白馬鐵礦田家村南采區(qū)爆破測(cè)振及村民房屋影響研究*

胡方強(qiáng),張春陽,譚 海,姜婷婷,KABILA Kevin Mbuyu

(1.攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，攀枝花 617000;2.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070)

爆破是礦山開采和工程施工常見的作業(yè)方式，不可避免給周圍環(huán)境帶來干擾甚至安全隱患。為弄清爆破振動(dòng)的影響程度，測(cè)振在爆破作業(yè)過程中具有重要意義。黃磊和何祥采用NUBOX-8016型智能振動(dòng)測(cè)試儀確定了金寶鐵礦爆破峰值振動(dòng)速度衰減規(guī)律[1]，論證了金寶鐵礦爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)爆破測(cè)振的不足。梁琨等結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)及ANSYS/LS-DYNA，分析小凈距隧道爆破開挖中，后行洞上臺(tái)階爆破對(duì)先行洞的動(dòng)力響應(yīng)[2]；程平等通過LS-DYNA得到了爆破振動(dòng)下圍巖應(yīng)力分布、位移變化規(guī)律[3]，以及地震波沿隧道軸向及襯砌環(huán)向的速度衰減規(guī)律。此外，試驗(yàn)也是有效的研究手段，黃錫琴等通過混凝土模型爆破試驗(yàn)研究露天礦爆破振動(dòng)規(guī)律[4]，爆破振動(dòng)高程效應(yīng)與炸藥量間的關(guān)系。總之，他們的研究為爆破振動(dòng)危害防控提供了理論依據(jù)。

目前爆破振動(dòng)危害防控的措施較多，例如，數(shù)碼電子雷管的使用實(shí)現(xiàn)了延期精準(zhǔn)調(diào)控，使爆破震動(dòng)大幅度降低[5]；孫穎等提出了相應(yīng)的爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)及措施，用于葛洲壩3號(hào)船閘爆破拆除作業(yè)[6]；張?jiān)甑炔捎妙A(yù)裂縫進(jìn)行防振減振[7]；余紅兵和趙明生提出了覆蓋防護(hù)、減震溝隔離、鋼管排架防護(hù)[8]，最大單響藥量控制、爆破網(wǎng)路優(yōu)化等防控措施。

以白馬鐵礦田家村南采場(chǎng)為研究對(duì)象，自生產(chǎn)以來，采場(chǎng)爆破振動(dòng)已引起當(dāng)?shù)卮迕耜P(guān)注，并擔(dān)心對(duì)房屋造成安全隱患。參考已有研究成果，本文通過爆破振速監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和振速反算，結(jié)合相關(guān)規(guī)程評(píng)估爆破振動(dòng)對(duì)房屋的影響，并提出相應(yīng)減振建議。

1 工程概況及測(cè)點(diǎn)布置

白馬鐵礦是攀鋼集團(tuán)重要的釩鈦磁鐵礦生產(chǎn)基地，田家村屬于二期新開采場(chǎng)，位于四川省攀枝花市米易縣境內(nèi)。采場(chǎng)礦體走向近南、北，長(zhǎng)度約3000 m，傾向西，傾角60°～65°，121b、122b基礎(chǔ)儲(chǔ)量(B+C級(jí))為1.98億t。二期設(shè)計(jì)開采規(guī)模為500萬t/a，于2010年10月開始基建，2011年投產(chǎn)，2012年達(dá)到500萬t/a，2019年為計(jì)算年，采剝總量2250萬t/a，生產(chǎn)剝采比3.50，服務(wù)年限約33 a，其中穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間約30 a。采場(chǎng)臺(tái)階高度15 m，目前采用C150 mm型液壓鉆穿孔，孔網(wǎng)參數(shù)巖石5 m×5 m，礦石4 m×5 m。礦山環(huán)境及現(xiàn)狀見圖1所示。

圖 1 露天采場(chǎng)開采現(xiàn)狀Fig. 1 Mining status in the open stope

考慮到房屋位置、露天采場(chǎng)現(xiàn)狀、地質(zhì)地貌特征、巖土體非均質(zhì)性，以及當(dāng)前礦山開采現(xiàn)狀，爆破測(cè)振爆源位置選為1600 m、1570 m、1555 m、1525 m平臺(tái)，它們離村莊的距離最近，爆源與測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置如圖2所示。

圖 2 爆源與測(cè)點(diǎn)位置及村莊分區(qū)Fig. 2 The location of explosion sources,measuring point and village division

2 采區(qū)爆破設(shè)計(jì)

該礦山采用混裝炸藥爆破，導(dǎo)爆管雷管反向起爆。設(shè)計(jì)臺(tái)階高度15 m，炮孔孔徑160 mm，孔深約17.5 m，堵塞長(zhǎng)度約5～8 m。在10月10日，1570臺(tái)階采用三角形布孔，總數(shù)94個(gè)，孔距5～6 m，排距4 m，最小抵抗線3 m；1600臺(tái)階布孔71個(gè)，孔距5.5/6 m，排距4 m，孔深17.1～18.2 m，填塞長(zhǎng)度大于等于5 m，超深2.5 m，最小抵抗線3 m。在10月12日，1555臺(tái)階布孔112個(gè)(三角形布孔)，孔距5.5/6 m，排距4 m，最小抵抗線3 m，孔深15.8～17.8 m，填塞長(zhǎng)度大于5 m，超深2.5 m。在10月14日，1525臺(tái)階布孔37個(gè)，孔距5.5 m，排距4 m，最小抵抗線3 m，填塞長(zhǎng)度大于等于5 m，超深2.5 m，孔深16.7～17.3 m。采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，巖粉堵塞炮孔。典型的臺(tái)階切面如圖3所示。

圖 3 典型的爆區(qū)切面圖(單位：m)Fig. 3 Typical section of blast zone(unit:m)

采用導(dǎo)爆管雷管起爆，典型孔間延時(shí)、起爆順序見圖4所示，為確保起爆炮孔的爆破振動(dòng)峰值最大，降低其他炮孔干擾，將設(shè)計(jì)的單孔起爆調(diào)整為前兩孔同時(shí)起爆，因此對(duì)于1570 m、1600 m、1555 m和1525 m臺(tái)階，單孔最大藥量分別為520 kg、280 kg、520 kg、530 kg。

圖 4 典型的起爆網(wǎng)路Fig. 4 Typical detonating network

3 爆破振動(dòng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

3.1 測(cè)點(diǎn)布置原則

為了獲得更多測(cè)振數(shù)據(jù)，每條測(cè)線上布置5～6個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)振速傳感器盡可能位于同一直線上。根據(jù)爆破破巖機(jī)理，振動(dòng)波在爆源近區(qū)衰減快、遠(yuǎn)區(qū)衰減慢，呈冪指數(shù)衰減規(guī)律。考慮到爆破測(cè)試單段最大藥量均為520 kg左右，因此，測(cè)點(diǎn)遵循近密遠(yuǎn)疏布置，測(cè)線范圍在1000 m以內(nèi)。為了全面反映爆破地震波衰減規(guī)律，并保證測(cè)量?jī)x器安全，在各測(cè)線上，測(cè)點(diǎn)1(圖2)的爆心距選取為120～250 m。相鄰測(cè)點(diǎn)間的距離取為20～50 m，根據(jù)實(shí)際地形情況合理布置，確保在近區(qū)、中遠(yuǎn)區(qū)均能采集到振動(dòng)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)典型的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖5所示，對(duì)于村莊外測(cè)點(diǎn)，測(cè)振儀多安裝在地表堅(jiān)硬穩(wěn)固的基巖上，而對(duì)于村內(nèi)測(cè)點(diǎn)，測(cè)振儀可安裝在居民院中的水泥地面上。

圖 5 現(xiàn)場(chǎng)典型測(cè)點(diǎn)Fig. 5 Typical measuring points on site

3.2 數(shù)據(jù)處理與特征分析

在爆破結(jié)束確認(rèn)安全后，方可收裝儀器，并及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理?，F(xiàn)場(chǎng)一共布置了三條測(cè)線(圖2)，典型的爆破振動(dòng)波形如圖6所示，它顯示了測(cè)線1上測(cè)點(diǎn)2的爆破振動(dòng)波形，其中X、Y、Z分別代表測(cè)點(diǎn)指向爆源方向(水平徑向)、垂直于X方向(水平切向)、豎直方向。該點(diǎn)位于采場(chǎng)內(nèi)，振動(dòng)速度相對(duì)較大，其中X軸振速達(dá)到了1.75 cm/s，而Y和Z軸的振速相對(duì)小一些，但也分別為1.1 cm/s和1.01 cm/s。當(dāng)然隨著離爆心距離增大，振速逐漸減小。此外，從圖6中還可以看出，爆破振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間大概為0.5 s。

圖 6 測(cè)線1上測(cè)點(diǎn)2的爆破振動(dòng)波形圖(1570臺(tái)階)Fig. 6 Blasting vibration waveform of line 1 measuring point 2(1570 bench)

為了分析爆破振動(dòng)的衰減規(guī)律，以測(cè)線1上1570臺(tái)階爆破為例，整理后的數(shù)據(jù)如表1所示。表中Q代表單響最大藥量(kg)，Vp為爆破振動(dòng)峰值速度(cm/s)，f為峰值振速的頻率(Hz)，X、Y、Z分別為水平徑向、水平切向、豎直方向，D為測(cè)點(diǎn)到爆源的距離(m)。各測(cè)點(diǎn)位置及編號(hào)見圖2所示，其中測(cè)點(diǎn)5、6位于田家村內(nèi)，且測(cè)線3的5號(hào)測(cè)點(diǎn)位于離采場(chǎng)境界300 m范圍以內(nèi)。

表1 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)表(1570臺(tái)階1號(hào)測(cè)線)Table 1 Blasting vibration data sheet(No.1 line of 1570 bench)

測(cè)線上爆破振動(dòng)速度的峰值基本對(duì)應(yīng)于最先起爆的炮孔。測(cè)線1上的測(cè)點(diǎn)1、2安裝在下一個(gè)平臺(tái)基巖上，離震源最近，故振動(dòng)速度較大；測(cè)點(diǎn)3、4剛好位于開采境界之外，與測(cè)點(diǎn)1、2間有一小土坡，會(huì)加快爆破振速衰減，測(cè)點(diǎn)5、6位于村內(nèi)水泥地面上，距離起爆點(diǎn)高差大，距離遠(yuǎn)，且有水溝隔開，因此振速衰減最大，其值均小于0.10 cm/s。此外，由于地震波在傳播過程中發(fā)生了疊加，個(gè)別通道采集的峰值不在波的前端。

爆源與民宅間地質(zhì)條件復(fù)雜，有巖石、土、破碎帶、溝渠等，地震波衰減較巖體快。爆區(qū)與民宅間的高程差約70多m，回歸需要考慮高差影響。根據(jù)國(guó)家爆破安全規(guī)程及國(guó)內(nèi)外研究成果，一般采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式分析爆破振動(dòng)傳播與衰減規(guī)律

(1)

式中:K為與地質(zhì)、爆破方法等因素有關(guān)的系數(shù)；α為與地質(zhì)條件有關(guān)的地震波衰減系數(shù)；Q為與振速V值相對(duì)應(yīng)的最大一段起爆藥量，kg；R為測(cè)點(diǎn)與爆心之間的距離，m。

采用最小二乘法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，獲取對(duì)應(yīng)K、α值，它們?cè)诟鞣较虻牟町?，由斷層分布、?jié)理裂隙發(fā)育、地形地貌等因素決定。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在測(cè)線2上，X、Y和Z方向的K和α值為最不利組合，它們對(duì)應(yīng)的爆破振速相對(duì)最大，因此，采用測(cè)線2上K、α值進(jìn)行爆破振速反算更為合理。三條測(cè)線的K、α值如表2所示。

表2 各測(cè)線K、α回歸值Table 2 K and α values obtained from regression of each measuring line

3.3 回歸結(jié)果驗(yàn)證與爆破評(píng)估

村內(nèi)測(cè)點(diǎn)振速反算結(jié)果表明：爆破振速反算值與實(shí)測(cè)值較為接近，反算值總體上稍大于實(shí)測(cè)值，如表3所示，這是由于振動(dòng)波離開露天坑后，進(jìn)入土質(zhì)坡面，振動(dòng)速度衰減相對(duì)加快，此外，還受到地形地貌、溝等因素影響，可見，K、α的回歸值稍微偏大。不過，為了提高評(píng)估的可靠性，需考慮最不利狀況，因此，本文采用測(cè)線2的K、α組合。

表3 村內(nèi)測(cè)點(diǎn)振速實(shí)測(cè)值與反算值對(duì)比Table 3 Comparison of measured value and back-calculation value of vibration velocity of measuring points in the village

根據(jù)測(cè)線2的K、α值，對(duì)礦山2019年7月—2020年10月的爆破作業(yè)進(jìn)行反算驗(yàn)證，考慮到爆區(qū)與住宅的距離、溝等影響因素，將田家村劃分為三個(gè)典型區(qū)域(圖2)。反算結(jié)果表明：村內(nèi)各測(cè)點(diǎn)X、Y和Z方向的爆破振速均不超過《爆破安全規(guī)程》GB6722—2014中13.2.2條規(guī)定的安全允許振速范圍(0 Hz

表4 爆破振速最大反算值分布范圍(Z方向)Table 4 Distribution range of maximum back-calculation value of blasting vibration velocity(Z direction)

3.4 未來爆破振速預(yù)測(cè)與評(píng)估

預(yù)測(cè)臺(tái)階如圖7所示，在臺(tái)階上選取靠近村莊的參考點(diǎn)共3個(gè)，單孔藥量分別為：260 kg、270 kg、280 kg、290 kg(目前爆破常用單孔藥量)。反算結(jié)果表明：最終境界各臺(tái)階爆破作業(yè)時(shí)，村莊內(nèi)測(cè)點(diǎn)振速反算值總體大于當(dāng)前振速；對(duì)于1435 m(參考點(diǎn)2)和1465 m(參考點(diǎn)1)臺(tái)階最靠近村莊處，Z方向爆破振速(分別對(duì)于區(qū)域1和區(qū)域2)可能會(huì)超過或接近《爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)》中“土窯洞、土坯房、毛石房屋”規(guī)定的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，但仍低于《爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)》中“一般民用建筑物”爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，Z方向典型爆破振速反算值如表5所示。

圖 7 采場(chǎng)最終境界爆破振速預(yù)測(cè)參考點(diǎn)位置Fig. 7 Location of reference point for prediction of blasting vibration velocity at final boundary of stope

此外，為了使最終境界各臺(tái)階爆破振速與當(dāng)前爆破振速接近，必須降低單孔藥量，優(yōu)化爆破方案；對(duì)于靠近村莊處，最大單孔藥量應(yīng)小于199 kg(以V<0.45 cm/s計(jì)算)。考慮到最終境界圖的精度問題，以及今后開采調(diào)整，因此，反算結(jié)果和允許最大單孔藥量?jī)H作為參考。

4 結(jié)論

田家村內(nèi)測(cè)點(diǎn)爆破振速均低于《爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)》中“土窯洞、土坯房、毛石房屋”和“一般民用建筑物”爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

選取最不利條件下各坐標(biāo)軸K、α值，反算村內(nèi)測(cè)點(diǎn)振速，結(jié)果表明：反算值總體上大于實(shí)測(cè)值，這是由于K、α依據(jù)露天坑內(nèi)礦巖區(qū)測(cè)點(diǎn)反算得出，坑外地表為土層，且受到地形、溝等不利因素影響；此外，反算驗(yàn)證了K、α值的可靠性。

考慮最不利因素、爆破的長(zhǎng)期作用，當(dāng)前逐孔起爆單孔藥量不應(yīng)超過384 kg(以離爆破點(diǎn)最近房屋計(jì)算)；以目前逐孔起爆設(shè)計(jì)的最大單孔藥量290 kg計(jì)算，爆破點(diǎn)離房屋最近距離應(yīng)大于288 m(V<0.45 cm/s)。建議礦山繼續(xù)采用逐孔起爆技術(shù)，加快電子數(shù)碼雷管的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)延時(shí)，進(jìn)一步降低爆破振速。根據(jù)最終境界爆破振速預(yù)測(cè)值，今后的爆破方案需適當(dāng)調(diào)整，以便控制爆破振速不超過當(dāng)前水平。

以上結(jié)論只適用當(dāng)前礦區(qū)開采范圍，當(dāng)爆區(qū)位置變動(dòng)較多后建議復(fù)核，而最終境界各臺(tái)階爆破振速反算值只能作為參考。