基于地表結(jié)構(gòu)安全的爆破設(shè)計(jì)與振動(dòng)控制

趙 丹

（長(zhǎng)治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

采礦工程中爆破引起地面振動(dòng)，振動(dòng)是否會(huì)導(dǎo)致房屋結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和損壞，主要取決于振動(dòng)水平和頻率[1]，在較小程度上取決于現(xiàn)場(chǎng)和結(jié)構(gòu)特定因素。決定振動(dòng)程度的三個(gè)因素是地面振動(dòng)振幅[2]（峰值粒子速度；PPV）、持續(xù)時(shí)間和頻率。本文通過(guò)改變爆破炸藥量、孔數(shù)、甲板位置和時(shí)間、點(diǎn)火順序、孔直徑和長(zhǎng)度以及不同起爆裝置的炸藥爆炸，研究地下礦山爆破引起的地面振動(dòng)問(wèn)題及其可能的解決方案。

1 爆破細(xì)節(jié)和振動(dòng)監(jiān)測(cè)

在某金屬礦山礦井的不同位置進(jìn)行了掘進(jìn)工作面爆破。一輪爆破中引爆的孔數(shù)從17～78 個(gè)不等。在槽提升和環(huán)形爆破的情況下，孔的數(shù)量通常在2～13個(gè)之間。爆炸中引爆的炸藥總重量約為70～310 kg。每次延遲的最大炸藥重量在3.90～18.75 kg。在掘進(jìn)工作面爆破的情況下，爆破孔的直徑為45 mm，對(duì)于槽提升和環(huán)形爆破，鉆孔直徑為76 mm。對(duì)掘進(jìn)工作面、槽頂和環(huán)形爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)進(jìn)行了分析。在所有情況下，均對(duì)垂直深度為30～185 m 以及距離地下爆破面垂直上方300 m 的水平距離進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。記錄的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)在2.34～14.6 mm/s 的范圍內(nèi)。確定了各種房屋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并記錄了其固有頻率，其范圍為14～16 Hz。當(dāng)房屋的固有頻率處于較低范圍時(shí)，傳入的較高主峰振動(dòng)頻率導(dǎo)致不同樓層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)減少,記錄的振動(dòng)頻率在30.1～246.0 Hz范圍內(nèi)。對(duì)獲得的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT）分析表明，振動(dòng)能量的濃度在50～150 Hz 范圍內(nèi)。定期分析記錄的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)。對(duì)因掘進(jìn)工作面爆破和生產(chǎn)爆破（槽頂和環(huán)）而記錄的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并建立了廣義預(yù)測(cè)方程，其如下所示：

式中：v 為峰值質(zhì)點(diǎn)速度，mm/s；R 為振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆破面之間的距離，mm；Qmax為每次延遲最大炸藥質(zhì)量，kg。

2 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

2.1 掘進(jìn)爆破

采用不同的爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)爆破，以優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，并將地面振動(dòng)控制在盡可能低的水平。最初，在孔之間以15 ms、20 ms 和25 ms 的延遲間隔進(jìn)行爆破，以便對(duì)5 個(gè)中心孔逐一進(jìn)行爆破，并分析高采樣率下記錄的振動(dòng)特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，25 ms 的延遲間隔導(dǎo)致產(chǎn)生較低水平的地面振動(dòng)。后續(xù)孔之間的延遲間隔為50 ms，在兩個(gè)截面切割處的跳躍延遲為200 ms 和100 ms。但爆炸的總拉力幅度在70%～80%之間。平均炮孔深度為3.5 m。優(yōu)化的爆破設(shè)計(jì)產(chǎn)生了良好的效果，并在大多數(shù)橫切爆破中繼續(xù)進(jìn)行。此外，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了輕微修改，尤其是在鉆機(jī)設(shè)計(jì)中，即爆破孔的負(fù)荷和間距。在這種改進(jìn)設(shè)計(jì)中獲得的平均拉力幅度為90%～95%。優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)和延遲順序（用于開(kāi)發(fā)面爆破）

2.2 槽提升爆破

修改了孔和甲板裝藥的數(shù)量，以從槽提升爆破中獲得所需的拉力。在幾次爆炸中記錄到最大拉力發(fā)生在為2.7 m。盡管如此，槽孔中裝載的炸藥深度為1.9～2.2 m。根據(jù)爆破孔的條件，爆破孔的數(shù)量在3～14 個(gè)之間變化。一輪爆炸中的炸藥總量在16～172 kg 之間。

2.3 環(huán)形爆破

環(huán)形爆破最終計(jì)劃在通過(guò)槽提升爆破充分打開(kāi)采場(chǎng)后進(jìn)行。最初，環(huán)形爆破使用150 kg 的乳化藥包炸藥開(kāi)始[3]，分布在5 個(gè)爆破孔中，并將每次延遲的炸藥質(zhì)量保持在25 kg。隨后，在連續(xù)的試爆中對(duì)爆破進(jìn)行了優(yōu)化，以提高生產(chǎn)率，并將振動(dòng)水平保持在15 mm/s 以內(nèi)。在環(huán)形爆破的情況下，爆破孔的數(shù)量從2～7 個(gè)不等。在一輪爆破中引爆的炸藥總量在64～340 kg 之間，每次延期的炸藥質(zhì)量為10.92～17.16 kg。7 個(gè)爆破孔的布局如圖2 所示。在這種情況下，幾個(gè)爆破孔被覆蓋到4 個(gè)地方，并在電子延期雷管的幫助下引爆。

圖2 地下礦山實(shí)施的7 個(gè)爆破孔的典型布局

利用種子波形和波的線性疊加技術(shù)，進(jìn)行了爆破波形分析，以獲得爆破孔之間和爆破孔內(nèi)炸藥層之間的最佳間隔。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在甲板裝藥的情況下，20～80 ms 的延遲間隔，即20 ms 間隔的增加是最佳的，同時(shí)在2 個(gè)連續(xù)的爆破孔之間提供40～80 ms 的最小延遲。

此外，采用了兩種方法來(lái)提供甲板及其引爆。第一種方法是一個(gè)接一個(gè)的引爆孔，即以20 ms 的間隔從底部甲板到頂部甲板，最多4 個(gè)甲板用于所有爆破孔。第二種方法是先取2 個(gè)炸藥甲板（底部切片），然后取2 個(gè)炸藥甲板（頂部切片）。通過(guò)使用錨固在栓接木塊上的鉆削材料，保留切片之間的閥桿甲板材料，用于消除由于底部甲板炸藥柱爆炸而對(duì)頂部甲板炸藥柱造成的損壞。使用電子延期雷管在采場(chǎng)的少數(shù)爆破中對(duì)這兩種甲板放置方法進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果第二種方法顯示出更好的結(jié)果。在少數(shù)幾起爆炸中，交感爆轟也是該村莊爆炸振動(dòng)水平過(guò)高的原因之一。借助于測(cè)試次數(shù)時(shí)爆炸痕跡的視頻點(diǎn)播特征，記錄了交感爆炸。隨后，將甲板長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)化，其范圍為鉆孔直徑的15～20 倍。在研究期間，在325 m、350 m 和375 m的不同采場(chǎng)進(jìn)行了30 次生產(chǎn)爆破。

3 結(jié)論

地下礦山通過(guò)采用文中討論的最先進(jìn)的爆破實(shí)踐，成功地在居民區(qū)附近生產(chǎn)礦物。記錄的爆炸震動(dòng)在可接受的范圍內(nèi)。5 個(gè)中心孔的孔之間延遲間隔為25 ms 的掘進(jìn)工作面爆破導(dǎo)致產(chǎn)生較低水平的振動(dòng)。在兩個(gè)連續(xù)的切割孔之間使用200～300 ms 的延遲間隔，可獲得良好的爆破效果。還記錄到，電子起爆系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)水平低于導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)水平。與用激波管起爆系統(tǒng)起爆的炮孔相比，由電子延期雷管起爆的炮孔振動(dòng)級(jí)降低了12.5%。環(huán)形孔爆破時(shí)孔之間的延遲間隔為40 ms 和80 ms，甲板之間的延遲間隔為20～80 ms，導(dǎo)致振動(dòng)水平降低。結(jié)構(gòu)中記錄的振動(dòng)數(shù)據(jù)表明，隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，振動(dòng)水平降低。記錄的振動(dòng)數(shù)據(jù)頻率高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)水平降低，獲得的碎片是最佳的。