陳慶凱 孫運(yùn)峰 李桂臣 雷 高 賈建軍 秦志輝

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819；2.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司,遼寧 鞍山 114046)

何家采區(qū)爆破振動(dòng)波傳播規(guī)律的研究

陳慶凱1孫運(yùn)峰1李桂臣1雷 高1賈建軍2秦志輝2

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819；2.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司,遼寧 鞍山 114046)

爆破振動(dòng)是爆破的三大危害之一，它能使爆區(qū)周圍的工業(yè)建筑和民房受損，形成嚴(yán)重的爆破危害。為了研究弓長(zhǎng)嶺露天鐵礦何家采區(qū)生產(chǎn)爆破所產(chǎn)生的振動(dòng)波傳播規(guī)律和對(duì)周邊環(huán)境的影響程度，控制爆破振動(dòng)負(fù)面效應(yīng)，對(duì)其生產(chǎn)爆破在爆區(qū)與其附近的何家村之間采用定點(diǎn)觀測(cè)的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了爆破地震波形數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了爆破地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、頻率和持續(xù)時(shí)間等特征參數(shù)。分析結(jié)果表明，采區(qū)生產(chǎn)爆破時(shí)產(chǎn)生的爆破地震效應(yīng)較弱，因此，生產(chǎn)爆破所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)對(duì)何家采區(qū)周圍的居民房屋危害不大。同時(shí)，利用最小二乘法對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得出了質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式，為確定礦山不同爆區(qū)生產(chǎn)爆破的最大同段藥量和預(yù)測(cè)、控制爆破振動(dòng)強(qiáng)度提供了參考。

爆破振動(dòng) 傳播規(guī)律 最小二乘法 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

礦山生產(chǎn)爆破必然會(huì)產(chǎn)生爆破振動(dòng)，對(duì)周邊環(huán)境造成一定的影響，其對(duì)周邊環(huán)境的影響程度有多大以及如何降低爆破振動(dòng)產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)己成為研究人員和工程人員特別關(guān)注的問題之一[1-3]。研究爆破振動(dòng)波傳播規(guī)律既是使爆破振動(dòng)負(fù)面效應(yīng)得到有效控制的前提和基礎(chǔ)，又為降低爆破振動(dòng)危害提供了依據(jù)[4]。鑒于弓長(zhǎng)嶺露天鐵礦何家采區(qū)周圍居民反應(yīng)礦山在生產(chǎn)爆破過程中對(duì)其房屋造成了影響，為研究其影響程度，控制爆破振動(dòng)負(fù)面效應(yīng)，在爆區(qū)附近通過定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式擬合出了振動(dòng)衰減規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)和控制。

1 采區(qū)概況

弓長(zhǎng)嶺露天鐵礦何家采區(qū)是鞍鋼集團(tuán)弓長(zhǎng)嶺礦業(yè)公司主要采區(qū)之一，設(shè)計(jì)鐵礦石生產(chǎn)能力400萬t/a，其中貧磁鐵礦300萬t/a。經(jīng)過多年的連續(xù)開采，已由原來的山坡露天開采轉(zhuǎn)入深凹露天開采。目前正在開采128 m水平和116 m水平，封閉圈標(biāo)高212 m。何家采區(qū)礦體節(jié)理裂隙發(fā)育，堅(jiān)固性系數(shù)f=13，采用中深孔爆破，炮孔直徑250 mm，填塞長(zhǎng)度6.5 m，耦合連續(xù)裝藥，炸藥類型為乳化銨油炸藥(乳化∶銨油=2∶1)。

2 測(cè)試系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)方案

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

爆破地震測(cè)試系統(tǒng)選用加拿大Instantel公司生產(chǎn)的MiniMate Plus爆破地震儀，每臺(tái)MiniMate Plus爆破地震儀可以連接2個(gè)三向(橫向、垂向、軸向)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)速度傳感器。MiniMate Plus爆破地震儀測(cè)試的爆破地震振動(dòng)速度范圍為0～254 mm/s，頻率范圍為2～250 Hz。當(dāng)采樣速率為2 048次/s時(shí)，可以連續(xù)記錄26 s爆破振動(dòng)事件。

2.2 測(cè)試方案

何家村位于采區(qū)的東北方向，在何家村與采區(qū)之間的觀測(cè)臺(tái)和采礦車間附近布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)。受測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)條件限制，6個(gè)測(cè)點(diǎn)沒有完全在1條直線上，但方向基本趨于一致。共分5次對(duì)5個(gè)爆區(qū)分別進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試，5個(gè)爆區(qū)的爆破參數(shù)詳見表1。測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)的位置關(guān)系如圖1所示。在圖1中，爆區(qū)標(biāo)記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)記為①、②、③、④、⑤、⑥。

表1 爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters

圖1 爆區(qū)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置Fig.1 The locations of Blasting area and monitoring points

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試結(jié)果

爆破振動(dòng)測(cè)試共進(jìn)行了5次，每次測(cè)試選擇的爆區(qū)均為礦山生產(chǎn)爆破對(duì)周圍村民住宅影響較嚴(yán)重的位置，獲得了21個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，其中爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度列于表2，爆破振動(dòng)頻率與持續(xù)時(shí)間列于表3。

3.2 數(shù)據(jù)分析

大量的理論研究和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在爆破地震作用下，建筑物的破壞不僅取決于地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，而且和振動(dòng)頻率、持續(xù)時(shí)間及建筑物的固有特性密切相關(guān)[5]。在相同振動(dòng)強(qiáng)度條件下，頻率越低，破壞能量就越大。同時(shí)，建筑物的自振頻率很低，一般在幾赫茲左右，頻率低更容易與建筑物形成共振，形成更大的破壞作用。爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，對(duì)建(構(gòu))筑物的影響程度也不盡相同，在同樣振動(dòng)強(qiáng)度作用下，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，其破壞力就越大。所以在評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物的危害時(shí)，除用振動(dòng)強(qiáng)度和主振頻率作為破壞判據(jù)外，還應(yīng)考慮爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間對(duì)建(構(gòu))筑物的累積破壞作用[6]。

表2 爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度Table 2 Blasting vibration particle velocity

表3 爆破振動(dòng)頻率與持續(xù)時(shí)間Table 3 Blasting vibration frequency and duration time

從表2中的測(cè)試結(jié)果可知，生產(chǎn)爆破引起位于采場(chǎng)邊緣的觀測(cè)臺(tái)上的爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度最大，其值為11.3 mm/s；采礦車間院內(nèi)僅1次達(dá)到5.48 mm/s，其余均低于5.0 mm/s，而周圍村民住宅在⑥號(hào)測(cè)點(diǎn)以東80 m以外，由此可以判定居民住宅的爆破振動(dòng)強(qiáng)度低于5.0 mm/s。由于居民房屋多為平房，由表3和表4可知，其允許的最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度值在0.5～1.2 cm/s之間。同時(shí)，何家采區(qū)爆破地震持續(xù)時(shí)間較短，不到2 s，其中掘溝爆破地震持續(xù)時(shí)間只有一個(gè)超過1 s，其值僅為1.2 s。通過綜合考慮爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度、爆破振動(dòng)頻率和爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間三方面因素，可知爆破地震對(duì)周圍居民房屋的危害不大。

表4 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)(GB6722—2003)[7]Table 4 Blasting vibration safe and permitted standard (GB6722-2003)

3.3 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度公式的回歸

爆破是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，很難對(duì)其進(jìn)行定量的研究，以往的工程人員根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與藥量之間的關(guān)系提出不同的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，我國主要采用M.A.薩道夫斯基公式[7]：

(1)

式中，v為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大值，cm/s；Q為裝藥量，kg。齊發(fā)爆破時(shí)為總裝藥量，微差爆破時(shí)為最大同段裝藥量；R為爆心距即監(jiān)測(cè)點(diǎn)至爆源中心的距離，m；K為與爆破場(chǎng)地條件有關(guān)的系數(shù)；α為與傳播介質(zhì)有關(guān)的地震波衰減系數(shù)。

1966年，美國礦業(yè)局J.R.Devine在對(duì)20個(gè)采石場(chǎng)和建設(shè)工地的爆破振動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，提出了柱狀裝藥結(jié)構(gòu)[8]振動(dòng)速度與藥量之間的關(guān)系表達(dá)式：

(2)

公式(1)和(2)中系數(shù)K、α值可通過大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用最小二乘法進(jìn)行回歸得到。常用值列于表5。

表5 不同巖石性質(zhì)的K、α值Table 5 Different rock properties of K、α value

露天深孔爆破時(shí)采用的是柱狀裝藥，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度采用公式(2)回歸更合理。將所測(cè)得的數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行回歸，可得到質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度公式如下：

(3)

3.4 最大同段裝藥量的確定

何家采區(qū)周圍村民房屋離最近1個(gè)爆區(qū)的距離為513 m，為保證村民房屋的安全，允許的爆破最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為0.5 cm/s，將其代入(3)式得Q=881 kg，即最近一個(gè)爆區(qū)允許的最大同段裝藥量為881 kg。

4 結(jié) 論

(1)爆破地震強(qiáng)度低。礦山生產(chǎn)爆破產(chǎn)生的爆破地震效應(yīng)較弱，5次監(jiān)測(cè)僅1個(gè)測(cè)試結(jié)果為v=1.13 cm/s，其余均小于該值，而該結(jié)果是在采場(chǎng)封閉圈邊緣觀測(cè)臺(tái)上測(cè)得，其生產(chǎn)爆破為掘溝爆破；采礦車間院內(nèi)的測(cè)試結(jié)果僅一個(gè)測(cè)點(diǎn)為v=0.55 cm/s，其余均低于v=0.5 cm/s，由于采場(chǎng)周邊居民房屋距爆區(qū)的距離均遠(yuǎn)于采礦車間，故可以判定居民住宅處的爆破地震強(qiáng)度不會(huì)超過采礦車間院內(nèi)的爆破地震強(qiáng)度。

(2)爆破地震頻率高。主振頻率在6.7～19.3 Hz之間，其中10～19.3 Hz的占84.2% 。

(3)爆破地震持續(xù)時(shí)間短。掘溝爆破地震持續(xù)時(shí)間在0.34～1.2 s之間，多數(shù)不超過1 s；臺(tái)階爆破地震持續(xù)時(shí)間較掘溝爆破稍長(zhǎng)些，在0.89～1.7 s之間。

(4)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度公式。采用最小二乘法回歸出的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度公式，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)爆破設(shè)計(jì)，確定不同爆區(qū)的最大同段藥量。

(5)值得注意的是為了回歸出更具代表性的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度公式，應(yīng)該獲得大量的數(shù)據(jù)，而本次回歸的數(shù)據(jù)量明顯偏少，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

(6)為進(jìn)一步減小爆破振動(dòng)對(duì)周圍居民房屋的影響，針對(duì)弓長(zhǎng)嶺露天鐵礦何家采區(qū)的生產(chǎn)爆破提出如下建議：①采用單孔起爆技術(shù)，降低最大同段起爆藥量；②盡量改壓碴爆破為清碴爆破；③調(diào)整掘溝位置，掘溝時(shí)第一炮應(yīng)選擇在采區(qū)的中部以西位置。

[1] 劉洪興，璩世杰，何 文，等.露天礦爆破振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物穩(wěn)定性影響研究[J].金屬礦山，2013(6)：25-28. Liu Hongxing,Qu Shijie,He Wen,et al.Effects of open pit mine explosive vibration on the stability of constructions[J].Metal Mine,2013(6):25-28.

[2] 傅洪賢，趙 勇，謝晉水，等.隧道爆破近區(qū)爆破振動(dòng)測(cè)試研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(2):335-340. Fu Hongxian,Zhao Yong,Xie Jinshui,et al.Study of blasting vibration test of area near tunnel blasting source[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(2):335-340.

[3] 姚 勇，何 川.并設(shè)小凈距隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)分析及控爆措施研究[J].巖土力學(xué).2009，30(9)：2815-2822. Yao Yong,He Chuan.Analysis of blasting vibration response of parallel set small clear-distance tunnels and blasting control measures[J].Rock and Soil Mechanics.2009,30(9):2815-2822.

[4] 趙昕普.爆破振動(dòng)衰減規(guī)律與爆破振動(dòng)對(duì)巖體累積損傷影響的研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2008. Zhao Xinpu.Research of Attenuation Law of Blasting Vibration and Effects Caused by Accumulated Damage[D].Fuxin:Liaoning Technical University,2008.

[5] 周 鐸.爆破振動(dòng)對(duì)古建筑物的影響以及古建筑物的防震措施[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2010. Zhou Duo.The Analysis of Mine Blasting Vibration on the Impact of Ancient Architecture[D].Baotou:Inner Mongolia University of Science and Technology,2010.

[6] 孫豁然，佟彥軍，李孝林，等.露天煤礦拋擲爆破振動(dòng)效應(yīng)的研究[J].爆破，2008，25(1)：69-73. Sun Huoran,Tong Yanjun,Li Xiaolin,et al.Study on the vibration effect of sling blasting in an open coal mine[J].Blasting,2008,25(1):69-73.

[7] GB 6722—2003.爆破安全規(guī)程[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004. GB 6722-2003.Safety Specifications of Blasting[S].Beijing：China Standards Press,2004.

[8] 盧文波，Hustrulid W.質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度衰減公式的改進(jìn)[J].工程爆破，2002，8(3)：1-4. Lu Wenbo,Hustrulid W.An improvement to the equation for the attenuation of the peak particle velocity[J].Engineering Blasting,2002,8(3):1-4.

(責(zé)任編輯 石海林)

Research of the Law of Blasting Vibration Wave Propagation in Hejia Mining Area

Chen Qingkai1Sun Yunfeng1Li Guichen1Lei Gao1Jia Jianjun2Qin Zhihui2

(1.CollegeofResourceandCivilEngineering，NortheasternUniversity,Shenyang110819,China; 2.AnshanIronandSteelMiningBlastingCo.,Ltd.,Anshan114046,China)

Blasting vibration is one of the three major hazards of blasting.It can make industrial buildings and civil buildings around the blasting area damaged,resulting in serious blasting hazards.In order to explore the law of vibration wave propagation in production blasting in Hejia mining area of Gongchangling open-pit iron mine and the impact on the surrounding environment to control the negative effects of blasting vibration,the fixed point observation on the production blasting is made to monitor the area between the blasting areas and near the village,obtaining the blasting seismic wave data.The parameters of particle vibration velocity at blasting point,blasting frequency and duration time are analyzed in detail.The analysis results show that blasting seismic effect during the mining blasting is weak,so the blasting vibration has little harm to the residents' houses around Hejia mining area.The linear regression of the data is realized by using the least squares method,obtaining the particle vibration velocity empirical formula,which provides the reference for determining the maximum charge at the same interval in different blasting area,and predicting and controlling the blasting vibration intensity.

Blasting vibration,Propagation law,Least squares method,Particle vibration velocity

2014-05-09

陳慶凱(1965—)，男，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TD854.2

A

1001-1250(2014)-10-018-04