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      正交試驗(yàn)法在深孔爆破振動(dòng)優(yōu)化中的應(yīng)用

      2020-01-04 01:32:36陳宏濤程貴海蒙海霖曾朝偉李昂昂朱棟梁
      工程爆破 2019年6期
      關(guān)鍵詞:單段藥包藥量

      陳宏濤,程貴海,蒙海霖,曾朝偉,李昂昂,朱棟梁

      (廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院,南寧 530004)

      在深孔爆破施工中,不可避免的會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生影響,例如:爆破飛石、爆破振動(dòng)、爆破產(chǎn)生的有害氣體和煙塵等??變?nèi)的炸藥除了將能量作用在周?chē)膸r土之外,剩余的能量會(huì)以振動(dòng)波的形式向外部釋放,當(dāng)振動(dòng)波足夠大或者與其他炮孔產(chǎn)生的振動(dòng)波相互疊加,將會(huì)嚴(yán)重影響附近的居民樓或者重要建筑的結(jié)構(gòu)安全[1]。廣西某水利樞紐二線船閘工程位于柳州市柳江縣紅花村附近,該工程爆破最近地點(diǎn)距離當(dāng)?shù)孛穹坎蛔惆倜?。由于工程量大,時(shí)間緊迫,只有采取每日爆破的方式才能完成任務(wù),因此爆破產(chǎn)生的振動(dòng)使得當(dāng)?shù)鼐用駬?dān)心房屋的安全,影響到施工單位與當(dāng)?shù)卮迕竦年P(guān)系。如何優(yōu)化與振動(dòng)相關(guān)的爆破參數(shù)進(jìn)而降低爆破振動(dòng)效益成為該工程亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。

      國(guó)內(nèi)許多學(xué)者利用正交試驗(yàn)[2]進(jìn)行爆破參數(shù)的優(yōu)化分析,吳帥峰等[3]通過(guò)正交試驗(yàn)來(lái)確定在爆破振動(dòng)的作用下,混凝土齡期、振動(dòng)速度、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間和振動(dòng)頻率對(duì)于新澆筑的混凝土強(qiáng)度的影響。向云武等[4]利用正交試驗(yàn)進(jìn)行深孔回采爆破設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的研究與分析之后,得出孔徑為57 mm,炮孔密集系數(shù)為1.25,孔底起爆的爆破方案,取得了良好的效果。饒運(yùn)章等[5]為改善礦山勞動(dòng)強(qiáng)度、生產(chǎn)效率以及安全條件等,通過(guò)正交試驗(yàn)分析抵抗線、孔排距、填塞長(zhǎng)度3個(gè)因素的最優(yōu)解,從而降低了爆破大塊率,改善了爆破效果。李杰等[6]通過(guò)正交試驗(yàn)定量分析孔距、抵抗線、超深、起爆位置對(duì)露天爆破作業(yè)經(jīng)濟(jì)成本的影響,以某路基工程爆破為實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證,最終確定了最優(yōu)方案。蘇靜等[7]利用正交試驗(yàn)法分析了不同爆破參數(shù)下的大塊率、粉礦率的影響因素,最后取得了良好的效果。

      在本次工程爆破中,為了降低爆破振動(dòng)以及減弱對(duì)臨近建筑物的影響,采取正交試驗(yàn)法對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究,找出最大單段藥量、排間延時(shí)、炮孔密集系數(shù)和起爆藥包位置的最佳組合。研究所取得的降低爆破振動(dòng)大小的成果,對(duì)該工程后續(xù)的爆破振動(dòng)控制具有參考作用。

      1 地質(zhì)概況

      工程區(qū)位于新華夏系構(gòu)造體系的穿山向斜、穿山斷裂和長(zhǎng)沙背斜、呈村斷裂之間,主構(gòu)造方向?yàn)楸睎|10°至30°,是本區(qū)占主導(dǎo)地位的構(gòu)造形跡,也是新華夏系體系中的第Ⅲ、Ⅳ序的第一級(jí)構(gòu)造,壩址區(qū)發(fā)育了一組相互平行的擠壓斷層帶,呈北東和北西方向雁行排列,伴生一組北西向發(fā)育的扭裂帶,形成“多”字型扭動(dòng)構(gòu)造的格局。壩址巖層產(chǎn)狀走向基本平行壩軸線,約北東20°至40°,傾向北西或南東,傾角變化大。

      根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪、鉆孔巖芯及鉆孔電視錄像顯示,船閘區(qū)節(jié)理裂隙主要發(fā)育4組:①北西290°/南西或北東∠30°至60°,延伸3~5 m,渲染泥質(zhì)薄膜,局部有炭質(zhì),方解石脈等物質(zhì)充填,與船閘區(qū)層間褶皺發(fā)育形成張性裂隙發(fā)育有關(guān);②北西325°/北東或南西∠60°,傾角以陡傾為主,裂面多閉合或微張,局部有炭質(zhì),方解石脈等物質(zhì)充填;③北東60°/南東∠15°至45°,延伸短小,一般小于3 m,閉合或微張,起伏粗糙為主;④節(jié)理為順層節(jié)理,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪未統(tǒng)計(jì),但前期壩址勘察時(shí)統(tǒng)計(jì)為走向北東5°至15°,傾向北西或南東,傾角較陡,一般均大于45°,裂隙多閉合,較平直,無(wú)充填,延伸長(zhǎng)度大多在5 m以內(nèi),少數(shù)達(dá)十余米。

      2 影響爆破振動(dòng)大小的因素

      影響爆破振動(dòng)大小的因素有很多,根據(jù)汪旭光編著的《爆破設(shè)計(jì)與施工》[1]以及一些學(xué)者和施工人員的研究、現(xiàn)場(chǎng)結(jié)論,有以下幾個(gè)因素。

      1)孔距、排距。合理的孔、排距,能夠保證炸藥能量不會(huì)集中在一處釋放,使炸藥均勻的將能量釋放在被爆巖體中,從而避免集中瞬時(shí)爆炸產(chǎn)生巨大的振動(dòng)。一般工程要求炮孔密集系數(shù)大于1。

      2)最大單段藥量。爆破振動(dòng)大小的主要影響因素之一是單段最大起爆藥量。李斌等[8]通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析法得出最大單段藥量是影響淺埋隧道穩(wěn)定性的首要因素。一次爆破振動(dòng)的峰值大小往往取決于單段最大藥量,近幾年興起的毫秒延時(shí)爆破就是嚴(yán)格控制了單段的最大藥量,將一次起爆藥量分為間隔幾十毫秒的多段起爆藥量,減少了單段的最大藥量,從而減小了爆破振動(dòng)效應(yīng)。

      3)延時(shí)時(shí)間間隔。多段毫秒延時(shí)起爆在段與段之間存在起爆時(shí)間間隔,目的是為了讓先爆炮孔與后爆炮孔所產(chǎn)生的振動(dòng)波的峰值錯(cuò)開(kāi)而不能疊加,進(jìn)而使得部分振動(dòng)波能量發(fā)生干涉從而抵消,達(dá)到削弱爆破振動(dòng)能量的目的。我國(guó)的一些爆破工程實(shí)踐表明:采用多段毫秒延時(shí)起爆相比齊發(fā)爆破起爆的平均減振率達(dá)到了50%。

      延時(shí)時(shí)間除了孔間延時(shí),還有排間延時(shí)。在相同總爆破藥量和傳播介質(zhì)條件下,排間延時(shí)越大,爆破振動(dòng)峰值越小,但是減振效率并不是隨著排間延時(shí)的增大而增加,一般延時(shí)時(shí)間大于2 s后,爆破振動(dòng)峰值速度降低得不明顯,相反爆破效果還會(huì)受到影響。

      4)起爆藥包位置。雖然起爆藥包位置對(duì)于爆破振動(dòng)的影響在國(guó)內(nèi)研究不算太多,但結(jié)合龔敏等[9]對(duì)延長(zhǎng)藥包不同位置的起爆力場(chǎng)研究以及張丹[10]在起爆藥包空間分布對(duì)爆破地震強(qiáng)度分布的特征研究,以及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)可知,起爆藥包位置的不同,也會(huì)影響到爆破振動(dòng)峰值的大小。

      3 爆破參數(shù)正交試驗(yàn)

      3.1 因素選擇

      結(jié)合廣西某水電站航道5~6 m深孔爆破實(shí)際情況,且保證試驗(yàn)的公平性,4個(gè)因素選擇為最大單段藥量、排間延時(shí)、炮孔密集系數(shù)、起爆藥包位置。因現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境復(fù)雜,該工程每日爆破任務(wù)規(guī)定了最大單段起爆藥量不超過(guò)33 kg,且為了取得較好的爆破效果,不能低于15 kg。排間延時(shí)水平取值根據(jù)張勤彬[11]的研究成果,通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析,提出了排間延時(shí)時(shí)間間隔為0、0.5、1、1.5 s,以減小爆破峰值大小。炮孔密集系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[1]的理論與該工程的實(shí)際情況,選取了0.85、1、1.15以及1.3。起爆位置取值依次從孔口至孔底,均分整個(gè)炮孔,每段長(zhǎng)1/3,避免因長(zhǎng)度不均而引起誤差。選取離爆破施工現(xiàn)場(chǎng)最近的民房為中心點(diǎn),在距離該民房100~110 m范圍內(nèi),且試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)土地介質(zhì)系數(shù)大致相同、同一高程的情況下進(jìn)行正交爆破試驗(yàn)。最大單段藥量單位為kg,正交代號(hào)為A,;排間延時(shí)單位為s,正交代號(hào)為B;炮孔密集系數(shù)正交代號(hào)為C,無(wú)單位;起爆藥包位置用起爆藥包距孔底的距離與整個(gè)炮孔長(zhǎng)度的比例(孔底為0,孔頂為1)表示,正交代號(hào)為D。為了讓數(shù)據(jù)有充分的科學(xué)代表性,4個(gè)因素均取4個(gè)水平(見(jiàn)表1)。

      表1 各爆破參數(shù)正交試驗(yàn)因素水平

      3.2 考核指標(biāo)

      一般深孔爆破會(huì)產(chǎn)生爆破飛石、爆破有害氣體和爆破振動(dòng)等危害,在本工程中,由于爆破現(xiàn)場(chǎng)距最近民房的距離過(guò)近,爆破振動(dòng)是最主要的爆破危害,由反向起爆引起的爆破飛石因炮孔上方有覆蓋物防護(hù),故不考慮其影響。所以試驗(yàn)采用爆破振動(dòng)速度峰值大小作為考核指標(biāo)。爆破振動(dòng)測(cè)試采用中科測(cè)控TC-4850爆破振動(dòng)測(cè)試儀,測(cè)點(diǎn)布置安裝在中心點(diǎn)民房地基上,具體儀器及現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。

      圖1 儀器及現(xiàn)場(chǎng)情況Fig.1 Instrument and site situation

      3.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

      正交試驗(yàn)結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理可以最大限度的減少試驗(yàn)次數(shù),并且可以考慮盡可能多的因素,從而找到最佳的試驗(yàn)參數(shù)方案。因此,本次試驗(yàn)考察4種因素對(duì)爆破振動(dòng)大小的影響效果,每種因素取4個(gè)水平,因?yàn)椴贿M(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn),故加入一列空白列作為誤差項(xiàng),代號(hào)為E,適宜選用L16(45)正交表[12]進(jìn)行試驗(yàn)。

      現(xiàn)場(chǎng)利用電子數(shù)碼雷管進(jìn)行網(wǎng)路連接,因電子數(shù)碼雷管具有延時(shí)精度高,分段準(zhǔn)確等特點(diǎn),故有利于減少有關(guān)試驗(yàn)誤差,按照此方案利用TC-4850爆破振動(dòng)測(cè)試儀監(jiān)測(cè)、采集各水平指標(biāo)的振動(dòng)大小,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

      表2 各爆破參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

      1)極差分析。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析。對(duì)各因素水平計(jì)算得到其總和K1、K2、K3、K4及其均值k1、k2、k3、k4。之后再計(jì)算極差R,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

      表3 極差分析

      正交試驗(yàn)中,因素的極差值越大,表明其對(duì)試驗(yàn)的影響程度越高,反之則越低。從表3可知,最大單段藥量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大,其次是排間延時(shí)大小,接著為起爆藥包位置,相對(duì)于該工程的其他影響因素,炮孔密集系數(shù)的影響最小。

      2)顯著性方差分析。對(duì)爆破試驗(yàn)所得的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,得到顯著性檢驗(yàn)方差分析數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4)。

      表4 爆破振動(dòng)顯著性檢驗(yàn)方差分析

      注:*為顯著,-為不顯著,/為無(wú)此項(xiàng),F(xiàn)為離差均方與誤差均方的比值。

      在極差分析中,極差值越大,表明因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越大,顯著性方差分析中,當(dāng)F比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于F臨界值,則認(rèn)為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越大。從表3~表4可知,影響因素最大的是最大單段藥量,第二為排間延時(shí),第三為起爆藥包位置,炮孔密集系數(shù)F比值沒(méi)有超過(guò)F臨界值,且極差值也最小,故為不重要的影響因素。

      4 爆破最優(yōu)參數(shù)選擇及效果

      4.1 最優(yōu)參數(shù)選擇

      根據(jù)極差分析表,將每個(gè)因素的振動(dòng)速度均值作為縱坐標(biāo),各因素水平作為橫坐標(biāo),繪制因素-指標(biāo)直方圖(見(jiàn)圖2)。

      注:橫坐標(biāo)為各因素水平及其正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)值。圖2 因素-指標(biāo)Fig.2 Factor-indicator

      從圖2可以看出,要想降低爆破振動(dòng)峰值速度大小,則應(yīng)取最優(yōu)的爆破參數(shù),即:最大單段藥量為15 kg,排間延時(shí)為1.5 s,炮孔密集系數(shù)為0.85,起爆藥包位置為孔底。在保證施工進(jìn)度的前提下,最大單段藥量越小越好。

      4.2 效果分析

      為了驗(yàn)證正交試驗(yàn)法得到的最優(yōu)的爆破參數(shù),在距離爆源中心110 m的另一座民房地基上進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集,結(jié)果是相比于優(yōu)化前,爆破振動(dòng)峰值得到了明顯的降低和控制。具體優(yōu)化前后的爆破參數(shù)及振動(dòng)峰值數(shù)據(jù)如表5所示。

      表5 優(yōu)化前后爆破參數(shù)與振速對(duì)比

      優(yōu)化前爆破振動(dòng)大小與優(yōu)化后爆破振動(dòng)大小的差值比上優(yōu)化前爆破振動(dòng)大小稱(chēng)為降低率[13],具體降振率公式為

      (1)

      所以本次優(yōu)化前后降振率為

      通過(guò)降振率可知,優(yōu)化后的爆破振動(dòng)相對(duì)于優(yōu)化前的爆破振動(dòng)減小了25.87%,降振效果較為明顯,取得了良好的試驗(yàn)效果。

      但是隨著后期觀察爆破效果時(shí)發(fā)現(xiàn),排間延時(shí)時(shí)間為1.5 s的爆破大塊率較高,增加了后期破碎巖石的成本,而排間延時(shí)時(shí)間為1.0 s時(shí)爆破效果較好,成本得到控制。故將上述最優(yōu)爆破參數(shù)中的排間延時(shí)時(shí)間改為1.0 s進(jìn)行爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)采集,即最大單段藥量為15 kg,排間延時(shí)為1.0 s,炮孔密集系數(shù)為0.85,起爆藥包位置為孔底的爆破參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),爆破振動(dòng)為5.216 mm/s,減振率為23.10%,相比于排間延時(shí)時(shí)間為1.5 s的減振率小2.77%。

      5 結(jié)語(yǔ)

      1)利用正交試驗(yàn)法進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化,能有效地減少試驗(yàn)次數(shù),減少工作量,縮短試驗(yàn)周期,還能保證數(shù)據(jù)的均衡性,并能得出較優(yōu)的爆破參數(shù)。

      2)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表增加空白列,能排除試驗(yàn)結(jié)果是因?yàn)檎`差而引起的可能,使試驗(yàn)結(jié)果更加科學(xué)合理,可靠度更高。

      3)極差分析法僅僅只是從直觀角度判斷因素的影響程度大小,運(yùn)用顯著性方差分析能夠更加科學(xué)的判斷因素是否對(duì)試驗(yàn)有顯著性影響。

      4)考慮爆破振動(dòng)波的干涉疊加效應(yīng),采用1.5 s大段間延時(shí)時(shí)間所產(chǎn)生爆破振動(dòng)效應(yīng)最小,降振率為25.87 %,但此時(shí)爆破效果較差。而選用排間延時(shí)為1.0 s,其他爆破參數(shù)不變的情況下,減振率為23.10%,減振率僅比排間延時(shí)為1.5 s時(shí)的減振率小2.77 %。結(jié)合爆破效果和成本控制來(lái)看,1.0 s大段間延期時(shí)間所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)效應(yīng)及爆破效果均能滿足要求,故取1.0 s為大段間延時(shí)時(shí)間。

      5)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,結(jié)合爆破效果和成本,爆破參數(shù)最后選取為:最大單段藥量15 kg,排間延時(shí)為1.0 s,炮孔密集系數(shù)為0.85,起爆藥包位置為孔底起爆。

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