減振孔對(duì)寺廟減振效果的應(yīng)用與研究

王銀濤，劉 堅(jiān)，劉敬智，李銀忠

(1.北方爆破科技有限公司，北京 100089;2.萬(wàn)寶礦產(chǎn)有限公司，北京 100053)

爆破振動(dòng)是爆破工程施工引起的多種危害中最難以避免的，因此爆破振動(dòng)控制往往成為爆破安全工作中最主要的一個(gè)環(huán)節(jié)。爆破振動(dòng)可以采用多種手段進(jìn)行控制與削弱，既包括調(diào)整相關(guān)爆破參數(shù)、控制延時(shí)時(shí)間等主動(dòng)控制手段，也包括預(yù)裂爆破、開(kāi)挖減振溝與減振槽、安裝減振管等被動(dòng)降振方法[1]。

很多學(xué)者認(rèn)為減振溝能加快爆破地震波的衰減，使地震波能量降低[2-5]，開(kāi)挖減振溝適用于爆源與被保護(hù)對(duì)象間存在易開(kāi)挖巖土層的情況，是一種效果顯著的降振方法。但是當(dāng)爆源中心與被保護(hù)對(duì)象中間為不易開(kāi)挖的巖石和土層時(shí)，在爆源與被保護(hù)物體中間安裝減振管可以顯著降低爆破振動(dòng)。通常認(rèn)為，減振管的減振原理與減振溝或預(yù)裂帶的減振原理類似，都是在被保護(hù)物與爆破振源之間形成一道“人造”屏障，改變爆破地震波傳播介質(zhì)的波阻抗。

巖石中爆炸應(yīng)力波分為表面波和體波，減振管對(duì)體波的削弱原理是通過(guò)減振管阻隔和吸收體波的能量，穿過(guò)減振管的波能量越大衰減作用越明顯。體波的衰減主要與減振管的長(zhǎng)度有關(guān)，在炮孔深度一定的情況下，減振管長(zhǎng)度越大、間距越小，體波能衰減越多，減振效果越好;減振管直徑對(duì)體波的衰減影響較小[6]。與體波相反，表面波在垂直方向以極快的速度衰減，根據(jù)表面波傳播特性，其傳播至減振管后，會(huì)沿著減振管的管壁傳播，在減振管管壁的兩側(cè)會(huì)發(fā)生反射，減振管減振原理如圖1所示。

圖1 減振管減振原理Fig.1 Vibration of damping principle

有減振管和無(wú)減振管相比，表面波的傳播路徑發(fā)生了改變，假設(shè)沒(méi)有減振管時(shí)，炮區(qū)中心到振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)的表面直線距離為R，當(dāng)施工減振管后，炮區(qū)中心至測(cè)點(diǎn)表面波傳播的距離為R+2L，其中L為減振管的長(zhǎng)度。即減振管的存在使表面波傳播的距離增加2L，因此有減振管時(shí)表面波引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度計(jì)算為

(1)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)峰值振速，cm/s；Q最響大單藥量，kg；R為測(cè)點(diǎn)與爆源距離，m；L為減振管的長(zhǎng)度，m；K為測(cè)點(diǎn)和爆源間地形的相關(guān)系數(shù)；α為地質(zhì)相關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)。

減振管的直徑(類似于減振溝的寬度)和長(zhǎng)度(類似于減振溝的深度)是有限的，地震波總能繞過(guò)它而繼續(xù)傳播，因此減振的范圍是有限的。同時(shí)減振管之間存在一定間距，地震波會(huì)從2個(gè)減振管中間區(qū)域穿過(guò)，也會(huì)影響減振管的減振效果。

以緬甸萊比塘銅礦為例，制定含水土層的減振管施工方法，利用MATLAB分析減振管施工后爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定減振管的減振效果，重新擬合薩道夫斯基公式，研究爆破振動(dòng)變化規(guī)律，為緬甸萊比塘礦山控制爆破區(qū)域的重新劃分提供指導(dǎo)參考。

1 工程概況

緬甸萊比塘銅礦是我國(guó)一帶一路建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，礦山位于緬甸中部城市蒙育瓦，是世界有名的特大型銅礦。緬甸萊比塘銅礦開(kāi)采設(shè)計(jì)邊坡高度15 m，炮孔垂直方向深度約為17 m。設(shè)計(jì)孔網(wǎng)參數(shù)分為2種，在廢石區(qū)域和高黏土礦石區(qū)域?yàn)?.0 m×7.0 m，其他區(qū)域?yàn)?.0 m×6.0 m，個(gè)別區(qū)域隨生產(chǎn)需要及時(shí)調(diào)整。緬甸萊比塘銅礦區(qū)北側(cè)200 m左右有一個(gè)磚混結(jié)構(gòu)寺廟，礦區(qū)頻繁爆破施工引發(fā)的爆破振動(dòng)給寺廟產(chǎn)生了一定影響，為降低寺廟處爆破振動(dòng)，需采取特定控制爆破措施。

2 減振爆破施工工藝

2.1 爆破振動(dòng)控制區(qū)域劃分

根據(jù)相關(guān)規(guī)定[7]，考慮到寺廟為特殊建筑，其允許最大振動(dòng)速度峰值嚴(yán)格控制在5 mm/s以內(nèi)，參照薩道夫斯基公式(式2)可計(jì)算質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

(2)

根據(jù)在寺廟固定測(cè)點(diǎn)測(cè)得爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，利用式(2)進(jìn)行擬合可得到寺廟處測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度衰減計(jì)算式：

(3)

因此，根據(jù)上述公式計(jì)算得到不同距離處允許最大單響藥量如表1所示。

表1 不同距離處允許最大單響藥量

在實(shí)際施工過(guò)程中，單個(gè)炮孔最大裝藥量為500 kg左右，綜合考慮各種因素，將距離寺廟450 m范圍內(nèi)的區(qū)域劃定為特殊爆破振動(dòng)控制區(qū)域范圍。在此區(qū)域內(nèi)爆破施工對(duì)爆破振動(dòng)控制要求嚴(yán)格，需采取一定的爆破振動(dòng)控制措施，保證被保護(hù)對(duì)象(寺廟)不受影響。

2.2 爆破振動(dòng)控制區(qū)域爆破施工工藝

主要爆破參數(shù)為:①炮孔直徑φ250 mm：②線裝藥量45 kg/m (現(xiàn)場(chǎng)混裝多孔粒銨油炸藥)和70 kg/m(現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥)；③每次起爆3～5排，逐孔延時(shí)起爆，起爆順序根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用對(duì)角(斜線)、V型、掏槽等3種方式，其中對(duì)角起爆居多。

連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，采用毫秒延時(shí)導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路，孔內(nèi)延時(shí)500 ms，孔外孔間延時(shí)42 ms，排間延時(shí)100 ms，起爆方式為逐孔起爆；間隔裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，采用毫秒延時(shí)非電導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路，孔內(nèi)上段延時(shí)450 ms，下段延時(shí)500 ms，地表網(wǎng)路與連續(xù)裝藥網(wǎng)路相同，同樣為逐孔起爆方式。

考慮開(kāi)挖設(shè)備及鉆孔設(shè)備工作要求以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將控制爆破區(qū)域施工工藝分為水孔區(qū)域和干孔區(qū)域，具體施工工藝參數(shù)如表2所示。

表2 爆破振動(dòng)控制區(qū)域參數(shù)

2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工存在問(wèn)題

1)隨著礦山采剝總量的逐漸增加，上述爆破施工工藝因?yàn)槭┕み^(guò)程復(fù)雜，施工進(jìn)度緩慢，爆破總量已經(jīng)滯后于采剝總量，所以有必要采取“一勞永逸”的方法，徹底解決寺廟振動(dòng)超標(biāo)的問(wèn)題。

2)為了解決寺廟振動(dòng)超標(biāo)的問(wèn)題，計(jì)劃在寺廟南側(cè)布設(shè)減振孔隔振措施，但是在進(jìn)行減振孔鉆孔作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)有水，減振效果不明顯。于是提出在孔內(nèi)設(shè)置空心橡膠管增大減振效率的施工方案，考慮到空心橡膠管的水浮力作用，吊裝下管作業(yè)時(shí)遇到了挑戰(zhàn)。

3 減振孔施工及減振效果試驗(yàn)

3.1 寺廟減振孔的施工

在寺廟附近進(jìn)行減振孔施工，不僅可以解決寺廟振動(dòng)超標(biāo)的問(wèn)題，又可以加快爆破施工進(jìn)度。根據(jù)專項(xiàng)施工方案，在寺廟圍墻外側(cè)布設(shè)3排減振孔，鉆孔孔徑250 mm，孔深18.5 m，孔距2 m，排距2 m，與寺廟圍墻平行。

考慮到橡膠管(HDPE)底部已經(jīng)做了密封處理，施工過(guò)程中利用橡膠管內(nèi)注水方法讓橡膠管自然沉降，然后在橡膠管與外側(cè)孔的縫隙中充填細(xì)沙讓其固定，然后利用潛水泵將管內(nèi)水抽出，孔口采用專用材料封堵，形成空心隔振管。

3.2 減振孔施工前后爆破振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)

為了對(duì)比礦區(qū)北側(cè)寺廟爆破振動(dòng)效應(yīng)，分別在減振孔施工前后進(jìn)行了爆破振動(dòng)衰減規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，其中1#、2#車墊距離最近減振孔距離都為2 m，共進(jìn)行了8次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，每次爆破用3臺(tái)TC-4850振動(dòng)檢測(cè)儀器和計(jì)算機(jī)分析軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，總共測(cè)出爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)24組。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of measuring points

3.3 減振孔施工完成后減振效果對(duì)比

本次試驗(yàn)共設(shè)置3排減振孔，為了對(duì)比施工減振孔前后的減振效果，采用峰值爆破振動(dòng)速度減振率ε來(lái)表示減振孔對(duì)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的減弱效果：

(4)

式中：P1為1#測(cè)點(diǎn)(減振管施工前)的峰值振動(dòng)速度；P2為2#測(cè)點(diǎn)(減振管施工后)峰值振動(dòng)速度。

1#測(cè)點(diǎn)與2#測(cè)點(diǎn)在直線距離為10 m，相對(duì)于600 m以上的總距離可以忽略兩測(cè)點(diǎn)的距離差，P1與P2可以認(rèn)為為同一測(cè)點(diǎn)。施工完成后，在1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)試3組數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)及減振率計(jì)算結(jié)果

實(shí)際減振率ε的平均值為18.13%，說(shuō)明減振管減振效果明顯，而且對(duì)600 m以外的爆破振動(dòng)源仍有很好的減振效果。

3.4 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)回歸分析

利用MATLAB軟件中自帶regress函數(shù)進(jìn)行非線性回歸分析，根據(jù)1#測(cè)點(diǎn)和2#測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，分別對(duì)其進(jìn)行非線性回歸分析確定K、α值，得到重新擬合的薩道夫斯基公式：

(5)

(6)

計(jì)算得到r1=0.914、r2=0.847，說(shuō)明擬合度較高，擬合公式基本上能反應(yīng)真實(shí)水平。假設(shè)單孔裝藥量為500 kg，根據(jù)式(3)、重新擬合的式(5)(1#測(cè)點(diǎn)—通過(guò)減振孔前)、式(6)(2#測(cè)點(diǎn)—通過(guò)減振孔后)繪制距爆源距離R在300～800 m范圍內(nèi)的距離—振速關(guān)系對(duì)比圖(見(jiàn)圖3)。對(duì)比式(3)和式(5)擬合曲線可以看出，2條曲線基本上重合，但是考慮1#測(cè)點(diǎn)位置相比寺廟的位置距離爆源更近，所以式(5)所對(duì)應(yīng)的曲線數(shù)值要偏大一些；對(duì)比式(5)和式(6)的擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)隨著爆源與寺廟距離的增加，減振孔對(duì)爆破振動(dòng)減振效果逐漸減小，說(shuō)明距離寺廟300～450 m范圍內(nèi)的減振效果更加理想，近距離的爆破減振效果可達(dá)20%～25%。

圖3 減振效果對(duì)比Fig.3 Comparison of damping effect

3.5 爆破振動(dòng)控制區(qū)域重新劃定

在爆破施工過(guò)程中，單個(gè)炮孔最大裝藥量為500 kg左右，在布設(shè)3排減振孔之后，利用薩道夫斯基公式非線性回歸分析方法重新得到新的K、α的值，可重新將距離寺廟350 m范圍內(nèi)的區(qū)域劃定為爆破振動(dòng)控制區(qū)域(見(jiàn)圖4)。減小爆破振動(dòng)控制區(qū)域的面積，對(duì)提高爆破開(kāi)采效率具有重要意義。

圖4 爆破振動(dòng)控制區(qū)域重新劃分Fig.4 Repartition of blasting vibration control area

4 結(jié)論

1)針對(duì)爆破振動(dòng)對(duì)寺廟造成的影響，劃定控制爆破區(qū)域，提出分層裝藥、間隔爆破施工工藝，雖然施工過(guò)程復(fù)雜，但對(duì)保護(hù)寺廟安全是一種有效的保護(hù)措施。

2)考慮到礦山實(shí)際情況，針對(duì)減振孔在含水地層中的不利效果，提出插入空心減振管的工藝方法，并采用先在減振管中注水下沉，然后管外填沙，再抽排管內(nèi)水，實(shí)現(xiàn)了空心減振管的設(shè)計(jì)原則。此施工方法既加快了減振孔施工進(jìn)度，又保證了減振孔的降振效果。

3)實(shí)施減振孔后，測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)峰值速度的平均減振率達(dá)到18.13%，說(shuō)明減振孔對(duì)爆破振動(dòng)有明顯的減振效果。

4)根據(jù)減振孔施工前后振動(dòng)速度衰減關(guān)系比較，隨著爆源與寺廟距離的增加，減振孔對(duì)爆破振動(dòng)減弱效果逐漸減小，相比而言近距離的爆破減振效果更加理想。在布設(shè)3排減振孔之后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可將控制爆破振動(dòng)控制區(qū)由原來(lái)距離寺廟450 m范圍縮減為350 m，這對(duì)提高爆破開(kāi)采效率具有重要意義。