某硫鐵礦淺埋巷道爆破振動實例分析

姚昌明

（浙江巨化化工礦業(yè)有限公司，浙江 衢州 324403）

爆破開挖是目前礦山開采、水利水電等工程隧道開挖的主要施工方法之一，而爆破引起的振動直接影響附近建筑物、構(gòu)筑物及相關(guān)設(shè)施的安全。

目前對巷道爆破的振動效應(yīng)研究多集中于節(jié)理構(gòu)造對巷道爆破振動的影響，并根據(jù)裝藥量、布藥結(jié)構(gòu)等提出了巷道爆破振動的衰減規(guī)律[1-4]。為控制爆破震害，工程上多采用振動監(jiān)測來了解爆破的振動強度，分析爆破振動對地表建筑物安全的影響程度[5-7]。但過小的進尺會降低施工效率，增大工程成本。

為解決這個問題，必須先清楚巷道掘進爆破引起的地表振動特性及其影響范圍。特別是對于埋深小于30 m的淺埋巷道施工，爆破產(chǎn)生的振動效應(yīng)造成的危害更大，其地表振動特性更復(fù)雜。因此，研究地表的振動效應(yīng)特點，才能提出合理可行的減震爆破技術(shù)，達到既控制爆破震害，又提高工程效率的目的。

以某硫鐵礦區(qū)的淺埋巷道為例，對現(xiàn)場爆破實測檢測，對振動數(shù)據(jù)進行分析，研究其地表振動特性及其變化規(guī)律，建立工程爆破振動控制與監(jiān)測系統(tǒng)，以保證巷道掘進的順利進行。

1 工程概況

某硫鐵礦區(qū)擁有2 Mt多金屬硫鐵礦，該礦體埋深較淺，礦區(qū)周邊有高速公路，110 kVA高壓線及省道穿過，且附近有大量的民房。因而礦區(qū)淺部巷道的掘進和今后淺部礦石開采的爆破振動成為一個重要的安全問題，其直接影響著今后礦山能否正常建設(shè)及生產(chǎn)。

2 爆破振動監(jiān)測方案

1)監(jiān)測儀器的確定。測試儀器采用TC-4850爆破振動儀以及配套的水平、垂直速度傳感器，其采樣率 1～50 kHz，多檔可調(diào)，最大量程 10 V（35 cm/s），讀數(shù)精度為0.1%，可實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集、存儲和分析。儀器的觸發(fā)電平為0.005 cm/s，采樣率設(shè)為8 kHz，采樣時間為5 s。起爆前3 min打開儀器，人員撤離，儀器自動采取數(shù)據(jù)并保存。

2)監(jiān)測點的布置。現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測測點布置在爆區(qū)上方，沿平行電力線路鐵塔方向2側(cè)布置測線，每條測線根據(jù)地表情況，布置3個測點，在每個測點上布置垂直和水平徑向的速度傳感器監(jiān)測爆破開挖時的振動特征。

3)爆破參數(shù)設(shè)計：選用抗水性能好、起爆感度高、爆速大、猛度高的巖石乳化炸藥。炮眼按梅花型布置，設(shè)置掏槽眼、輔助眼和周邊眼，斷面中心均設(shè)直眼掏槽，爆破裝藥采用耦合裝藥。根據(jù)現(xiàn)場施工的實際設(shè)備情況，確定炮孔直徑為40 mm，最大段裝藥量為3 kg。

3 結(jié)果與討論

3.1 一般分析

GB 6722—2011所規(guī)定的爆破振動安全標準及國際流行的爆破振動安全標準都是以質(zhì)點振動速度或振動速度結(jié)合振動頻率為依據(jù)，一般發(fā)電廠中心控制室設(shè)備及輔助設(shè)施的爆破安全允許振速小于0.5 cm/s[8]。在巷道爆破掘進過程中，共進行了5次爆破振動監(jiān)測，現(xiàn)取1次典型的測試數(shù)據(jù)進行分析，質(zhì)點振速測試結(jié)果見表1所示，地表測點振速分布范圍如圖1。

表1 巷道爆破振動測試數(shù)據(jù)Tab 1 Blasting vibration test data of tunnel

由表1可知，振動速度的最大值為0.274 cm/s，小于GB 6722—2011規(guī)定的一般發(fā)電廠中心控制室設(shè)備及輔助設(shè)施安全允許最大振速0.5 cm/s，說明巷道爆破產(chǎn)生的振動不會對地表的電力線路鐵塔產(chǎn)生破壞性影響。

由圖1可知，分布曲線近似正態(tài)分布，中間振速0.10～0.20 cm/s明顯較多。因此，必須加強對電力線路鐵塔的振動監(jiān)測，必要時采取減震措施。

圖1 地表測點振速分布曲線Fig 1 The vibration velocity distribution curve of surface measuring point

由表1還可知，各測點的質(zhì)點振速并不是隨著高差和爆心距的變化而呈現(xiàn)單調(diào)性變化，當高差效應(yīng)系數(shù)較小時，質(zhì)點水平和垂直方向峰值振速趨于一致，而高差效應(yīng)系數(shù)在0.85～0.95內(nèi)，振速峰值達到最大；同時還可以看出，在測點斷面上，質(zhì)點振動速度具有方向效應(yīng)，水平方向振速明顯小于垂直方向振動速度，這跟文獻[9]認為凹形地貌具有衰減效應(yīng)，而水平衰減系數(shù)大于垂直衰減系數(shù)有相似的結(jié)論。

3.2 回歸分析

考慮高差影響的實際意義，通過量綱分析得到的考慮高差效應(yīng)修正后的爆破振動速度計算公式[10]：

式中，v為質(zhì)點峰值振速，m為同段起爆的最大炸藥量，k為巖石性質(zhì)、爆破方法等因素有關(guān)的系數(shù)，α和β分別為地質(zhì)條件有關(guān)的地震波衰減系數(shù)。由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析可知，地表測點的垂直向振動速度一般要大于其水平向振動速度。因此，以測點的垂直向振速為控制標準，對薩道夫斯基公式

用最小二乘法進行一元線性回歸分析，得：

其中，相關(guān)系數(shù)R1=0.74。

對公式(1)2邊取對數(shù)后為

則

把現(xiàn)場實測垂直向振速進行二元線性回歸分析，最終得到如下現(xiàn)場實測規(guī)律：

其相關(guān)系數(shù)R2=0.89。

由式(1)～(4)可見，爆破場地的地形高差變化較大時，傳統(tǒng)的薩道夫斯基爆破振動經(jīng)驗公式分析結(jié)果不是很理想，因此，必須考慮高差效應(yīng)給地表振速帶來的影響。結(jié)果表明，取h/r作為高差效應(yīng)系數(shù)對傳統(tǒng)公式進行修正后，分析結(jié)果更為理想。

4 結(jié)語

爆破振動效應(yīng)危害大，而爆破振動機理復(fù)雜，爆破振動強度的因素很多，所以應(yīng)根據(jù)工程實際情況來選取爆破振動監(jiān)測設(shè)備、布置爆破振動監(jiān)測點。

通過對淺埋巷道開挖爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以得到以下結(jié)論：

1)爆破振動監(jiān)測點布置位置合理，爆破監(jiān)測設(shè)備選用及調(diào)試均符合工程測試要求，測得的測點的垂直振動速度可信度滿足測試要求，所測得的垂直速度均小于GB 6722—2011的允許振速0.5 cm/s。

2)淺埋巷道開挖區(qū)形成的空洞改變了巷道上方淺層巖體的完整結(jié)構(gòu)，高差效應(yīng)系數(shù)在0.85～0.95內(nèi)，振速峰值達到最大；同時，質(zhì)點振動速度具有方向效應(yīng)，水平方向振速明顯小于垂直方向振動速度。

3)爆破振動強度回歸分析表明，爆破場地的地形高差變化較大時，傳統(tǒng)的薩道夫斯基爆破振動經(jīng)驗公式分析結(jié)果不是很理想，取h/r作為高差效應(yīng)系數(shù)對傳統(tǒng)公式進行修正后，分析結(jié)果更為理想。修正后得到的相關(guān)系數(shù)為0.89。

[1]謝冰,李海波,王長柏,等.節(jié)理幾何特征對預(yù)裂爆破效果影響的數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2011,32(12):3812-3820.

[2]張西前.節(jié)理巖體邊坡爆破動力穩(wěn)定性分析研究[D].西安:西安理工大學(xué),2006.

[3]胡春紅,周晶.炸藥量和場地條件對水下爆炸地震波影響的數(shù)值模擬[J].爆破,2007,24(3):11-15.

[4]高蔭桐,譚權(quán),楊仕春,等.布藥結(jié)構(gòu)與爆破震動之關(guān)系的試驗研究[J].工程爆破,2004,10(3):19-21.

[5]張世雄,胡建華,陽生權(quán),等.地下工程爆破振動監(jiān)測與分析[J].爆破,2001,18(2):49-52.

[6]方俊波,崔天麟.淺埋地鐵區(qū)間爆破振動對地表建筑物的影響[J].世界隧道,2000(5):28-31.

[7]魏曉林.爆破震動對臨近建筑物的危害影響[J].爆破,1998,15(1):48-54.

[8]GB 6722—2011爆破安全規(guī)程[S].

[9]唐海,李海波,蔣鵬燦,等.地形地貌對爆破振動波傳播的影響實驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(9):1817-1823.

[10]唐海,李海波.反映高程放大效應(yīng)的爆破振動公式研究[J].巖土力學(xué),2011,32(3):820.