中深孔爆破振動(dòng)傳播特性分析與控制

汪志國(guó)　賈旭峰　趙龍　李政偉

摘要：爆破振動(dòng)是引起地下礦山巖體失穩(wěn)的重要原因，掌握爆破振動(dòng)傳播特性，有效控制爆破振動(dòng)危害，對(duì)礦山安全高效生產(chǎn)具有重要意義。為研究金山金礦灣家塢礦區(qū)中深孔爆破對(duì)采場(chǎng)周邊構(gòu)筑物的影響，開展爆破振動(dòng)測(cè)試工作。對(duì)采集的爆破振動(dòng)信號(hào)，從爆破振動(dòng)強(qiáng)度、頻率、時(shí)間等方面進(jìn)行綜合分析，并建立灣家塢礦區(qū)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的傳播模型。確定了中深孔爆破振動(dòng)影響范圍，獲取了允許的最大單段藥量計(jì)算方法，優(yōu)化了排間微差起爆時(shí)間，使中深孔爆破參數(shù)更為合理，確保采場(chǎng)周邊運(yùn)輸巷道、硐室等構(gòu)筑物巖體的穩(wěn)定性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦山綠色、安全、高效的生產(chǎn)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：中深孔爆破；爆破振動(dòng)；傳播特性；參數(shù)優(yōu)化；安全控制

中圖分類號(hào)：TD235文章編號(hào)：1001-1277（2023）09-0036-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20230906

引 言

爆破是采礦生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，爆破效果直接決定礦山的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，而爆破誘發(fā)的爆破振動(dòng)容易對(duì)周圍構(gòu)筑物和設(shè)施造成安全危害。隨著采礦工藝和設(shè)備的不斷革新，中深孔爆破依靠自身的優(yōu)勢(shì)被廣泛地應(yīng)用于地下礦山開采，在增加落礦效率、減小采礦成本的同時(shí)，也給周邊構(gòu)筑物的安全性與巖體穩(wěn)定性帶來(lái)一定程度的威脅。中深孔爆破具有一次炸藥用量多、崩礦規(guī)模大、爆破效率高的特點(diǎn)，但同時(shí)也存在爆破危害大、影響范圍大、安全管理難度大等問題。爆破振動(dòng)衰減規(guī)律主要受爆破條件、巖體條件、場(chǎng)地條件及爆源相對(duì)位置關(guān)系等因素影響［1］。研究爆破振動(dòng)波傳播規(guī)律是控制爆破振動(dòng)負(fù)面效應(yīng)的基礎(chǔ)［2］，很多專家、學(xué)者都已針對(duì)性地進(jìn)行了相關(guān)研究。汪平 ［3］為了控制爆破施工對(duì)建（構(gòu)）筑物影響，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，進(jìn)行爆破振動(dòng)傳播規(guī)律及預(yù)測(cè)研究。SLOBODAN等［4］分析了爆破振動(dòng)安全距離問題，研究了爆破振動(dòng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的不利影響。王雨波等［5］分別從近爆心和遠(yuǎn)爆心的振動(dòng)衰減規(guī)律對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，指導(dǎo)礦山爆破減振作業(yè)。陳慶凱等［6］通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合比較，得出了更為合理的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度公式，并對(duì)爆破地震波特性進(jìn)行分析。王先義等［7］提出了建立以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值為主、振動(dòng)波頻譜和振動(dòng)傳播時(shí)間為輔的多參數(shù)安全判據(jù)。

在上述研究基礎(chǔ)上，本文結(jié)合中國(guó)黃金集團(tuán)江西金山礦業(yè)有限公司（下稱“金山金礦”）灣家塢礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)工程概況，設(shè)計(jì)并開展中深孔爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析，建立灣家塢礦區(qū)爆破振動(dòng)強(qiáng)度傳播模型，綜合分析爆破振動(dòng)強(qiáng)度、主振頻率、持續(xù)時(shí)間的影響，確定爆破振動(dòng)影響范圍，優(yōu)化爆破振動(dòng)參數(shù)，對(duì)爆破振動(dòng)危害進(jìn)行有效控制。

1 工程概況

金山金礦位于江西省德興市，隸屬于中國(guó)黃金集團(tuán)有限公司，1987年投產(chǎn)，經(jīng)幾次改擴(kuò)建，現(xiàn)黃金產(chǎn)量1.2 t/a。為提高礦山生產(chǎn)能力，通過采礦方法革新，在淺孔房柱采礦法開采的基礎(chǔ)上，開展了中深孔分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法試驗(yàn)研究。

中深孔分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈蓤?chǎng)位于灣家塢礦區(qū)Ⅵ礦體，布置在307勘探線—311勘探線、-130 m～-155 m中段，礦體平均厚度24 m，采場(chǎng)礦段礦體及其頂板圍巖巖性基本一致，以蝕變超糜棱巖、硅化砂質(zhì)千枚巖、蝕變千枚巖為主，礦巖呈漸變過渡關(guān)系。試驗(yàn)采場(chǎng)礦石平均品位2.21 g/t，礦石量256 455 t。同一礦塊分為下、中、上盤3個(gè)豎分條采場(chǎng)，先采中間豎分條采場(chǎng)，膠結(jié)充填后，再采上、下盤分條采場(chǎng)。采場(chǎng)炮孔采用扇形布置，炮孔直徑65 mm，排距1.4 m，孔底距1.5 m，炸藥單耗0.65 kg/t，裝藥系數(shù)0.85，散裝膨化硝銨炸藥，BQF-100型裝藥器裝藥，單排炮孔總裝藥量355 kg左右，排間微差爆破，一次起爆5～6排炮孔。

2 爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)與方案

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)選用成都交博科技有限公司生產(chǎn)的L20智能記錄型爆破測(cè)振儀，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由5臺(tái)測(cè)振儀組成，測(cè)振儀包括數(shù)據(jù)記錄儀和傳感器，傳感器可同時(shí)接收3個(gè)方向振動(dòng)信息。L20測(cè)振儀通過測(cè)取質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度、頻率等描述爆破振動(dòng)的信息，爆破振動(dòng)速度量程為0.001～35.5 cm/s，頻率為1～500 Hz，采樣頻率為1～50 ksps，測(cè)量精度5 %，可精準(zhǔn)采集工程爆破振動(dòng)信息。

2.2 測(cè)試方案

針對(duì)連續(xù)2次的采場(chǎng)中深孔爆破分別進(jìn)行振動(dòng)效應(yīng)測(cè)試，每次測(cè)試布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)灣家塢礦區(qū)-155 m中段工程分布情況，分別進(jìn)行了布線布點(diǎn)規(guī)劃，第一次測(cè)試以爆源為中心，在-155 m中段309勘探線—315勘探線布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)與爆源近似在一條直線上；第二次測(cè)試以爆源為中心，在-155 m中段303勘探線—309勘探線布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)與爆源近似在一條直線上，此次測(cè)線布置方向與第一次爆破試驗(yàn)相反，具體見圖1。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)中深孔爆破振動(dòng)的測(cè)試，獲得10個(gè)測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)信息包括質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、頻率和時(shí)間等。傳感器的水平徑向（x）與巷道軸向平行、水平切向（y）與巷道軸向垂直、垂直方向（z）與巷道底板垂直的振動(dòng)速度和主振頻率測(cè)試結(jié)果見表1。

3.2 數(shù)據(jù)分析

國(guó)內(nèi)外研究表明，爆破振動(dòng)對(duì)構(gòu)筑物的危害程度與振動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。在分析爆破振動(dòng)效應(yīng)時(shí)，需綜合考慮上述因素，灣家塢礦區(qū)中深孔爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為0.5 s左右，即使所用雷管段數(shù)增加，也不會(huì)超過數(shù)秒，遠(yuǎn)小于天然地震持續(xù)的時(shí)間。因此，在分析爆破振動(dòng)危害時(shí)，重點(diǎn)放在振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)頻率方面。根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》［8］，被保護(hù)對(duì)象所在地基礎(chǔ)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率見表2。

1）爆破振動(dòng)強(qiáng)度。在分析爆破振動(dòng)特性過程中，一般以爆破引起的巖體質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度表征爆破振動(dòng)強(qiáng)度。在相同的爆破方式與巖體介質(zhì)條件下，爆破振動(dòng)強(qiáng)度與單段最大藥量和爆源至測(cè)點(diǎn)的距離

密切相關(guān)。研究人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)與以往工程經(jīng)驗(yàn)建立了質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與炸藥量、爆心距之間的關(guān)系，現(xiàn)階段主要采用薩道夫斯基公式：

式中：v為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度（cm/s）；Q為單段炸藥量（kg）；r為爆心距（m）；K為與爆破條件有關(guān)的系數(shù)；α為與傳播介質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。

對(duì)式（1）兩側(cè)取對(duì)數(shù)得

據(jù)最小二乘法回歸原理，得到K、α、r2的計(jì)算公式。其中，K、α值的確定是通過大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)值統(tǒng)計(jì)、分析而得到的；r2是相關(guān)系數(shù)的平方，表明擬合結(jié)果的可靠程度。

中深孔爆破振動(dòng)影響井下周邊巷道、硐室和新澆大體積混凝土等構(gòu)筑物的穩(wěn)定性，因此，本次研究主要分析水平徑向（x）、水平切向（y）、垂直方向（z）的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。將表1中的爆破振動(dòng)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用最小二乘法進(jìn)行擬合計(jì)算，得到水平徑向（x）、水平切向（y）、垂直方向（z）的爆破振動(dòng)強(qiáng)度傳播數(shù)學(xué)模型，具體如下：

垂直方向（z）：K=121.26，α=1.730 7，r2=0.958 2。

基于上述3個(gè)方向上的爆破振動(dòng)強(qiáng)度傳播計(jì)算結(jié)果，可得爆破振動(dòng)速度與比例藥量的線性回歸曲線。其中，橫軸為比例藥量，縱軸為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，比例藥量為單段最大藥量與爆心距的比值，線性回歸曲線具體見圖2～4。從回歸分析結(jié)果可以明顯看出：爆破振動(dòng)測(cè)線的水平徑向、水平切向和垂直方向峰值振動(dòng)速度傳播規(guī)律擬合系數(shù)均在0.9以上，擬合效果較好，表明振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的可靠性，同時(shí)也說明了薩道夫斯基公式的適用性。

2）爆破振動(dòng)頻率。質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的頻率即為主振頻率，簡(jiǎn)稱主頻。當(dāng)爆破振動(dòng)波的主振頻率等于或接近建筑物自振結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí)，會(huì)因共振而導(dǎo)致振動(dòng)成倍增強(qiáng)，進(jìn)而可能使結(jié)構(gòu)局部或部分開裂破壞或失穩(wěn)。從振動(dòng)響應(yīng)方面分析，不同構(gòu)筑物或結(jié)構(gòu)體有不同的固有頻率，考慮振動(dòng)破壞效應(yīng)時(shí)，應(yīng)包括頻率參數(shù)。振動(dòng)波頻率越高，偏離構(gòu)筑物的固有頻率越遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)就越小，即振動(dòng)對(duì)構(gòu)筑物的潛在危害就越小。

本次中深孔爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，頻帶分布廣泛，為40～350 Hz，但主振頻率集中在86.8～172.5 Hz。根據(jù)實(shí)測(cè)爆破數(shù)據(jù)對(duì)主振頻率進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5。由圖5可知：在爆破近區(qū)，隨爆心距的增加，水平徑向（x）、水平切向（y）、垂直方向（z）的主振頻率快速衰減，當(dāng)爆心距超過90 m時(shí)，主振頻率衰減有所減緩。礦山巷道、硐室等構(gòu)筑物的固有頻率很低，一般不超過10 Hz，不會(huì)出現(xiàn)共振引起的破壞現(xiàn)象。

3）爆破振動(dòng)危害控制。爆破地震安全問題，是爆破作業(yè)不能回避的，相關(guān)的規(guī)程、手冊(cè)均有專門的規(guī)定并給出了安全標(biāo)準(zhǔn)，一般可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)估給定藥量的安全距離和給定距離的安全藥量。地下礦山根據(jù)開采的需要，各類井巷工程的布置一般很復(fù)雜，其中不少工程服務(wù)周期長(zhǎng)；另一方面，各礦山的爆破參數(shù)、場(chǎng)地條件及礦巖性質(zhì)有自身的特定性，因此，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算爆破震動(dòng)波傳播規(guī)律，評(píng)價(jià)振動(dòng)效應(yīng)更具有實(shí)際意義，由此確定的爆破安全藥量、安全距離也更具有實(shí)用性，也有利于更有效地控制爆破振動(dòng)的危害。

在分析礦山巷道爆破振動(dòng)危害時(shí)，由于巷道頂板、邊幫具有臨空面，同時(shí)，易產(chǎn)生破壞失穩(wěn)，因此，著重研究巷道徑向和豎直方向的爆破振動(dòng)效應(yīng)。在當(dāng)前中深孔爆破參數(shù)不變的情況下，由爆破振動(dòng)強(qiáng)度傳播規(guī)律模型可以推導(dǎo)出爆破藥量對(duì)應(yīng)的安全距離（Ra）為：

根據(jù)GB 6722—2014 《爆破安全規(guī)程》，對(duì)于礦山巷道，當(dāng)主振頻率f≤10 Hz時(shí)，安全質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為15～18 cm/s；當(dāng)主振頻率10 Hz50 Hz時(shí)，安全質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為20～30 cm/s。本次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)范圍為14.5～139.1 m，對(duì)應(yīng)主振頻率為86.8～172.5 Hz，因此取20 cm/s作為安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。爆破振動(dòng)主振頻率和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨爆心距增大而減小，當(dāng)爆心距大于139.1 m，即使對(duì)應(yīng)主振頻率處于0～50 Hz時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度小于1.08 cm/s，遠(yuǎn)小于安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度限值要求。中深孔爆破單段裝藥量為355 kg，由式（5）～（7）計(jì)算可得，運(yùn)輸巷道安全距離為18.51 m，穿脈巷道安全距離為19.24 m。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程中，要加強(qiáng)該范圍內(nèi)巖體工程的防護(hù)。同時(shí)，在進(jìn)行中深孔爆破設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)采場(chǎng)周邊巷道、硐室及新澆筑大體積混凝土等重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，通過測(cè)算其至采場(chǎng)距離，可獲取允許單段最大炸藥量，據(jù)此，確定相應(yīng)的單段藥量、微差段數(shù)等爆破參數(shù)，確保爆破作業(yè)施工安全。

采用微差多段爆破，不僅能擴(kuò)大爆破規(guī)模、提高生產(chǎn)效率，而且能降低爆破振動(dòng)效應(yīng)，其原理是爆破震動(dòng)波相互干擾的結(jié)果。在微差段數(shù)確定后，就可以進(jìn)一步確定合理的微差間隔時(shí)間，如果微差間隔時(shí)間確定的不合理，不僅不會(huì)減小爆破振動(dòng)，反而會(huì)增大爆破振動(dòng)效應(yīng)［9-10］。灣家塢礦區(qū)中深孔爆破震動(dòng)波形見圖6。由圖6可知：灣家塢礦區(qū)中深孔爆破分6段位起爆。其中，第1段、第2段爆破引起的巖體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度明顯高于其他段位爆破的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，兩段爆破時(shí)間間隔較為接近，屬于爆破震動(dòng)波疊加所致。

研究表明，微差間隔時(shí)間為振動(dòng)周期的1/3時(shí)，降低爆破振動(dòng)效果最佳。如果微差時(shí)間是振動(dòng)周期整數(shù)倍時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)增加，但當(dāng)是振動(dòng)周期3倍以上時(shí)，爆破震動(dòng)波相互之間無(wú)影響。根據(jù)灣家塢礦區(qū)中深孔爆破振動(dòng)時(shí)間，計(jì)算最優(yōu)微差間隔時(shí)間為27.8 ms，因此，為降低爆破振動(dòng)對(duì)構(gòu)筑物危害，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整中深孔爆破排間起爆的微差時(shí)間。

4 結(jié) 論

1）基于中深孔爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了適用于現(xiàn)場(chǎng)的水平徑向（x）、水平切向（y）、垂直方向（z）的爆破振動(dòng)強(qiáng)度傳播數(shù)學(xué)模型，可以準(zhǔn)確反映爆破震動(dòng)波在該區(qū)域的衰減規(guī)律。

2）中深孔爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為0.5 s左右，信號(hào)頻帶分布廣泛，為40～350 Hz，但主振頻率集中在86.8～172.5 Hz，隨著爆心距增加，主振頻率快速衰減，超過一定距離后，衰減趨勢(shì)有所降低。

3）根據(jù)爆破振動(dòng)強(qiáng)度傳播數(shù)學(xué)模型，結(jié)合礦山巷道、硐室、新澆大體積混凝土等被保護(hù)對(duì)象爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，得到爆破振動(dòng)安全距離和單段最大起爆藥量的計(jì)算方法，進(jìn)而確定單段藥量和微差段數(shù)，指導(dǎo)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。

4）通過計(jì)算分析可知，中深孔爆破運(yùn)輸巷道安全距離為18.51 m，穿脈巷道安全距離為19.24 m，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程中，要加強(qiáng)該范圍內(nèi)巖體工程的防護(hù)。最優(yōu)起爆微差時(shí)間為27.8 ms，從爆破減振角度考慮，建議適當(dāng)調(diào)整中深孔爆破排間起爆的微差時(shí)間。

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Analysis and control of vibration propagation characteristics of medium-long hole blasting

Wang Zhiguo1，Jia Xufeng2，Zhao Long1，Li Zhengwei2

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.; 2.Jiangxi Jinshan Mining Co.，Ltd.of China Gold Group）

Abstract：Blasting vibration is a key factor to induce rock mass instability in underground mines，it is important to master the propagation characteristics of blasting vibration，and effectively control the damage of blasting vibration，which is meaningful to safe and efficient production.In order to study the influence of medium-long hole blasting on the structures around the stope in Wanjiawu mining area of Jinshan gold mine，the blasting vibration test was carried out.The collected blasting vibration signals are comprehensively analyzed from the aspects of blasting vibration intensity，frequency，and time，and the propagation model of blasting vibration intensity and frequency in the mining area is established.On this basis，the vibration influence range of medium-long hole blasting is determined，the calculation method of the maximum allowable single dose was obtained，and the micro-difference initiation time between rows was optimized.The parameters of medium-long hole blasting are more reasonable，and ensure the stability of the rock mass and other structures around the stope，so as to realize the green，safe，and efficient production goal of the mine.

Keywords：medium-long hole blasting;blast vibration;propagation characteristic;parameter optimization;safety control

收稿日期：2023-04-15; 修回日期：2023-05-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFC2905003）

作者簡(jiǎn)介：汪志國(guó)（1989—），男，工程師，碩士，從事金屬礦床地下開采研究工作；E-mail：wzgck2015@126.com