金屬礦山回采作業(yè)中爆破振動控制方案研究

張立中，趙海波，宋長波

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001；2.三門峽市公安局，河南 三門峽 472000）

爆破是金屬礦山礦產(chǎn)資源開采過程中的主要環(huán)節(jié)之一，在爆破工程中若操作不合理會造成劇烈的振動產(chǎn)生，而爆破振動又是導(dǎo)致礦山巖體損傷以及地質(zhì)災(zāi)害問題發(fā)生的主要因素，尤其是對于已經(jīng)存在破碎問題的巖體而言，爆破振動通常會造成巷道片幫結(jié)構(gòu)和頂板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌的問題，對金屬礦山開采中的回采作業(yè)造成嚴(yán)重的安全威脅[1]。因此，在金屬礦山回采作業(yè)施工初期以及整個施工的過程中，需要對爆破振動進(jìn)行實時監(jiān)測，并根據(jù)爆破振動程度選擇合適的控制方案，從而避免出現(xiàn)上述嚴(yán)重的安全事故問題?；诖?，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員對此開展了深入地研究。在當(dāng)前階段，金屬礦山回采作業(yè)中廣泛采用減振孔結(jié)構(gòu)、減振帶結(jié)構(gòu)等用以緩解爆破產(chǎn)生的振動。但在進(jìn)行地下施工作業(yè)過程中，最大的問題在于如何解決施工中存在的影響爆破振動幅度增加的隱蔽性因素。基于此，本文開展金屬礦山回采作業(yè)中爆破振動控制方案研究。

1 金屬礦山回采作業(yè)中爆破振動控制方案設(shè)計

1.1 引入空氣間隔裝藥技術(shù)

為了實現(xiàn)在金屬礦山回采作業(yè)中，對爆破振動現(xiàn)象的有效控制，本章引進(jìn)空氣間隔裝藥技術(shù)，通過對裝藥過程的間隔處理，達(dá)到一種對爆破過程中振動初步控制的目的。在此過程中，應(yīng)明確用于裝藥的炮孔是直接影響炸藥能量及其爆炸后爆破效果的結(jié)構(gòu)，同時，結(jié)構(gòu)中的邊孔結(jié)構(gòu)，還會在一定程度上對周邊礦房與采場礦場填充結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成干預(yù)[2]。為了確保對爆炸范圍的有效控制，并降低由于爆破行為導(dǎo)致的采礦體坍塌現(xiàn)象發(fā)生概率，應(yīng)當(dāng)及時采取有效的措施，進(jìn)行裝藥。

使用本章引進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行裝藥，可以降低初始化爆炸行為發(fā)生時的脈沖壓力、減少在發(fā)生爆炸行為時壓碎區(qū)域的能量損失問題，并在一定程度上提高能量在待爆破區(qū)域的延伸范圍，從而達(dá)到一種優(yōu)化爆破效果的目的。其中空氣間隔裝藥技術(shù)在實際應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)，可用下述圖1表示。

圖1 空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)

在上述圖1中，在結(jié)構(gòu)上增設(shè)一個邊孔可以降低由于爆炸行為引發(fā)的應(yīng)力波，避免在爆炸中出現(xiàn)鄰近結(jié)構(gòu)體受損的問題。同時，結(jié)構(gòu)中的側(cè)崩后排孔可以起到適當(dāng)延長爆炸時間的作用，當(dāng)爆生氣體出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象時，現(xiàn)場爆破人員應(yīng)當(dāng)及時撤退[3]。而此時延長的時間便是為現(xiàn)場作業(yè)人員預(yù)留的后撤時間，當(dāng)炸藥能量在氣孔內(nèi)積累短暫時間后，會積蓄大量的能量，當(dāng)其積蓄能量釋放后，采礦場的礦體便可以被完全破碎，確保能量利用率的同時，減少礦體在爆破過程中出現(xiàn)大塊體礦體。

1.2 爆破作業(yè)裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在完成裝藥技術(shù)的研究后，應(yīng)及時對爆破作業(yè)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理，此次研究可從邊幫與填充區(qū)域進(jìn)行控制，為了避免大直徑爆破對礦體填充區(qū)域造成影響，可進(jìn)行爆破結(jié)構(gòu)的貧化率計算，綜合多次統(tǒng)計與計算結(jié)果可知。

公式（1）中：A表示為貧化率；λ表示為地質(zhì)品位；β表示為圍巖品位。按照上述計算公式，進(jìn)行貧化率A的多次計算，達(dá)到當(dāng)A=0.4時，炸藥的爆破效果最優(yōu)，在此種條件下，不僅爆破后的礦體塊結(jié)構(gòu)較為均勻，同時也不會出現(xiàn)填充體失穩(wěn)或垮塌現(xiàn)象。為了進(jìn)一步確定爆破作業(yè)裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)，將當(dāng)前爆破作業(yè)當(dāng)中常見的物種邊孔裝藥結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，利用LSDYNA3D對五種不同邊孔裝藥結(jié)構(gòu)的爆破進(jìn)行模擬分析。通過對各個裝藥結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)振動速度峰值的最大值進(jìn)行記錄，以此作為反映各個裝藥結(jié)構(gòu)爆破最大破壞效應(yīng)的指標(biāo)。通過模擬分析得出，爆破作業(yè)裝藥最優(yōu)結(jié)構(gòu)應(yīng)為以一條藥卷為基礎(chǔ)，額外增加0.5m竹筒結(jié)構(gòu)。除此之外，最差的裝藥結(jié)構(gòu)為兩條藥卷結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，增加1m河砂的結(jié)構(gòu)。在實際進(jìn)行爆破作業(yè)的過程中，針對裝藥量均相同的裝藥結(jié)構(gòu)，其炸藥應(yīng)當(dāng)在炮孔長度方向上以均勻分布的方式布置。同時，根據(jù)爆破震動的速度峰值越小，則爆破產(chǎn)生的破壞效應(yīng)越小的原理可知，通過對爆破震動的速度峰值進(jìn)行控制可以有效降低爆破產(chǎn)生的破壞效應(yīng)，同時爆破振動的速度也會隨之降低。針對部分具備良好作業(yè)條件的金屬礦山回采作業(yè)而言，還可采用空氣間隔裝藥的方式作為爆破作業(yè)裝藥結(jié)構(gòu)。在實際實施過程中，這種裝藥結(jié)構(gòu)保證爆破振動速度峰值始終低于相同藥量下河砂間隔的裝藥結(jié)構(gòu)。同時，這種爆破作業(yè)裝藥結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)裝藥能量分布更加均勻，以此更好地實現(xiàn)對爆破振動的控制。

1.3 逐孔逐層精確起爆

在進(jìn)行爆破作業(yè)時，還可引入逐孔逐層精確起爆技術(shù)，結(jié)合高精度的毫秒導(dǎo)爆管雷管裝置，在每一個需要進(jìn)行爆破的炮孔上按照一定的時間和空間順序安裝一個毫秒導(dǎo)爆管雷管裝置并起爆。通過人工方式，為每層炸藥放置位置提供充足的自由面，以此達(dá)到減小爆破振動和降低爆破過程中破碎強(qiáng)度的目的。根據(jù)以往的爆破作業(yè)經(jīng)驗可知，空間和炮孔內(nèi)的連續(xù)延期時間上增加的動態(tài)自由面能夠有效提高炸藥在爆炸過程中的能量利用率，以此達(dá)到改善爆破效果，并實現(xiàn)對爆破振動控制的目的。

同時，在進(jìn)行逐孔逐層精確起爆時，由于在起爆前在炸藥的前方和側(cè)方位置的炸藥均已經(jīng)發(fā)生爆炸，并且每層炸藥都包含三個自由面。因此，通過上述方式能夠大大降低爆破所需拋散的能量。對于爆破時各個孔間和排間的微差時間應(yīng)當(dāng)充分利用，大大提高巖石破碎后產(chǎn)生的拋散能量，以此增加巖石在空中的碰撞次數(shù)，從而在實現(xiàn)對爆破振動控制的同時，改善爆破塊度。

2 應(yīng)用效果分析

按照本文上述論述內(nèi)容，針對金屬礦山回采作業(yè)中爆破振動問題，提出了新的控制方案，為了驗證該方案在真實金屬礦山回采作業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用效果。選擇將某正在進(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)作業(yè)的金屬礦山作為依托，結(jié)合該金屬礦山的具體作業(yè)環(huán)境，對其爆破作業(yè)中的振動進(jìn)行控制。結(jié)合金屬礦山回采作業(yè)的安全規(guī)程，在爆破時主振頻率應(yīng)當(dāng)在45Hz～110Hz范圍內(nèi)，針對周圍建筑物的穩(wěn)定性需要，其安全振動速度不得超過2.45cm/s。將上述要求作為標(biāo)準(zhǔn)，在引入本文提出的振動控制方案后，對其爆破振動速度進(jìn)行測量和計算。爆破振動速度的計算公式為：

公式（2）中，V表示為爆破振動速度；K表示為與地震波傳播區(qū)域范圍內(nèi)介質(zhì)性質(zhì)及距離相關(guān)系數(shù)；Q表示為爆破作業(yè)過程中的最大單響裝藥量；R表示為爆破時產(chǎn)生的振動危機(jī)周圍區(qū)域的半徑。根據(jù)上述公式，計算得出爆破的振動速度，并將得出的結(jié)果與上述金屬礦山回采作業(yè)安全規(guī)程要求的振動速度進(jìn)行對比，將得出的應(yīng)用實驗結(jié)果記錄如表1所示。

表1 控制方案應(yīng)用效果記錄表

從表1得出的結(jié)果可以看出，在本文振動控制方案下，各個測點(diǎn)在徑向方向、垂直方向和切向方向的振動速度均未超過金屬礦山回采作業(yè)安全規(guī)程規(guī)定的2.45cm/s，說明爆破振動均在安全范圍內(nèi)。因此，通過上述應(yīng)用實驗進(jìn)一步證明，本文提出的爆破振動控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)對爆破作業(yè)振動幅度和振動速度的有效控制，進(jìn)一步提高金屬礦山回采作業(yè)的安全性。

3 結(jié)語

通過本文上述論述，針對金屬礦山回采作業(yè)中的爆破振動這一安全影響因素開展對其控制方案的設(shè)計研究。從三個方面提出一種全新的控制方案，并通過應(yīng)用效果分析證明了該方案的可行性。由于當(dāng)前金屬礦山的地質(zhì)條件在發(fā)生不斷改變，因此爆破振動也會出現(xiàn)更多不同的變化特征，針對這一問題，在后續(xù)的研究中還將從多個方面對爆破振動進(jìn)行綜合分析，從而提出一種更符合金屬礦山回采作業(yè)安全要求的控制方案。除此之外，除爆破振動以外，在爆破過程中產(chǎn)生的噪聲也會在一定程度上影響到周圍居民以及施工作業(yè)人員，因此針對爆破噪聲問題的控制也是后續(xù)研究的主要方向。