西灣露天礦預(yù)裂爆破減震效果研究

許中陽

(中國礦業(yè)大學(xué)（北京）， 北京 100089)

西灣露天煤礦礦區(qū)南北長約18 km，東西寬約4.1 km，面積73.47 km2，地層產(chǎn)狀平緩，煤層近水平分布，傾角1°左右，主采煤層平均厚度為11.13 m，視密度為1.32 g/cm3，真密度為1.38 g/cm3。西灣露天煤礦煤、巖均采用臺(tái)階深孔孔間延時(shí)爆破方式進(jìn)行作業(yè)，日常采剝量大，爆破頻次高，為了減小日常爆破作業(yè)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)礦區(qū)內(nèi)關(guān)鍵建筑物的影響[1-3]，多采用預(yù)裂爆破對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行控制，因此，確定合理的預(yù)裂爆破參數(shù)，對(duì)爆破效果至關(guān)重要。本文以西灣露天礦預(yù)裂爆破參數(shù)為研究對(duì)象，研究適用于西灣礦的預(yù)裂爆破合理參數(shù)[4]，以期獲得最大程度的減振效果。

1 礦區(qū)爆破振動(dòng)衰減規(guī)律

爆破地震波在介質(zhì)中傳播時(shí)，常用介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移、速度、加速度來描述其振動(dòng)強(qiáng)度。質(zhì)點(diǎn)加速度能直接反映振動(dòng)力強(qiáng)弱，并且用于測(cè)量加速度的儀器體積小、方便測(cè)量。因此，初期多用質(zhì)點(diǎn)加速度來表征振動(dòng)強(qiáng)度，但是通過大量研究表明，用加速度指標(biāo)作為巖體破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)分散性很大，而巖石產(chǎn)生破壞的臨界振動(dòng)速度和巖體穩(wěn)定性有較統(tǒng)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度跟地表建（構(gòu)）筑物破壞和失穩(wěn)相關(guān)性較好，因此大多數(shù)國家都采用質(zhì)點(diǎn)振速來作為爆破振動(dòng)判據(jù)。

《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）中使用薩道夫斯基公式來計(jì)算預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)峰值速度，如式（1）所示：

式中，V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值，cm/s；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破時(shí)為總藥量，延時(shí)爆破時(shí)為最大單段藥量，kg；R為質(zhì)點(diǎn)至爆源距離，m；K、α為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

在薩道夫斯基公式回歸方法中常用線性擬合法，即用足夠多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（單段最大藥量Q、質(zhì)點(diǎn)距爆源距離R、質(zhì)點(diǎn)峰值振速V）通過最小二乘法反演計(jì)算K、α的大小，而線性回歸殘差平方和與評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)擬合值偏差程度的殘差平方和并不相同，已有研究表明[5-9]，非線性回歸的分析方法準(zhǔn)確度要高于線性回歸方法，采用非線性回歸法擬合的過程如下。

評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)速度衰減公式擬合值與實(shí)測(cè)值偏差程度通過殘差平方和M2來反映：

式中，Vi為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)i的振動(dòng)速度幅值，cm/s；Pi為比例藥量。

將非線性殘差平方和M2最小作為擬合標(biāo)準(zhǔn)，直接對(duì)薩道夫斯基公式進(jìn)行回歸分析。根據(jù)二元函數(shù)的極值定理，滿足M2最小的必要條件為：

整理得：

式（5）為非線性方程組，直接求解比較困難，可以利用數(shù)值方法求解。觀察式（5），構(gòu)造方程為：

式（7）為非線性方程，可利用牛頓迭代法求解其根。該法需用到函數(shù)f(α)的導(dǎo)數(shù)，對(duì)α求導(dǎo)得：

計(jì)算出α值后，可由式（8）計(jì)算得出K值:

為了對(duì)預(yù)裂爆破振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，前期對(duì)西灣露天煤礦礦區(qū)爆破振動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，共得到118組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由于礦區(qū)測(cè)點(diǎn)距離爆區(qū)較近，因此不能用最大單孔藥量作為Q值（總藥量）來進(jìn)行擬合；有時(shí)爆區(qū)較大，礦區(qū)內(nèi)某些測(cè)點(diǎn)距離相比一般測(cè)試距離較遠(yuǎn)，應(yīng)剔除這些測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、整理后，開展非線性擬合。

圖1為礦區(qū)水平橫向X方向峰值振速傳播規(guī)律擬合圖，其中K值為30.99，α值為0.73，擬合的相關(guān)性系數(shù)為0.73，擬合回歸X方向的振動(dòng)衰減規(guī)律為：

圖2為礦區(qū)水平徑向Y方向峰值振速傳播規(guī)律擬合圖，其中K值為41.29，α值為0.89，擬合的相關(guān)性系數(shù)為0.63，擬合回歸Y方向的振動(dòng)衰減規(guī)律為：

圖1 水平橫向（X方向）回歸分析結(jié)果

圖2 水平徑向（Y方向）回歸分析結(jié)果

圖3為礦區(qū)垂直向Z方向峰值振速傳播規(guī)律擬合圖，其中K值為74.31，α值為1.06，擬合的相關(guān)性系數(shù)為0.72，擬合回歸Z方向振動(dòng)衰減規(guī)律為：

圖3 垂直向（Z方向）回歸分析結(jié)果

2 預(yù)裂爆破試驗(yàn)方案

影響預(yù)裂爆破效果的因素有很多，本次方案設(shè)計(jì)主要考慮炮孔間距a、線裝藥密度q、爆孔直徑d，不耦合系數(shù)k等。

2.1 預(yù)裂孔孔徑與間距

西灣露天礦目前采用的預(yù)裂孔鉆孔設(shè)備是SWDA165潛孔鉆，直徑165 mm。由于鉆機(jī)可旋轉(zhuǎn)方向、角度有限，炮孔角度一般為90°。

預(yù)裂孔炮孔間距可由式（12）計(jì)算：

式中，a為炮孔間距，m；σt為巖石抗拉強(qiáng)度，Pa；p為炮孔壁面的壓力，MPa，為了避免造成炮孔壁周邊受壓破壞，應(yīng)通過調(diào)整不耦合系數(shù)使其小于等于巖石抗壓強(qiáng)度；d為炮孔直徑，mm。

根據(jù)礦方提供的《西灣露天煤礦建礦地質(zhì)報(bào)告》，煤層直接頂板的抗壓強(qiáng)度為14.42～26.59 MPa，平均24.92 MPa；抗拉強(qiáng)度為1.43～1.80 MPa，平均1.72 MPa。代入式（12）可計(jì)算出a≤15d。即預(yù)裂孔炮孔間距不能超過2.5 m。

2.2 預(yù)裂孔線裝藥密度

根據(jù)類似礦山及西灣露天礦區(qū)以往爆破經(jīng)驗(yàn)，預(yù)裂孔的線裝藥密度按以下經(jīng)驗(yàn)公式取值計(jì)算：

式中，q為預(yù)裂爆破的線裝藥密度，kg/m；σc為巖石的極限抗壓強(qiáng)度，MPa。

經(jīng)計(jì)算，q取0.3 kg/m；為克服孔底夾制作用，底部5 m高度范圍內(nèi)加強(qiáng)裝藥，取q為1.5 kg/m，此時(shí)單孔裝藥量為10.5 kg。

2.3 不耦合系數(shù)k

不耦合裝藥即藥卷直徑小于炮孔直徑的一種裝藥形式，這種裝藥結(jié)構(gòu)使得藥卷與炮孔壁之間存在空氣間隔，起爆時(shí)爆轟波通過空氣介質(zhì)作用到孔壁上，此時(shí)空氣間隙起到緩沖儲(chǔ)能作用，削弱了炮孔壁初始?jí)毫Ψ逯担笥謱?chǔ)存能量釋放出來，延長了爆生氣體在孔內(nèi)的作用時(shí)間，以此來改善爆破效果。

結(jié)合礦區(qū)爆破生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，采用以下經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算預(yù)裂爆破不耦合系數(shù)：

式中，k為不耦合系數(shù)；D為預(yù)裂孔直徑，mm；dc為藥卷直徑，mm。

本試驗(yàn)中采用2號(hào)巖石乳化炸藥，藥卷直徑為65 mm，預(yù)裂孔直徑為165 mm。根據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，不耦合系數(shù)一般取值為1.5～5，根據(jù)計(jì)算本試驗(yàn)中不耦合系數(shù)為2.5。

2.4 炸藥及雷管類型的選擇

根據(jù)西灣礦山實(shí)際生產(chǎn)情況，選用2號(hào)巖石乳化炸藥。預(yù)裂孔起爆均采用導(dǎo)爆索。具體方案設(shè)計(jì)見表1。

表1 不同孔距下的預(yù)裂孔設(shè)計(jì)參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂試驗(yàn)測(cè)試

為了研究不同孔距下預(yù)裂爆破的減振效果，預(yù)裂爆破試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)置在同一平臺(tái)，每次爆破試驗(yàn)均在預(yù)裂孔后方布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，距離設(shè)置為50 m、100 m、150 m、200 m，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置

在同一臺(tái)階總共進(jìn)行了3次不同孔距的預(yù)裂爆破試驗(yàn)，每次試驗(yàn)都保證主爆孔在同一延期時(shí)間及藥量下進(jìn)行，3次試驗(yàn)波形如圖5、圖6、圖7所示（篇幅有限，僅選擇測(cè)點(diǎn)2#數(shù)據(jù)進(jìn)行展示），試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著預(yù)裂孔間距從2.5 m減小到1.5 m，爆破振動(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間從2.0 s減小到1.0 s，從X方向離爆源最近的測(cè)點(diǎn)來看，爆破振動(dòng)峰值有較大幅度減小，但這些也有可能是最大單段裝藥量的減小引起的，為了進(jìn)一步探究預(yù)裂孔對(duì) 減振效果的影響，還需要進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖5 測(cè)點(diǎn)2#爆破振動(dòng)原始信號(hào)（1.5 m孔距）

圖6 測(cè)點(diǎn)2#爆破振動(dòng)原始信號(hào)（2.0 m孔距）

4 預(yù)裂爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 減振率分析

本文主要從不同孔距下預(yù)裂爆破的減振率以 及爆破振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析來優(yōu)選最佳預(yù)裂爆破方案。

圖7 測(cè)點(diǎn)2#爆破振動(dòng)原始信號(hào)（2.5 m孔距）

表2 預(yù)裂爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)

減振率是衡量預(yù)裂爆破效果的重要指標(biāo)[7]，爆破后產(chǎn)生的爆破地震波會(huì)通過巖石介質(zhì)向外傳播，合理的預(yù)裂爆破方案設(shè)計(jì)可以形成貫通的預(yù)裂縫，而減振率可以反映預(yù)裂縫對(duì)地震波的阻隔效果。

露天礦山中，減振率（Rd）的計(jì)算方法一般取間接計(jì)算法，即用預(yù)裂試驗(yàn)測(cè)得的質(zhì)點(diǎn)振速V2與經(jīng) 驗(yàn)公式預(yù)測(cè)的質(zhì)點(diǎn)振速V1進(jìn) 行對(duì)比，計(jì)算公式如下：

式中，V2可用儀器現(xiàn)場(chǎng)采集獲得。因X方向擬合優(yōu)度最高，因此選擇式（9）計(jì)算V1，進(jìn)而進(jìn)行減振率的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 預(yù)裂爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從上表可以看出，在滿足設(shè)計(jì)的最大單段裝 藥量情況下，預(yù)裂爆破的減振效果明顯，各測(cè)點(diǎn) 振速均有不同程度的下降，個(gè)別測(cè)點(diǎn)減振率范圍 為4.76%～78.93%，平均減振率范圍為13.14%～56.45%。當(dāng)預(yù)裂孔孔距變小時(shí)減振率的平均值隨之增大，但并不是孔距越小減振率均值越大，當(dāng)孔距2.5 m時(shí)減振率的平均值最小，當(dāng)孔距2.0 m時(shí)減振率平均值最大；在預(yù)裂孔孔距一定時(shí)，隨著測(cè)點(diǎn)距離的增大，減振率也隨之增大，離爆區(qū)越遠(yuǎn)減振的效果越明顯。

4.2 振動(dòng)主頻分析

實(shí)際工程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)爆破振速低于安全振速從而造成建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生破壞的情況，這是因?yàn)楸普駝?dòng)所產(chǎn)生的頻率與建（構(gòu)）筑物本身的頻率相近，產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。因此在研究爆破振動(dòng)對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物的影響中，頻率作為爆破振動(dòng)的3要素之一不可忽略，為了更好地了解不同預(yù)裂孔距下預(yù)裂爆破的振動(dòng)主頻特點(diǎn)，使用MATLAB對(duì)測(cè)點(diǎn)2#的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，結(jié)果如圖8至圖10所示。

圖8 孔距1.5 m徑向波形與頻譜

圖9 孔距2.0 m徑向波形與頻譜

圖10 孔距2.5 m徑向波形與頻譜

由圖8可知，預(yù)裂孔距1.5 m的波形信號(hào)主頻為14.77 Hz，主頻帶范圍為7～35 Hz，徑向振速為2.03 cm/s。

由圖9可知，預(yù)裂孔距2.0 m的波形信號(hào)主頻為13.31 Hz，主頻帶范圍為5～27 Hz，徑向振速為1.43 cm/s。

由圖10可知，預(yù)裂孔距2.5 m的波形信號(hào)主頻為26.13 Hz，主頻帶范圍為7～33 Hz，徑向振速為3.69 cm/s。

從以上分析可知，隨著預(yù)裂孔距的減小，爆破振動(dòng)信號(hào)的主頻和主頻帶范圍也隨之減小，但并不是預(yù)裂孔距最小時(shí)主頻也最小，當(dāng)預(yù)裂孔距為2.0 m時(shí)，振動(dòng)主頻最小，并且頻帶范圍也隨之變窄。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，當(dāng)預(yù)裂孔距為2.0 m時(shí)坡面出現(xiàn)了明顯的預(yù)裂縫，由此可以推測(cè)出預(yù)裂縫是影響主頻變化的主要因素，并且貫通良好的預(yù)裂縫還具有高頻濾波性[7]。

5 結(jié)論

本文對(duì)西灣露天礦不同參數(shù)的預(yù)裂爆破減振效果進(jìn)行了研究，根據(jù)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)速度與預(yù)測(cè)爆破振速速度的對(duì)比，分析不同參數(shù)預(yù)裂方案的爆破振動(dòng)減振效果，分析得出如下結(jié)論：

（1）以在西灣露天礦爆破生產(chǎn)監(jiān)測(cè)獲得的爆破振動(dòng)原始信號(hào)為依據(jù)，通過非線性擬合方法得出了礦區(qū)水平橫向、水平徑向和垂直向的振動(dòng)衰減規(guī)律分別為：

（2）預(yù)裂爆破減振效果明顯，各測(cè)點(diǎn)振速均有不同程度的下降，測(cè)點(diǎn)減振率范圍為4.76%～78.93%，平均減振率范圍為13.14%～56.45%，且減振率會(huì)隨著預(yù)裂孔距的減小而增大，2.0 m孔距預(yù)裂方案減振效果最佳。

（3）隨著預(yù)裂孔距的減小，爆破振動(dòng)信號(hào)的主頻和主頻帶范圍也隨之減小，當(dāng)預(yù)裂孔距為2.0 m 時(shí)，振動(dòng)主頻最小。