安家?guī)X露天煤礦爆破振動實測研究

史靈杰

（中煤平朔集團有限公司 生產(chǎn)技術管理中心，山西 朔州 036006）

露天礦的礦界周圍通常有民用建筑物、工業(yè)和商業(yè)建筑、公路鐵路、以及其他建筑設施等，隨著露天煤礦開采靠近邊界或者開采到界，露天煤礦日常爆破作業(yè)產(chǎn)生的振動會對礦界周邊的建筑和工程產(chǎn)生不良影響[1-2]。爆破安全規(guī)程里面對各種構筑物可承受的振動分類設置了限制，針對不同的構筑物爆破作業(yè)產(chǎn)生的振動必須在規(guī)定的范圍內[3]。一些學者通過對爆破振動的預測進行了理論和數(shù)值模擬研究[4]，對各種工況下給予了對應的爆破系數(shù)K 和震波衰減系數(shù)α 參考值[5]。另一些學者對爆破振動進行了實測研究[6-8]，以及爆破振動的控制措施[9-10]。研究發(fā)現(xiàn)，不同地質條件和巖土參數(shù)，導致爆破系數(shù)K和震波衰減系數(shù)α 不同，礦界周邊建筑物的保護等級不一樣，所以爆破振動對周邊構筑物的振動損害不能僅僅根據(jù)理論和數(shù)值模擬計算。具體的工程需要對爆破振動進行實測確定相應的爆破系數(shù)K 和震波衰減系數(shù)α，也要對周邊建筑物保護等級的調查研究[11-12]。為此，以安家?guī)X露天煤礦的日常爆破為研究對象，通過對爆破振動和爆破振幅進行實際測量，從而為露天煤礦的邊界優(yōu)化以及爆破優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工程概況

安家?guī)X露天煤礦采用單斗-卡車綜合開采工藝。上部黃土層外包，巖石剝離采用單斗-卡車開采工藝，采煤采用單斗-卡車-地表半固定破碎站-帶式輸送機半連續(xù)工藝。安家?guī)X露天礦主要開采4#煤、9#煤、11#煤3 個煤層。

目前安家?guī)X露天煤礦采剝工作面沿當前開采方向逐漸靠近東部境界，東部境界附近有馬關河、平陶公路、后安礦、白蘆煤礦、民房、煤場等重要設施，當前的爆破方案在實施過程中對上述設施已存在振動影響。隨著大規(guī)模的日常爆破作業(yè)距離建（構）筑物及設施越來越近，因此爆破產(chǎn)生的安全隱患不容忽視，尤其是爆破沖擊波、飛石、地震波等爆破危害。不僅容易引起經(jīng)濟損失、民事糾紛、生產(chǎn)效益，還可能造成露天礦不能正常生產(chǎn)。

2 爆破方案

安家?guī)X露天煤礦采用銨油炸藥，炸藥密度850 kg/m3，起爆采用450 gTNT 炸藥。若孔內有水則選用巖石乳化炸藥。根據(jù)鉆孔的孔徑不同爆破方案主要分為以下3 種：

1）方案I?？讖紻=250 mm，臺階高度H=16～17 m，孔深L=18 m，底盤抵抗線W=7～8 m，裝藥長度l1=13 m，填塞長度l2=5 m，炸藥單耗q=0.65 kg/m3；孔距a 與排距b 為a=b=7 m（8 m）?？變妊悠跁r間均為600 ms，第1 排孔間延期間隔為42 ms，第1 排至第5 排為65 ms，第5 排至第6 排為100 ms。如果炮孔共5 排，則第1 排至第4 排為65 ms；第4 排至第

5 排為100 ms。

2）方案II。孔徑D=200 mm，臺階高度H=16 m，孔深L=17 m，底盤抵抗線W=7 m，裝藥長度l1=11 m，填塞長度l2=6 m，炸藥單耗q=0.375 kg/m3，孔距a與排距b 為a=b=7 m?？變妊悠跁r間均為600 ms；第1 排孔間延期間隔42 ms；第1 排至第5 排65 ms；第5 排至第6 排100 ms。如果炮孔共5 排，則第1 排至第4 排65 ms；第4 排至第5 排100 ms。

3）方案III?？讖紻=165 mm，臺階高度H=16 m，孔深L=17 m，底盤抵抗線W=5 m，l1=13 m；填塞長度l2=5 m，炸藥單耗q=0.611 kg/m3，孔距a 與排距b為a=b=5 m。延期時間：孔內延期時間均為600 ms；第1 排孔間延期間隔為42 ms；第1 排至第5 排為65 ms；第5 排至第6 排為100 ms。如果炮孔共5 排，則第1 排至第4 排為65 ms；第4 排至第5 排為100 ms。

現(xiàn)有的爆破方案主要針對露天煤礦的日常正常生產(chǎn)，未考慮振動對礦界外的不利影響，必須進行系列優(yōu)化才能使爆破振動產(chǎn)生的危害在可控范圍內。

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測儀器

采用TC-4850 爆破測振儀和CBSD-VM-M01型網(wǎng)絡測振儀對安家?guī)X露天煤礦日常爆破振動進行監(jiān)測，TC-4850 爆破測振儀具有體積小、質量輕、具有耐壓、抗擊、方便攜帶等優(yōu)點，非常適合于工程爆破數(shù)據(jù)采集。該儀器包括矢量傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、分析軟件3 部分，能完成加速度、速度、頻率、持時等動態(tài)過程的監(jiān)測、記錄、分析。CBSD-VM-M01型網(wǎng)絡測振儀是融合了互聯(lián)網(wǎng)、身份識別、移動網(wǎng)絡、智能感知等先進科研技術成果，將傳感器和測振儀進行融合研制出的新型網(wǎng)絡測振儀。該測振儀是用1 臺控制分析以作為現(xiàn)場操作的客戶終端和管理平臺，可同時管理多臺（最多256 臺）網(wǎng)絡測振儀子機（智能傳感器），實現(xiàn)了測振數(shù)據(jù)記錄、傳輸全過程無縫管理、測振現(xiàn)場無布線、測振數(shù)據(jù)自動向中國爆破網(wǎng)信息系統(tǒng)（工程爆破云計算數(shù)據(jù)中心）實時上傳，可實時分析爆破振動衰減規(guī)律（計算參數(shù)），為測振信息共享和數(shù)據(jù)挖掘提供了新測途徑，使大數(shù)據(jù)管理模式具體化，為大數(shù)據(jù)挖掘提供了堅實的基礎。

3.2 測點布置

根據(jù)開采方案確定的50、100、150、200 m 4 個區(qū)間段，制定不同監(jiān)測方案。監(jiān)測過程中，將傳感器x 方向指向爆源，即軸向；傳感器y 方向與爆區(qū)長度方向平行，即切向；傳感器z 方向豎直向上，即垂向。測點布置如圖1。

1）方案1。第1 排測點與爆區(qū)的水平距離為250 m，測點布置在爆區(qū)上一水平臺階位置，間距為10 m，按3×4 矩陣式排列。

2）方案2。第1 排測點與爆區(qū)的水平距離為150 m，測點位置與爆區(qū)處于同一水平臺階位置，間距為10 m，按3×2 矩陣式排列。

3）方案3。第1 個測點與爆區(qū)的水平距離為100 m，測點位置與爆區(qū)處于同一水平臺階位置，間距為10 m，按單列布置。

4）方案4。第1 個測點與爆區(qū)的水平距離為100 m，測點位置與爆區(qū)處于同一水平臺階位置，間距為10 m，按“L”形排列。

5）方案5。第1 個測點與爆區(qū)左邊的垂直距離為100 m，測點位置與爆區(qū)處于同一水平臺階位置，間距為10 m，按3×2 矩陣式排列。

6）方案6。第1 排測點與爆區(qū)的水平距離為30 m，第2 排測點與爆區(qū)的水平距離為50 m 測點位置與爆區(qū)處于同一水平臺階位置，按5×2 矩陣式排列。

7）方案7。第1 個測點與爆區(qū)的直線距離為300～500 m，測點位置與爆區(qū)處于同一水平臺階位置，間距為10 m，按“L”形排列。

4 監(jiān)測結果

質點的震動峰值速度和炸藥一次爆破量，爆破距離以及巖性有關，世界各國都有相對應的經(jīng)驗公式，這些經(jīng)驗公式之間有微小的差異，但計算結果基本一致，計算結果差異較小。在我國，震波傳播速度的經(jīng)驗公式如式（1）：

式中：V 為質點震動峰值速度，cm/s；Q 為次爆破的炸藥量，kg；R 為測點與震源中心之間距離，m；K 為系數(shù)，與炸藥種類及藥量分布有關；α 為震波衰減系數(shù)，與巖性及縱橫波型有關。

對7 個監(jiān)測方案在x、y、z 方向的產(chǎn)生的振幅和振動速度這2 個數(shù)據(jù)進行了實測并記錄。將7 個監(jiān)測方案的實測數(shù)據(jù)代入式（1）進行回歸分析，得出的系數(shù)K 和震波衰減系數(shù)α 結果見表1。

表1 系數(shù)K 和震波衰減系數(shù)α 實測結果

考慮到安家?guī)X東部境界附近的建筑結構為土窯洞、土坯房、一般民用建筑及工業(yè)和上也建筑物，振動頻率在10 Hz 左右，考慮土窯洞不搬遷和搬遷2種情況，不搬遷時振動速度限定為0.25 cm/s，搬遷時振動速度限按一般民用建筑物確定為1.5 cm/s，按照正常爆破時的炸藥量把表1 的系數(shù)K 和震波衰減系數(shù)α 代入式（1）反算得到的安全距離見表2。

表2 土窯洞不搬遷和搬遷時的最小安全距離

從表2 可以看出，土窯洞不搬遷時正常爆破的最小安全距離是451 m，土窯洞搬遷時正常爆破按照一般民用建筑物考慮最小安全距離是165 m。土窯洞對露天煤礦的正常爆破作業(yè)的安全距離影響巨大，建議露天煤礦盡早進行搬遷工作。

5 結論

安家?guī)X露天煤礦日常爆破作業(yè)的系數(shù)K 和震波衰減系數(shù)α 在x、y、z 方向的值分別為146.09、1.91、139.41、1.78，128.30、1.84。露天煤礦正常爆破作業(yè)時考慮到土窯洞最小安全距離是451 m，土窯洞搬遷時按照一般民用建筑物考慮時最小安全距離為165 m。土窯洞對露天煤礦的正常爆破作業(yè)的安全距離影響巨大，建議露天煤礦盡早進行搬遷工作。