安家?guī)X煤礦爆破振速預測與安全允許距離研究

李 輝，王董東，杜文康，弓 煜

(中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

對于大規(guī)模露天開采，工程爆破是最為經(jīng)濟有效的手段[1]。在爆破作業(yè)中炸藥爆炸會釋放出巨大的能量，所產(chǎn)生的地震波會對周圍建筑物以及邊坡巖體帶來負面影響[2]，對地震波的傳播進行準確預測，可以降低或避免其產(chǎn)生的影響，因此對爆破地震波的衰減規(guī)律進行研究是非常必要的。

近年來，許多爆破工作者針對爆破振動對周圍建筑物的影響進行了深入的研究和探討。胡平[3]等通過對已有爆破設計進行優(yōu)化，采用了改變掏槽型式、打設減震孔及增加爆破自由面等方法，把地表建筑物的峰值振速控制在安全范圍內(nèi)，解決了爆破振動對建筑物產(chǎn)生的安全問題；丁新宇[4]等對磚混結構建筑物的不同樓層進行長期監(jiān)測，研究了爆破振動下建筑物的響應規(guī)律，從頻率的角度分析了不同高度的樓層隨爆破振動的變化情況；瞿東明[5]等考慮了高差影響下的振動衰減規(guī)律公式，并使用該公式對隧道沿線的地面建筑進行安全評估，結合允許振速分析了不同圍巖等級下的安全評價結果。

針對礦山爆破振動，爆破學者也進行了大量的研究。胡方強[6]等采用回歸分析的方法得出了爆破振動的衰減規(guī)律，選取最不利因素對測點振速進行反算，并驗證了K和α的可靠性，計算出不同最大單孔藥量下爆破點到房屋的最近距離；趙學龍[7]等選取垂向振動速度對礦內(nèi)振動情況進行預測，分析了預測值與真實值的誤差，把建筑物所在處的最大振速控制在0.7 cm/s以內(nèi)，確保爆破振動不會對周圍建筑物產(chǎn)生安全影響。劉濱[8]等結合振動速度和主頻分析了地下開采對地表建筑物的影響，并驗證了回歸模型的準確性；劉玉福[9]等分別分析了考慮高程影響下和未考慮高程影響的兩種爆破振動公式的兩種形式，通過相關性分析驗證了爆破振動速度存在高程放大效應。

爆破學者在許多領域取得了大量成果和科研進展，為爆破作業(yè)的順利進行和人民的生命財產(chǎn)安全做出了重大貢獻。安家?guī)X煤礦目前也面臨建筑物安全問題，對重要建筑物進行振動監(jiān)測，掌握安家?guī)X煤礦爆破地震波的傳播規(guī)律，在前人研究的基礎上，通過引入安全系數(shù)準確計算煤礦與周圍建筑物的安全距離是目前急需解決的問題。

1 安家?guī)X煤礦工程概況及爆破設計

中煤平朔集團有限公司安家?guī)X露天煤礦位于山西省朔州市境內(nèi)，是國內(nèi)大型露天礦山，礦山開采主要在蘆子溝背斜上部，工作面正在向東推進，東幫礦界近距離內(nèi)存在白蘆煤礦辦公樓、職工宿舍、平朔至陶村鄉(xiāng)公路等重要建筑及基礎設施。目前安家?guī)X露天煤礦正在面臨靠近開采邊界問題，爆破作業(yè)已經(jīng)對部分建筑物產(chǎn)生影響，引起了民企糾紛，影響了爆破作業(yè)的正常進行。

1.1安家?guī)X煤礦工程概況

安家?guī)X煤礦位于寧武煤田北部區(qū)域，2003年7月投入生產(chǎn)，主要開采區(qū)域為4#煤層、9#煤層和11#煤層，東幫礦區(qū)地層主要由黃土、亞黏土、泥巖、砂巖、砂質泥巖和煤等組成，節(jié)理發(fā)育較差，巖體完整性良好，含水量相對較小，巖石力學參數(shù)見表1。

表1 安家?guī)X煤礦巖石力學參數(shù)

1.2 爆破設計

安家?guī)X礦山采用混裝炸藥裝藥爆破，反向爆破，孔間延期25 ms，排間延期65 ms。設計臺階高度為15 m，孔深約16.5 m，采用方形布孔，孔距與排距一般為6～8 m，炮孔直徑為160和250 mm，堵塞長度5～8 m，使用連續(xù)耦合裝藥結構，并使用巖粉填塞炮孔。裝藥結構和爆破區(qū)域切面如圖1所示。

圖1 裝藥結構和爆破區(qū)域剖面

2 爆破振動監(jiān)測

2.1 測振儀選取與測點布置

爆破振動監(jiān)測采用成都中科測控有限公司生產(chǎn)的TC-4850爆破振動記錄儀和TCS-D3三分量速度傳感器，儀器參數(shù)的設定為：采樣頻率2000 Hz，觸發(fā)模式采用內(nèi)觸發(fā)，觸發(fā)電平0.05 cm/s，觸發(fā)延時-100 ms，采樣時間5 s。為了使得監(jiān)測結果更準確，測振儀器均使用強力快粘粉布置在墻角堅固處，并用水準儀確保傳感器水平安放。

2.2 監(jiān)測方案

礦區(qū)東幫建筑物和基礎設施較多，為了準確計算東幫爆破邊界的安全距離，本次所選取的測點為較近的重要建筑物，共設置四個測點，分別為測點一白蘆主工業(yè)廣場辦公樓、測點二白蘆主工業(yè)廣場職工宿舍、測點三白蘆副工業(yè)廣場保安室、測點四白蘆副工業(yè)廣場大門。監(jiān)測點和爆破作業(yè)區(qū)域位置如圖2所示，共對12個爆區(qū)的爆破振動進行了監(jiān)測，獲得了43組數(shù)據(jù)。

3 爆破振動數(shù)據(jù)分析

3.1 質點峰值速度分析

測試完成后，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，爆破振動峰值速度部分數(shù)據(jù)見表2，典型爆破振動波形如圖3所示，該測點布置在主工業(yè)廣場辦公樓，反映了爆破時該點的爆破振動速度變化情況，其中X方向為水平徑向(指向爆破中心方向)，Y方向為水平切向(垂直于爆破中心方向)，Z方向為豎直方向。由于地形變化明顯，在幾次振動監(jiān)測中，質點振動峰值速度變化相對較大，總體變化情況為隨著監(jiān)測點與爆破中心距離增大時，振速逐漸較小。

圖3 典型爆破振動波形

表2 爆破參數(shù)與振動監(jiān)測數(shù)據(jù)

在計算爆破振動質點峰值速度時，爆破學者主要采用的是使用經(jīng)驗公式進行回歸分析，國內(nèi)最廣泛使用的是蘇聯(lián)學者總結的薩道夫斯基公式[10，11]：

V=K(Q1/3/R)α

(1)

式中，V為建筑物所在地質點峰值振速，cm/s；Q為延時爆破時的最大單段藥量，kg；R為建筑物所在地到爆破中心的距離，m；K、α為爆破中心與建筑物所在地的地形、地質條件和爆破條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)。

在對質點振動峰值速度擬合時，通常將薩道夫斯基公式轉化為一元線性回歸進行分析[12，13]，式(1)兩邊同時取對數(shù)后，可變形為：

lnV=αln(Q1/3/R)+lnK

(2)

令y=lnV，x=ln(Q1/3/R)，b=lnK，式(2)則可變形為一元線性方程的形式：

y=αx+b

(3)

對爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，為了得到爆破振動的傳播規(guī)律，采用一元線性回歸方程進行回歸分析，將監(jiān)測所得的相關數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結果如圖4所示。

圖4 質點振動速度擬合結果

對43組監(jiān)測值進行線性回歸分析，得到的薩道夫斯公式分別為：

Vx=888.914(Q1/3/R)2.03

(4)

Vy=757.482(Q1/3/R)2.01

(5)

Vz=1339.431(Q1/3/R)2.15

(6)

由于爆破區(qū)域與建筑物之間存在的溝渠和公路起到了一定的減振作用，地質條件較為復雜，爆破地震波傳播路徑上地形與地質參數(shù)變化較大，因此將回歸分析得到的K值和α值與《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[14]中的參考值進行對比，二者存在差別，現(xiàn)場試驗中的參數(shù)應根據(jù)地質條件和爆破參數(shù)及時調(diào)整[15-17]。回歸公式的相關系數(shù)r均大于0.8，說明監(jiān)測數(shù)據(jù)的離散性較小，通過變形后的薩道夫斯基公式對數(shù)據(jù)進行線性回歸擬合是可靠的，能夠反映安家?guī)X煤礦爆破時建筑物附近的質點振動情況，回歸結果能夠應用于安家?guī)X煤礦的工程需求。

3.2 質點振動峰值速度預測與分析

通過線性回歸得到的薩道夫斯基公式對爆破質點振動峰值速度進行預測，再對安家?guī)X煤礦爆破作業(yè)進行監(jiān)測，共計得到20組數(shù)據(jù)，把預測值與安家?guī)X煤礦爆破作業(yè)時建筑物所在處的質點振動峰值進行對比，部分數(shù)據(jù)見表3，分析預測值與監(jiān)測值的絕對誤差，可得出并非所有的監(jiān)測值都低于實測值，X、Y、Z方向質點振動峰值速度實測值大于預測值的百分比分別為35%、30%、35%。可見，通過傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式只能對質點振動峰值速度進行一定范圍內(nèi)的預測，無法保證建筑物的安全狀態(tài)，為了礦區(qū)的順利生產(chǎn)且不對既有建筑物帶來安全隱患，需要引入安全保證系數(shù)進行計算。

表3 實測值與預測值對比

4 爆破振動安全允許距離確定

4.1 質點振動峰值速度預測

在通過薩道夫斯基公式進行質點振動峰值速度預測時，預測值與實測值會存在較大誤差[18]，即令某一點的預測值為y，實測點的預測值為Y，則該點的預測值與實際值之間的關系可以表示為：Y=y+ε，式中，ε為誤差值。ε為隨機誤差，其值的大小與正負是不可控的，因此，預測所得到的振動速度可靠性較低，若通過該值確定最小安全距離，則會對建筑物的安全帶來較大隱患。梁書峰等[19]通過理論分析與工程實踐相結合，得出了基于可靠性指標的經(jīng)驗式如下：

式中，ε為預測值與實際值之間的誤差；n為監(jiān)測的數(shù)據(jù)個數(shù)；β為顯著性水平；tβ/2(n-2)為在可靠性指標為(1-β)的情況下的t-分布；r為相關性系數(shù)。

為保證建筑物的安全，分別取1-β=95%和1-β=99%，即在置信區(qū)間為95%和99%下求得ε值，由于預測振動速度對建筑物的影響，故只需計算出右側置信區(qū)間即可，計算結果見表4。

表4 各參數(shù)計算值

通過表4計算出的結果與式Y=y+ε與線性回歸結果對比，計算如圖5所示，可以看出在X方向、Y方向與Z方向上取置信度1-β=95%時，預測直線不能完全包絡樣本點，此時不能保證建筑物處于安全的狀態(tài)，隨著安家?guī)X煤礦的工作面向東推進，質點峰值振速有超出包絡線的可能，即隨著爆心距的減小，預測值可能會接近甚至超過預測曲線；當置信度取1-β=99%時，樣本點能夠較好地被預測直線包絡。因此，為了周圍建筑物安全狀態(tài)能夠得到更好的安全保障，置信度1-β=99%時更為可靠的。

圖5 置信水平為95%和99%計算

4.2 最小安全允許距離確定

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)評估爆破振動對保護對象的振動影響時，需結合質點振動峰值速度與振動主頻進行判定，安全允許質點振動速度見表5。監(jiān)測地點處存在民用建筑和工業(yè)建筑，經(jīng)過對比，為使建筑物都處于安全狀態(tài)，應取最不利組合。由于爆破地震波在傳播時高頻成分振動波衰減較快[20，21]，且結合監(jiān)測結果，建筑物所在處的主頻多分布在0～10 Hz，所以在確定最小安全距離時，綜合考慮保護對象類別和振動主頻，安全允許質點振動速度取2 cm/s較為合適。

表5 安全允許振動速度

對式Y=y+ε，其中Y=lnV，y=αx+b，x=ln(Q1/3/R)。進行變形可得：

帶入已知參數(shù)可得：

式中，Rx、Rx、Rz分別表示X方向、Y方向、Z方向在最大單段藥量為Q時的安全允許距離。

安家?guī)X露天煤礦爆破作業(yè)采用的最大單段藥量主要為402、616、748、836 kg。利用上述安全允許距離公式對最小安全距離進行計算(表6)可得：當最大單段藥量分別為402、616 、748和836 kg時，對應的最小安全距離為210.22、242.36、258.56和268.33 m。預測數(shù)據(jù)可為安家?guī)X礦界向東推進時提供理論依據(jù)，同時為類似工程提供理論參考。

表6 不同單段藥量下安全允許距離值

5 結 論

1)采用一元線性回歸方程對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得到的質點振動峰值速度預測公式相關性較好。

2)預測建筑物所在處質點峰值振速時，引入安全保證系數(shù)能夠較好地保證建筑物處于安全狀態(tài)。置信區(qū)間1-β=99%與1-β=95%相比更具優(yōu)勢，預測直線能夠完全包絡樣本點，更具有可靠性。

3)由于爆破地震波傳播路徑上地形和地質條件較為復雜，因此回歸分析所得到的K值和α值與《爆破安全規(guī)程》相比存在一定的差異，為了更好地反映實際情況應采用現(xiàn)場試驗測定值。

4)結合安全保證系數(shù)和《爆破安全規(guī)程》對于一般民用建筑的安全振速允許值，確定出三方向最小安全距離公式分別為Rx=28.484Q1/3，Ry=27.513Q1/3，Rz=27.791Q1/3，并計算出不同最大單段藥量下的安全距離。也可通過公式計算，在爆心距確定的情況下及時調(diào)整最大單段藥量，為礦區(qū)的生產(chǎn)和周圍建筑物的安全提供參考。