向中水平徑向峰值振速最大，水平切向次之，垂直方向最小，爆心距對(duì)爆破振動(dòng)速度的影響要遠(yuǎn)大于高程。

(2)利用MATLAB軟件結(jié)合薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其進(jìn)行線性擬合回歸計(jì)算，獲取了與傳播地質(zhì)條件和爆破方式有關(guān)的系數(shù)K、α值，其中水平徑向K=276.99、α=1.074，水平切向K=94.07、α=1.355，垂直方向K=104.48、α=1.504，合速度方向K=227.47、α=1.48。

(3)結(jié)合試驗(yàn)的結(jié)果，編制爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)點(diǎn)位置振動(dòng)峰值的預(yù)測(cè)、校核最大單段起爆藥量、校核爆破振動(dòng)的安全距離。