黑岱溝露天煤礦拋擲爆破振動(dòng)規(guī)律研究

唐曉騫

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300）

對(duì)露天礦山大型拋擲爆破來(lái)說(shuō)，危害最大的是爆破引起的地震。爆破地震的主要危害在以下幾個(gè)方面：影響到邊坡的穩(wěn)定性、對(duì)周圍附近的建筑物的安全性產(chǎn)生影響。在工程實(shí)際應(yīng)用之中，人們經(jīng)常運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行相關(guān)爆破地震大小的計(jì)算，不過(guò)爆破地震波的影響因素很多，如：巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、爆破地震波傳播介質(zhì)、爆破方案等。爆破振動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)有2 個(gè)主要的目的：一是對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)的研究，二是對(duì)爆破振動(dòng)災(zāi)害的控制。對(duì)于爆破振動(dòng)規(guī)律的研究問(wèn)題，各國(guó)學(xué)者已經(jīng)取得了顯著的成果，在理論分析與經(jīng)驗(yàn)公式等角度展開(kāi)了大量的研究，得到了一系列的振動(dòng)強(qiáng)度衰減規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式[1-5]。

為了提高對(duì)衰減規(guī)律研究的精準(zhǔn)度，能夠更好的指導(dǎo)實(shí)際工程項(xiàng)目，在礦山工程中根據(jù)控制爆破地震的需要，很多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。周傳波[6]通過(guò)測(cè)定數(shù)據(jù)的回歸分析，得出了能描述該礦深孔爆破地震波衰減規(guī)律的表達(dá)式，為該礦預(yù)測(cè)生產(chǎn)爆破地震強(qiáng)度和采取降震、減震措施提供了理論依據(jù)；費(fèi)志超[7]根據(jù)工程實(shí)踐和實(shí)測(cè)得到的速度峰值，分析了相同地質(zhì)條件下不同爆破震動(dòng)峰值速度衰減公式的關(guān)聯(lián)，證明了在同一地區(qū)，應(yīng)用不同的衰減公式指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)和施工時(shí)，會(huì)有不同的結(jié)論；殷延軍[8]通過(guò)爆破震動(dòng)測(cè)試，研究爆破質(zhì)點(diǎn)峰值震速與主震頻率的關(guān)系，找出適合露天礦爆破安全允許的爆破藥量和安全距離，并指導(dǎo)生產(chǎn)爆破設(shè)計(jì)；鄭炳旭[9]對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)回歸分析，歸納出爆破地震頻率的總體規(guī)律。

1 工程概況

黑岱溝露天煤礦使用拋擲爆破技術(shù)在國(guó)內(nèi)數(shù)首家，自2007 年3 月，露天煤礦成功進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首次拋擲爆破，至今已成功實(shí)施了180 多次拋擲爆破，爆破的規(guī)模達(dá)到每次爆破量170 萬(wàn)m3，消耗炸藥為1 300 t，相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)在國(guó)內(nèi)首屈一指，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)拋擲爆破技術(shù)空白。拋擲炮區(qū)周圍的南側(cè)為空曠場(chǎng)地；北側(cè)為3#、4#破碎站橋涵；東側(cè)為空曠待開(kāi)采區(qū)，西側(cè)為煤炭開(kāi)采區(qū)，有各種生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)施。爆破周圍環(huán)境相對(duì)空曠；該區(qū)域?yàn)榍鹆晟絽^(qū)的地質(zhì)地貌，表層為10～40 m 的風(fēng)化土所覆蓋，風(fēng)化土以下是水平產(chǎn)狀厚層砂巖。

2 爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

考慮到地震波的主振頻率在200 以內(nèi)，并且要滿足GB 6722—2014 國(guó)家安全規(guī)程的要求，因此黑岱溝露天煤礦采用的是中科測(cè)控研發(fā)的便攜式智能爆破測(cè)振儀TC-4850，其相應(yīng)頻率為5～500 Hz，可以在現(xiàn)場(chǎng)直接設(shè)置觸發(fā)電平、記錄精度、采集持時(shí)等采集參數(shù)，并且可以通過(guò)儀器自帶的液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示出振動(dòng)波形、峰值振速、振動(dòng)頻率等參數(shù)。因此可以滿足黑岱溝露天煤礦的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。TC-4850 爆破測(cè)振儀工作原理如圖1。

圖1 爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)工作原理

3 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

主要針對(duì)2018 年南區(qū)第5 次和第6 次拋擲爆破，孔深46～51 m，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，主要采用現(xiàn)場(chǎng)混裝銨油炸藥?？拙酁?2 m，排間距為6～7 m，因?yàn)槊恳淮伪频目偙慷疾煌?，所以每一次爆破孔?shù)并不是都相同，而是根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，爆破設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，采用逐孔起爆技術(shù)，孔間延期時(shí)間為9 ms，排間延期時(shí)間由前排往后依次為330、330、280、280、220、220、220、220、220、180、180 ms。

表1 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

4 黑岱溝露天礦振動(dòng)規(guī)律

4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案和振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

為記錄爆破振動(dòng)的全部歷程，達(dá)到監(jiān)測(cè)目的，按照測(cè)點(diǎn)布置原則，根據(jù)爆破的特點(diǎn)及爆區(qū)實(shí)際地質(zhì)地形條件確定爆破地震測(cè)試方案如下：

1）在爆區(qū)北側(cè)布置1 號(hào)側(cè)線，并且保證測(cè)點(diǎn)在同一臺(tái)階上，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1#、2#、3#、4#。

2）為了分析在有預(yù)裂縫的前提下，爆區(qū)的震動(dòng)對(duì)正后方的震動(dòng)傳播規(guī)律，在爆區(qū)正后方布置2 號(hào)測(cè)線，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為5#、6#、7#、8#。

3）為了監(jiān)測(cè)爆區(qū)南側(cè)爆破地震波傳播規(guī)律布置3 號(hào)測(cè)線，從而為處在爆區(qū)南側(cè)的邊坡穩(wěn)定性作出判斷，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為9#、10#、11#、12#。

通過(guò)專業(yè)的數(shù)據(jù)軟件處理，可以將時(shí)間振動(dòng)數(shù)據(jù)以曲線的形式展示，拋擲爆破振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

4.2 爆破振動(dòng)規(guī)律

經(jīng)過(guò)對(duì)表2 中振動(dòng)數(shù)據(jù)的整理匯總和處理，按薩達(dá)夫斯基速度公式，擬合計(jì)算出3 條測(cè)線上各個(gè)方向上的振速隨比例距離的回歸曲線及衰減公式。

1 號(hào)測(cè)線、2 號(hào)測(cè)線、3 號(hào)測(cè)線方向振動(dòng)速度衰減擬合回歸曲線對(duì)比圖如圖2～圖4。

1 號(hào)測(cè)線水平徑向振動(dòng)速度Vx傳播規(guī)律為：

1 號(hào)測(cè)線水平切向振動(dòng)速度Vy傳播規(guī)律為：

1 號(hào)測(cè)線垂向振動(dòng)速度Vz傳播規(guī)律為：

2 號(hào)測(cè)線水平徑向振動(dòng)速度Vx傳播規(guī)律為：

表2 拋擲爆破振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 1 號(hào)測(cè)線3 方向振動(dòng)速度衰減擬合回歸曲線對(duì)比圖

2 號(hào)測(cè)線水平切向振動(dòng)速度Vy傳播規(guī)律為：

2 號(hào)測(cè)線垂向振動(dòng)速度Vz傳播規(guī)律為：

圖3 2 號(hào)測(cè)線3 方向振動(dòng)速度衰減擬合回歸曲線對(duì)比圖

3 號(hào)測(cè)線水平徑向振動(dòng)速度Vx傳播規(guī)律為：

3 號(hào)測(cè)線水平切向振動(dòng)速度Vy傳播規(guī)律為：

3 號(hào)測(cè)線垂向振動(dòng)速度Vz傳播規(guī)律為：

圖4 3 號(hào)測(cè)線3 方向振動(dòng)速度衰減擬合回歸曲線對(duì)比圖

上述3 個(gè)測(cè)線所回歸的規(guī)律，相關(guān)系數(shù)r 均在90%以上。

為對(duì)比分析不同爆破場(chǎng)地條件及地震波在不同方向上的傳播規(guī)律，列出3 條測(cè)線薩道夫斯基公式中的K，α 值，3 個(gè)方向測(cè)線3 分量振速衰減回歸K值見(jiàn)表3，3 個(gè)方向測(cè)線3 分量振速衰減回歸α 值見(jiàn)表4。

表3 3 個(gè)方向測(cè)線3 分量振速衰減回歸K 值

表4 3 個(gè)方向測(cè)線3 分量振速衰減回歸α 值

對(duì)于同1 條測(cè)線的3 方向振速而言，垂直方向的K 值明顯高于水平徑向與水平切向的K 值，這表明3 分量振速中垂直方向上的振速最大。

對(duì)于3 個(gè)不同的測(cè)線方向而言，2 號(hào)測(cè)線所擬合參數(shù)值的絕對(duì)值明顯低于1 號(hào)測(cè)線和3 號(hào)測(cè)線所擬合得到α 值的絕對(duì)值，這表明爆源后側(cè)的振速的衰減速度要大于爆源兩側(cè)的地震波的衰減速度，說(shuō)明爆破振動(dòng)波穿過(guò)預(yù)裂爆破帶振動(dòng)強(qiáng)度減小明顯，預(yù)裂爆破帶起到了重要的減震作用。

4.3 爆破振動(dòng)主頻分析

根據(jù)表2 爆破振動(dòng)主振頻率的規(guī)律可知，水平徑向爆破振動(dòng)峰值振速比較大，主振頻率相對(duì)較小，因此本節(jié)有必要對(duì)3 條測(cè)線上測(cè)點(diǎn)的水平徑向爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。

根據(jù)地震波在黏彈性介質(zhì)中的傳播理論，孟海利[10]通過(guò)量綱理論推導(dǎo)得到爆破振動(dòng)主頻率可以表示為：

式中：f 為主振頻率，Hz；Q 為總裝藥量，kg；R 為爆心距，m；a1、a2為待定常數(shù)。

為了能夠采用最小二乘法對(duì)公式進(jìn)行線性回歸，令：

利用式（1）對(duì)3 條測(cè)線所測(cè)振動(dòng)主頻進(jìn)行非線性回歸分析，鑒于振動(dòng)3 方向所獲取的主頻衰減規(guī)律相類似，僅從水平徑向方面研究主頻衰減規(guī)律。

1 號(hào)測(cè)線水平徑向的主振頻率衰減規(guī)律為：

同樣獲得2 號(hào)、3 號(hào)測(cè)線水平徑向的主振頻率衰減規(guī)律為：

經(jīng)過(guò)分析得出當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離爆源比較近的時(shí)候，3個(gè)方向的主振頻率差距比較大，其中z 向頻率最大，x 向頻率和y 向頻率數(shù)值比較接近；隨著測(cè)點(diǎn)與爆源距離變大，3 個(gè)方向的主振頻率趨于相同。

對(duì)于同一條測(cè)線上的數(shù)據(jù)，隨著測(cè)點(diǎn)距離爆源的距離增大，各個(gè)方向的主振頻率有減小的趨勢(shì)。

振動(dòng)主頻分析：黑岱溝露天煤礦爆破振動(dòng)的主頻在3～30 Hz，在振動(dòng)主頻的衰減趨勢(shì)上，隨著爆心距的增大，主震頻率有衰減的趨勢(shì)。

由3 條測(cè)線振動(dòng)主頻與藥量、距離的關(guān)系得出隨著單段藥量增加，拋擲爆破振動(dòng)的主振頻率有往低頻發(fā)展的趨勢(shì)，由于爆區(qū)附近建筑物主頻較低，因此在爆區(qū)距離建筑較近時(shí)應(yīng)采取措施，避免爆破主頻與建筑物主頻相近，如可采取減少單段起爆藥量等方式。

5 結(jié)語(yǔ)

1）黑岱溝露天煤礦爆破時(shí)，質(zhì)點(diǎn)3 方向的峰值振速有如下規(guī)律：水平徑向X 方向的振速比水平切向Y 方向與垂直方向Z 方向的振速大。且3 方向峰值振速和爆心距成反比，和單段最大藥量成正比。

2）根據(jù)薩道夫公式對(duì)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)擬合回歸，得到3 條測(cè)線爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)公式。

3）黑岱溝露天煤礦南區(qū)爆破振動(dòng)主頻在3～30 Hz，在振動(dòng)主頻的衰減趨勢(shì)上，隨著爆心距的增大，主震頻率有衰減的趨勢(shì)，并得到爆破振動(dòng)水平方向主振頻率預(yù)測(cè)公式。