西灣露天煤礦爆破對臨近建筑物的振動影響分析

侯 鵬，王用學(xué)，陳 晨，吳明福，馮海賓

（陜西神延煤炭有限責(zé)任公司 西灣露天礦，陜西 榆林 719000）

露天煤礦爆破過程中產(chǎn)生的爆破震動會對周邊的建構(gòu)筑物造成影響，長時間、高震動速度也坑導(dǎo)致建構(gòu)筑開裂破壞甚至坍塌[1]。爆破震動具有震幅大、頻率高、衰減快、持續(xù)時間短等特點(diǎn)[2]，加強(qiáng)對爆破震動的檢測和研究，采取有效控制措施減小震動的危害是必要的。爆破震動速度與距離、巖性、單孔藥量、總藥量、起爆方法、傳播介質(zhì)等因素有關(guān)，常用薩道夫斯基經(jīng)驗公式進(jìn)行震動速度的計算[3]。

隨著西灣露天礦開采推進(jìn)，采掘場爆破作業(yè)位置距離工業(yè)廠區(qū)日趨靠近，爆破震感明顯強(qiáng)烈，且對露天礦周邊其他廠礦企業(yè)及居民造成了一定影響。為此，通過爆破震動監(jiān)測及有效安全距離計算，對開展有效的爆破震動控制措施提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 爆破振動檢測方案

西灣露天煤礦煤和巖石均采用臺階深孔松動爆破方式進(jìn)行破碎，選用現(xiàn)場混裝乳化炸藥，毫秒延期導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)[4]。煤層平均厚度11.13 m，鉆孔選用孔徑165 mm 的潛孔鉆機(jī)，孔網(wǎng)參數(shù)一般為10 m×8 m，單孔最大裝藥量300 kg，一次爆破總藥量不超過25 t。巖石選用孔徑250 mm 的牙輪鉆機(jī)，孔網(wǎng)參數(shù)一般為14 m×9 m，單孔最大裝藥量760 kg，一次爆破總藥量不超過50 t。

1.1 爆破振動檢測機(jī)理

在巖土介質(zhì)中，高能量震源的瞬時激振（如爆破、打樁、強(qiáng)夯等），使巖土體產(chǎn)生劇烈的振動，這種振動在巖土介質(zhì)中，依靠介質(zhì)相鄰點(diǎn)間的相互作用，以激振點(diǎn)（區(qū)域）為中心，以地震波的形式向外圍傳播[5]。一般而言，地震波的振幅（或能量）隨著離開震源的距離增加而減小，這一現(xiàn)象稱為振動的衰減；其衰減的原因有2 個方面：①地震波離開震源的距離越遠(yuǎn)，其波陣面越大，即引起振動的區(qū)域越大，致使波陣面上能量密度減小，導(dǎo)致振動衰減；②介質(zhì)發(fā)生振動，相鄰介質(zhì)或相鄰介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生摩擦，將傳播至此的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏牡?，?dǎo)致振動衰減[6]。

地震波的傳播與衰減，不僅會在三維空間內(nèi)表現(xiàn)出來，而且會在時間上表現(xiàn)出來。當(dāng)沿著離開震源的矢徑方向在介質(zhì)表面布置拾振器時，地震波就會在拾振器上反映出來。從理論角度出發(fā)，假設(shè)振動的速度變化規(guī)律符合f（x，t）關(guān)系，則振動的位移和加速度的變化規(guī)律分別為∫f（x，t）dt 和f＇（x，t）。但是在實際的工程中，速度、位移和加速度之間，這種嚴(yán)格的積分和導(dǎo)數(shù)關(guān)系是難以確定的。在實際工程中，是以數(shù)理統(tǒng)計方法配以數(shù)據(jù)處理進(jìn)行研究分析的。通過對監(jiān)測點(diǎn)拾振信號的研究分析，即可確定地震波的振動速度幅值，從而根據(jù)這種已知區(qū)的振動，推斷爆破施工振動對已有建筑物的影響。

地震波在介質(zhì)中的傳播衰減規(guī)律，不僅與爆源的能量大小有關(guān)，還受到傳播方向上的地形條件及地質(zhì)構(gòu)造對它的影響。使用蘇聯(lián)薩道夫斯基經(jīng)驗公式[3，7]反映這一關(guān)系，具體關(guān)系如下：

式中：R 為爆破振動安全允許距離，m；Q 為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg；V 為保護(hù)對象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；K、α 為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，通過現(xiàn)場試驗確定。

1.2 監(jiān)測對象及內(nèi)容

爆破測試主要包括2 個方面的內(nèi)容：①研究爆破地震波的衰減規(guī)律，地質(zhì)構(gòu)造及地形條件對它的影響，地震波參數(shù)和爆破方式的關(guān)系；②研究建筑物，對于爆破振動的響應(yīng)特征，這一響應(yīng)特征與爆破方式、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的關(guān)系[8]。就具體內(nèi)容而言，爆破振動測試的內(nèi)容包括：地表質(zhì)點(diǎn)振動速度、振動位移、振動加速度測試；結(jié)構(gòu)、建筑物的反應(yīng)譜測試。

西灣露天煤礦爆破作業(yè)誘發(fā)的施工振動，會對鄰近的建筑物、設(shè)施、設(shè)備造成不同程度的影響和破壞，受爆破振動影響的區(qū)域主要集中在采坑的東側(cè)和北側(cè)。該區(qū)域內(nèi)的保護(hù)物大致可以分為5 類，分別是變電站、一般民用建筑（住宅類）、工業(yè)和商業(yè)建筑物（辦公類）、有生產(chǎn)裝備的廠區(qū)及在建地塊。

巖土爆破施工對建筑物結(jié)構(gòu)影響的容許振動值，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》的要求[9]。西灣露天煤礦爆破振動監(jiān)測項目中，周邊變電站的容許振動值可按“運(yùn)行中的水電站及發(fā)電廠中心控制設(shè)備”執(zhí)行；廠區(qū)北側(cè)民房、十九局駐地、西灣露天礦公寓樓及大雁駐地周邊建筑物的容許振動值時可按“一般民用建筑物”執(zhí)行；其他工業(yè)、商用建筑物的容許振動值時可按“工業(yè)和商業(yè)建筑物”執(zhí)行；東元精細(xì)化工有限公司、西灣露天礦坑水處理站、西灣煤礦鍋爐房、西灣露天礦緩沖倉的容許振動值選擇時，不僅要考慮該區(qū)域的建筑物類型，還應(yīng)該考慮廠區(qū)內(nèi)已安裝運(yùn)行的生產(chǎn)裝置，鑒于GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中并未提及該類建筑物的容許振動值，考慮到化工企業(yè)的特殊性以及遭遇破壞后會造成次生危害的發(fā)生，因此此類建筑的容許振動值按更高的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，即借鑒GB 50868—2013《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》中“通用機(jī)械基礎(chǔ)在時域范圍內(nèi)的容許振動值（隔振基礎(chǔ)）”執(zhí)行[10]。另外，由于板塊類項目尚未加蓋建筑物，本次暫不考慮其安全振動限值。結(jié)合《爆破安全規(guī)程》，確定不同被保護(hù)對象分類及振動速度允許值，西灣露天煤礦爆破震動檢測保護(hù)對象分類見表1。

表1 西灣露天煤礦爆破震動檢測保護(hù)對象分類

1.3 監(jiān)測方法及測點(diǎn)布置

爆破振動監(jiān)測設(shè)備選用L20－N 型爆破測振儀測量，爆破振速監(jiān)測精度為0.000 1 cm/s。

為了真實反映觀測區(qū)域內(nèi)爆破對鄰近不同區(qū)域的建筑物（設(shè)施設(shè)備）的影響程度，每個影響區(qū)域內(nèi)不少于2 個觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)應(yīng)涵蓋該區(qū)域內(nèi)距爆破作業(yè)點(diǎn)最近的建筑物和抗震等級最弱的設(shè)施。為了真實反映觀測區(qū)域內(nèi)爆破振動衰減規(guī)律，用于衰減計算的監(jiān)測線不少于3 條，且每條監(jiān)測線測點(diǎn)數(shù)量不少于6 個。傳感器應(yīng)安裝在保護(hù)物的基巖上，安裝時保持傳感器安裝底面與地面平行、z 向與地面垂直、x 向（箭頭）指向爆源，最后使用膠劑或夾具將傳感器的安裝底面與地面緊密接觸；儀器應(yīng)放置于防護(hù)箱內(nèi)，使用膨脹螺栓將防護(hù)箱固定，需外接交流電對儀器或其他設(shè)備供電時，電源適配器和插線板應(yīng)置于防護(hù)箱內(nèi)，防護(hù)箱外電線裸露部分應(yīng)套PVC 管并固定[11]。

2 爆破振動監(jiān)測結(jié)果

在本次的爆破振動監(jiān)測中，共統(tǒng)計監(jiān)測8 輪次爆破數(shù)據(jù)，各輪監(jiān)測爆破參數(shù)及檢測點(diǎn)參數(shù)統(tǒng)計表見表2。以第1 輪爆破振動檢測為例，獲得的測點(diǎn)處三向峰值速度見表3。

表2 爆破參數(shù)及檢測點(diǎn)參數(shù)統(tǒng)計表

表3 測點(diǎn)三向峰值速度表

按照薩氏公司擬合獲得各向速度衰減公式：

同理，可以依據(jù)其他各輪爆破爆破震動監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得爆破點(diǎn)至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)K、a。

為了準(zhǔn)確的計算K 和a，對薩道夫斯基經(jīng)驗公式進(jìn)行變換：

以第1 輪爆破檢測的13 個建筑物容許振動值檢測點(diǎn)為例，得到的爆破振動對建筑物安全振動速度評判見表4。

表4 爆破振動對建筑物安全振動速度評判

利用各個數(shù)據(jù)的3 個分量的最大幅值與該類建筑物振動容許值進(jìn)行對比，確定未超過容許值的數(shù)據(jù)13 個，超過容許值的數(shù)據(jù)0 個，即本次爆破對所有臨近檢測建筑物布置檢測點(diǎn)的振動影響均未超過爆破振動限值。

根據(jù)8 次爆破所有檢測點(diǎn)峰值振速對比，第2次爆破中污水處理廠布設(shè)檢測點(diǎn)的z 向峰值振速0.777 cm/s 超過安全振動速度限值0.7 cm/s；第6 次爆破中廠區(qū)內(nèi)110 kV 變電站處x 向峰值振速0.511 cm/s 超過安全振動速度限值0.5 cm/s；第8 次爆破中廠區(qū)內(nèi)110 kV 變電站處z 向峰值振速0.546 cm/s超過安全振動速度限值0.5 cm/s。

結(jié)合所獲得的爆破振動檢測數(shù)據(jù)分析，污水處理廠及廠內(nèi)110 kV 變電站處振動速度有些許超出限值情況，應(yīng)重點(diǎn)采取減震措施。

3 結(jié)語

1）對西灣露天煤礦采用爆破振動檢測手段，連續(xù)進(jìn)行8 次爆破振動檢測，每次布置測點(diǎn)22 個，分別涵蓋廠區(qū)內(nèi)和周邊建筑物。

2）根據(jù)薩道夫斯基公式擬合確定爆破振動速度衰減公式，其依據(jù)爆破振動檢測數(shù)據(jù)，并確定了系數(shù)K 和衰減指數(shù)α 為791.12 和1.607，并依據(jù)《爆破安全規(guī)程》確定了周邊不同類別建筑物安全振動速度允許值。

3）污水處理廠及廠內(nèi)110 kV 變電站處振動速度有些許超出限值情況，是通過檢測數(shù)據(jù)峰值振速對比確定，應(yīng)重點(diǎn)采取減震措施。