巖體及充填體爆破振動速度衰減規(guī)律研究

摘要：巷道掘進爆破中，爆破振動是影響巷道穩(wěn)定性和充填體穩(wěn)定性的重要因素，頻繁的爆破振動會對巷道圍巖和充填體造成損傷，最終發(fā)生失穩(wěn)破壞。通過建立爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)，改進爆破方案和監(jiān)測位置研究巖體和充填體爆破振動速度衰減規(guī)律，得出巖體與充填體振動速度衰減規(guī)律的差異性，從而優(yōu)化焦家金礦爆破藥量。研究結(jié)果表明：距離爆源越近，爆破振動速度越大，而且會隨著爆心距增加逐步衰減；最大振動速度出現(xiàn)在爆源附近，采場爆破對充填體的擾動破壞更大；距離爆炸點相等的充填體平均振動速度為0.223 cm/s，要大于巖體平均振動速度（0.087 cm/s）。根據(jù)焦家金礦巖體爆破振動速度傳播特點，結(jié)合GB 6722—2023 《爆破振動安全規(guī)程》，得出了最大單段藥量與安全距離的對應關(guān)系，提出了一種新的動力應力比法，不僅為優(yōu)化鑿巖爆破設計和爆破藥量設計提供依據(jù)，而且為焦家金礦深層礦床安全高效開采提供可靠的保證。

關(guān)鍵詞：爆破振動速度；充填體；穩(wěn)定性；振動監(jiān)測；爆破振動

中圖分類號：TD235文章編號：1001-1277（2024）05-0014-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240504

引言

爆破振動達到足夠強度時，就會引起各種破壞現(xiàn)象，造成礦山經(jīng)濟損失［1］。爆破振動具有非常典型的非平穩(wěn)隨機信號特點，對建筑物的影響實質(zhì)上是一種能量的傳遞和轉(zhuǎn)化過程，該過程會受到爆破地震波能量特征的影響［2］。

山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦（下稱“焦家金礦”）采用進路式充填采礦法回采過程中，主要采用鑿巖爆破的回采方式，頻繁的生產(chǎn)爆破會對巷道圍巖和充填體造成損傷，極易誘發(fā)巷道、采場和采空區(qū)等礦山地下工程的破壞或坍塌［3］。了解爆破振動在巷道圍巖和充填體的衰減規(guī)律，能較好地預判特定條件下的爆破振動，防止圍巖和充填體的失穩(wěn)破壞［4］。

1爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)

1.1爆破振動監(jiān)測設備

本次試驗采用NUBOX-6016型智能振動監(jiān)測儀，該設備主要針對現(xiàn)場爆破振動、爆破沖擊等進行測試，記錄分析爆破信號，對傳感器產(chǎn)生的動態(tài)、靜態(tài)模擬型號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換和存儲，對關(guān)心特征的信號進行正確記錄，可實現(xiàn)多段振動信號的連續(xù)自動記錄［5］。配套使用TP3V-4.5三維速度型傳感器和BM View爆破振動專用測試分析軟件。

1.2爆破振動監(jiān)測內(nèi)容

振動監(jiān)測一般采用質(zhì)點峰值振動速度，傳感器收集數(shù)據(jù)，導入BM View軟件得到振動信號，進行頻譜分析、矢量合成等處理。爆破振動監(jiān)測的主要內(nèi)容為：

1）監(jiān)測主振頻率，確定爆破振動主振頻率頻譜，分析變化規(guī)律，以降低共振對沿脈運輸巷道的破壞作用［6］。

2）監(jiān)測最大振動速度，得到爆破質(zhì)點峰值振動速度，分析最大裝藥量和振動速度關(guān)系，以尋找爆破藥量和爆破距離與沿脈運輸巷道破壞的聯(lián)系［7］。

2充填體爆破振動速度衰減規(guī)律

2.1爆破振動速度監(jiān)測方案

以焦家金礦-570 m階段112采場為例，該采場采用淺孔爆破，單次爆破推進1.8～2.0 m。爆破振動傳感器的安裝是爆破質(zhì)點峰值振動速度監(jiān)測的關(guān)鍵，由于112采場的進路較短，將傳感器布置在相鄰的108采場，爆源和測點中間全部是充填體，對數(shù)據(jù)的分析無影響［8］。

2.2監(jiān)測結(jié)果及分析

以焦家金礦-570 m階段112采場為例，充填體各傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1，監(jiān)測點參數(shù)和分析得到的合速度見表2。每個傳感器有3個通道，每個通道有3個振動波形，表示采場微差爆破中的其中3段，最大合速度對應現(xiàn)場最大單段藥量［9］，由于1號傳感器比其他傳感器距爆源更近，因此所監(jiān)測到的振動速度是最大的。由表2可知，在爆破地震波傳播過程中，隨著爆心距的增大，其振動速度迅速衰減。

2.3預測模型

由于炸藥量和爆心距是影響爆破振動強度的主要因素［5］。因此，以爆破質(zhì)點峰值振動速度表征振動強度，應用薩道夫斯基經(jīng)驗公式進行計算。

vz=K3QRα（1）

式中：vz為質(zhì)點振動速度（cm/s）；K為與介質(zhì)性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)；Q為最大單段藥量（kg）；R為監(jiān)測點到爆源的距離（m）；α為振動波隨距離衰減的系數(shù)［10］。

根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式，利用回歸原理，找出合速度（v）與比例距離之間的關(guān)系，得到K、α值。利用多次監(jiān)測到的爆破振動數(shù)據(jù)，計算得到式（2）：

v=367.040 853QR1.764 36（2）

峰值振動速度隨比例距離變化關(guān)系見圖1。

3巖體爆破振動速度衰減規(guī)律

3.1爆破振動速度監(jiān)測方案

以焦家金礦100-4采場為例，由于巷道布置錯綜復雜，選擇在圍巖比較堅固的地方布置傳感器，且嚴格避開隔空區(qū)。在綜合考慮現(xiàn)場布置的條件下，最終選擇將傳感器布置在采場進路中。

3.2監(jiān)測結(jié)果及分析

以焦家金礦100-4采場第一次掘進爆破為例，各傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3，監(jiān)測點參數(shù)和分析得到的合速度見表4。由表3、表4可知，在爆破地震波傳播的過程中，隨著爆心距的增大，其振動速度迅速衰減。

3.3預測模型

計算方法同2.3，根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式，利用回歸原理，以及多次監(jiān)測到的爆破振動數(shù)據(jù)，找出合速度與比例距離之間的關(guān)系，得到K、α值。計算得到式（3）：

v=164.243QR1.548（3）

巖體峰值振動速度隨比例距離變化關(guān)系擬合圖見圖2。

4對比分析

4.1巖體與充填體峰值振動速度對比

通過上述得到的充填體和巖體爆破振動速度衰減預測公式，可以發(fā)現(xiàn)在比例距離相同的情況下，即爆破時最大單段藥量及爆心距相同，距爆源越近時，相比巖體，充填體峰值振動速度越大，但充填體振動速度的衰減速度更快;當峰值振動速度傳播到距爆源較遠位置時，充填體的峰值振動速度又會比巖體峰值振動速度小（見圖3）。因此，在爆源附近，采場爆破對充填體的破壞更大［11-13］。

若把充填體看作軟弱巖體，獲得經(jīng)驗公式中的場地系數(shù)K、衰減系數(shù)α和GB 6722—2023 《爆破安全規(guī)程》（見表5）中的一致，說明監(jiān)測結(jié)果的正確性。

4.2敲擊試驗模擬爆破現(xiàn)場

薩道夫斯基經(jīng)驗公式并不適用在爆源近點（如數(shù)米以內(nèi)）的爆炸振動速度計算［14-18］。在現(xiàn)場進行爆破振動監(jiān)控時，為了防止對設備造成損害，必須將傳感器設置在遠離爆炸源的地方［19-23］，同時又不能監(jiān)控爆炸附近的振動速度，所以在巖體與填充物之間進行了撞擊測試，發(fā)現(xiàn)巖體與填充物之間的距離是一樣的（見圖4），監(jiān)測結(jié)果見表6。

4.3爆破藥量優(yōu)化設計

在GB 6722—2023 《爆破安全規(guī)程》中，對于特定的典型結(jié)構(gòu)，提出了若干具體的臨界值，并將其作為判定依據(jù)，簡明扼要，易于理解，但判據(jù)比較單一，并不具有很好的說服力。同時，爆破振動受多種條件綜合影響，如巖石力學條件、地形環(huán)境條件等。為此，本文提出了一種新的動力應力比法。根據(jù)焦家金礦巖體爆破振動速度傳播特點，結(jié)合GB 6722—2023 《爆破安全規(guī)程》，得出了最大單段藥量與安全距離的對應關(guān)系，給出了相應的計算公式：

v=164.243QR1.548（4）

另外，通過擬合最大單段藥量與安全距離，得出了無支護硐室安全距離、風井與無支護巷道、采場間爆破安全距離、噴錨網(wǎng)支護巷道安全距離、U型鋼支護巷道安全距離等。以無支護硐室的安全距離作為實例，結(jié)果見圖5、表7。

5結(jié)論

本文通過監(jiān)測焦家金礦巷道鑿巖爆破產(chǎn)生的爆破振動，研究爆破振動速度在巷道圍巖和充填體中的衰減規(guī)律，并根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式，分別得出預測模型，得到以下結(jié)論：

1）充填體中距離爆源52.49 m的1號傳感器測得的合速度為0.846 cm/s，而距離爆源64.07 m的3號傳感器測得的合速度為0.571 cm/s，表明距離爆源越近，爆破振動速度越大，而且會隨著爆心距增加逐步衰減。

2）最大振動速度在爆源附近，采場爆破對充填體的擾動破壞更大。

3）在進行敲擊試驗時發(fā)現(xiàn)，在距離爆炸點相等的充填體內(nèi)平均振動速度為0.223 cm/s，要大于巖體平均振動速度（0.087 cm/s）。

4）根據(jù)焦家金礦巖體爆破振動速度傳播的特點，結(jié)合GB 6722—2023 《爆破安全規(guī)程》，得出了最大單段藥量與安全距離的對應關(guān)系為v=164.243QR1.548。

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Study on attenuation law of blasting vibration velocity in rock mass and filling body

Zhang Bo

（Jiaojia Gold Mine，Shandong Gold Mining Industry （Laizhou） Co.，Ltd.）

Abstract：Blasting vibration in roadway excavation blasting is an important factor affecting the stability of roadways and filling bodies.Frequent blasting vibration can cause damage to the surrounding rock of roadways and filling bodies，ultimately leading to instability and failure.By establishing a blasting vibration monitoring system and improving blasting schemes and monitoring positions，the attenuation law of blasting vibration velocity in the rock mass and filling body is studied.The differences in vibration attenuation laws between rock mass and filling body are obtained，thereby optimizing the blasting charge of Jiaojia Gold Mine.The results show that the closer to the blast source，the more pronounced the blasting vibration velocity，which gradually decreases with increasing distance from the blast center.The maximum vibration velocity occurs near the blast source，and blasting in the stope causes greater disturbance and damage to the filling body.The average vibration velocity in the filling body at a distance equal to the explosion point is 0.223 cm/s，greater than the average vibration velocity inside the rock of 0.087 cm/s.Based on the characteristics of blasting vibration velocity propagation in Jiaojia Gold Mine，combined with GB 6722—2023 Blasting Vibration Safety Regulations，the corresponding relationship between the maximum charge for a single section and the safe distance is derived，and a new dynamic stress ratio method is proposed.This not only provides a basis for optimizing rock blasting design and blasting charge optimization design but also provides a reliable guarantee for the safe and efficient mining of deep-seated ore deposits in Jiaojia Gold Mine.

Keywords：blasting vibration velocity;filling body;stability;vibration monitoring;blasting vibration