潘鵬飛 郭 浩 欒 輝 郭連軍 張大寧 徐振洋 王 樂(lè) 劉 鑫

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司;2.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

鞍鋼鐵礦爆破效果瞬態(tài)分析*

潘鵬飛1郭 浩2欒 輝1郭連軍2張大寧2徐振洋2王 樂(lè)2劉 鑫2

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司;2.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

爆破效果一直是衡量爆破質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，瞬時(shí)效果往往對(duì)爆破的質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用。就大孤山露天鐵礦的實(shí)際爆破情況，通過(guò)運(yùn)用TC-4850測(cè)振儀對(duì)地震波監(jiān)測(cè)和利用高速攝影儀對(duì)爆破產(chǎn)生的瞬間效果進(jìn)行攝影，并用Blasting vibration analysis軟件和ProAnalyst軟件對(duì)測(cè)振數(shù)據(jù)和拍攝的圖片分析,得出地震波的衰減情況，充分利用以上指標(biāo)評(píng)價(jià)爆破效果，以此指導(dǎo)以后的爆破設(shè)計(jì)。

爆破效果 測(cè)振儀 高速攝影 數(shù)據(jù)分析

爆破在給礦山挖掘方面帶來(lái)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也帶來(lái)了諸多隱患，如爆破震動(dòng)、粉塵、噪音等。近年來(lái)隨著工程爆破技術(shù)的發(fā)展，在理論和實(shí)踐中都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)爆破行業(yè)的發(fā)展起到了推進(jìn)作用[1]。同時(shí)所帶來(lái)的負(fù)面危害也越來(lái)越被重視,但由于爆炸過(guò)程時(shí)間短，借助高速攝影和爆破振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)其爆破過(guò)程及效果評(píng)價(jià)分析。

1 工程概況

某礦山是鞍鋼的鐵礦石原料地之一，該鐵礦礦床是由水沉積后經(jīng)過(guò)變質(zhì)作用而形成[2]，有3個(gè)主要礦體，其中1#礦體為主礦體，2#、3#礦體規(guī)模很小。

本次爆破對(duì)象為-78 m階段水平靠幫巖石，爆破巖石量為29 929.48 t，炮孔直徑為250 mm，底盤抵抗線為7 m；設(shè)計(jì)74個(gè)孔，單段最大藥量為150 kg，采用方形布孔，孔網(wǎng)參數(shù)為6 m×5 m，孔深8～12 m，水深3 m，裝藥6 m；使用乳化銨油炸藥，空氣間隔填塞，連續(xù)柱狀裝藥，設(shè)計(jì)單耗為0.375 kg/t；采用串并聯(lián)，毫秒微差逐孔起爆，孔內(nèi)400，250 ms，孔外17，25，65 ms,孔內(nèi)雷管157發(fā)，地表雷管74發(fā)，爆區(qū)炮孔布置見(jiàn)圖1。

2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

2.1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器

采用成都中科研究所最新研制的TC-4850爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，具有體積小、重量輕、耐壓抗擊、可靠易用等優(yōu)點(diǎn)，并可配接相應(yīng)的傳感器，能完成加速度、速度、位移、壓力、溫度、濕度等動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、記錄、報(bào)警和分析。

圖1 炮孔布置(單位：m)

本次爆破選擇三維一體傳感器，無(wú)論從靈敏度、準(zhǔn)確度，還是便攜性、易安裝性等方面均能滿足測(cè)試要求。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

選取具有代表性的位置進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，按照試驗(yàn)需要，一方面研究爆破對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響，另一方面研究自由面對(duì)爆破地震波衰減程度的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況布設(shè)了6個(gè)測(cè)震點(diǎn)，以爆區(qū)的幾何中心為爆源中心，一排靠近邊坡，一排靠近自由面，每排中2個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)的距離為30 m，徑向成直線排列。

2.3 傳感器的安裝

為獲得準(zhǔn)確的爆破信號(hào)，傳感器的選擇和固定非常重要[3]。此次被測(cè)點(diǎn)為堅(jiān)硬巖石，可以采用石膏將傳感器固定在巖石表面，傳感器的X方向指向主爆孔方向，這樣會(huì)避免測(cè)量誤差[4]。

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 波形分析

在此次測(cè)振中，測(cè)點(diǎn)2靠近邊坡側(cè)，且所測(cè)得的波形比較完好，測(cè)量數(shù)據(jù)能較好地反應(yīng)傳播情況，見(jiàn)圖2。

圖2 X、Y、Z方向波形圖

通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)2的波形進(jìn)行三維矢量合成后分析，此次爆破地震波的持續(xù)時(shí)間大約在0.8 s，該測(cè)點(diǎn)在0.259 8 s的振動(dòng)速度達(dá)到最大，為7.065 m/s。三維通道中，Z方向的振速最大，說(shuō)明垂直振動(dòng)對(duì)測(cè)點(diǎn)的影響作用最大。而3個(gè)方向的主振頻率分別為14.599,8.791,16.949 Hz,均屬于低頻波。對(duì)Z方向波形進(jìn)行FFT變換，見(jiàn)圖3。

圖3 FFT變換圖

由圖3可知，爆破地震波的主振頻率一般在0～200 Hz。根據(jù)以往的工程爆破經(jīng)驗(yàn)，中低頻地震波對(duì)建筑物的危害更大[5]。在爆破設(shè)計(jì)中要考慮低頻在爆破地震頻率所占的比率，盡量降低低頻的百分率，這樣可以更好地減少危害。大孤山鐵礦的穩(wěn)定性比較好，根據(jù)我國(guó)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2003)，安全允許振速在15～30 cm/s，此次爆破中最大振速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這一安全值，邊坡在安全范圍內(nèi)；本次爆破振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間也比較短，通過(guò)高速攝影儀對(duì)爆破的回放也證明了這一點(diǎn)。

將天然地震歸結(jié)為多次大的爆破地震在同一時(shí)刻的組合，也就是說(shuō)在爆破量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，爆破地震波的頻率會(huì)接近天然地震頻率，這也從另一方面說(shuō)明了微差爆破降低爆破振動(dòng)的作用?！侗瓢踩?guī)程》規(guī)定以質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。但此單一強(qiáng)度在某些方面不能完全作為判斷的依據(jù)，應(yīng)考慮質(zhì)點(diǎn)峰值的振動(dòng)幅值、頻率和持續(xù)時(shí)間三要素綜合作用，衡量爆破震動(dòng)效應(yīng)的危害程度。

對(duì)波的振動(dòng)速度進(jìn)行一階積分，得出瞬時(shí)的波振動(dòng)位移幅值，見(jiàn)圖4。可以得出，X方向在0.3 s震動(dòng)的幅值達(dá)到800 cm，Y方向在0.35 s 震動(dòng)的幅值達(dá)到1 050 cm，Z方向在 0.13 s震動(dòng)幅值達(dá)到620 cm，也就是在一定時(shí)間的范圍內(nèi)，爆破振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)被保護(hù)的建筑物危害就越大。

圖4 瞬時(shí)位移與時(shí)間關(guān)系

對(duì)震動(dòng)速度波形進(jìn)行一階微分，得出此測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)加速度。加速度是爆破動(dòng)力的集中體現(xiàn)，瞬時(shí)加速度越大，說(shuō)明此時(shí)炮孔中的爆炸能最大，見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，在0.25 s時(shí)，X方向最大加速度為0.73 cm/s2；在0.53 s時(shí)，Y方向加速度為0.69 cm/s2；在0.52 s時(shí)，Z方向最大加速度為0.68 cm/s2。垂直方向的振動(dòng)最小，進(jìn)而說(shuō)明波在巖石中傳播藥柱的徑向最大加速度大于切向最大加速度。

3.2 數(shù)據(jù)分析

本次爆破測(cè)振結(jié)果見(jiàn)表1。

對(duì)比測(cè)點(diǎn)1#～3#和測(cè)點(diǎn)4#～6#可知，距離爆源同距離的Y方向的最大振動(dòng)速度沿自由面?zhèn)确较虻牟ǖ乃p速度快于靠幫側(cè)，靠幫側(cè)巖體的最大幅值大于靠自由面?zhèn)取?/p>

以往普遍認(rèn)為橫波Y的破壞力是最大的，但從表1中可以得出Z方向的地震波不能完全代替爆破地震波的大小，應(yīng)權(quán)衡共同波的三維矢量和，來(lái)體現(xiàn)爆破地震波的危害。

圖5 瞬時(shí)加速度與時(shí)間的關(guān)系

表1 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)

測(cè)得測(cè)點(diǎn)6#中Z方向的振動(dòng)幅值很小，可能以前的爆破造成靠近自由面?zhèn)鹊膸r體發(fā)生了大的裂隙，阻斷了波的傳播。在以后的開(kāi)挖過(guò)程中，需要特別注意打孔、裝藥等問(wèn)題。

在測(cè)點(diǎn)距離爆破區(qū)域較近的區(qū)域，X方向爆破地震波在空氣中傳播的波速也是很大的，在矢量合成方面也會(huì)影響幅值。

3.3 薩道夫斯基公式分析

將測(cè)得的速度采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行藥量推算[6]：

V=K(Q1/3/R)α,

(1)

式中，V為測(cè)得的爆破振動(dòng)速度，cm/s;Q為同時(shí)爆破的炸藥量，kg;R為測(cè)點(diǎn)至爆區(qū)的距離，m;K,α為與地質(zhì)地形條件有關(guān)的系數(shù)，取200，1.6。

計(jì)算得到本次監(jiān)測(cè)的最大藥量約為330 kg,這與實(shí)際情況基本吻合，考慮在本次爆破的過(guò)程中，有二次爆破的影響因素，所測(cè)得數(shù)據(jù)難免存在誤差。

4 高速攝影儀對(duì)爆破效果的分析

高速攝影儀是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和國(guó)防科研中重要的瞬態(tài)成像設(shè)備[7],能直觀記錄各種超高速運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程中的瞬時(shí)變化，如爆破飛石和爆破瞬間爆堆的拋擲方向等。

由于爆破時(shí)接觸測(cè)試成本太高，借助高速攝影可以測(cè)出不同時(shí)刻爆破的瞬間變化。高速攝影具有局限性，頻率太高會(huì)影響拍攝的時(shí)間，所以設(shè)置圖像頻率為500幅/s,圖片分辨率為1 280×640像素。拍攝位置在本次爆破的上一個(gè)臺(tái)階距離爆破區(qū)域約180 m。拍攝的爆破瞬間見(jiàn)圖6。

圖6 爆破瞬間

對(duì)于高速攝影儀拍攝的圖片，通過(guò)使用相應(yīng)的ProAnalyst圖像處理軟件進(jìn)行分析：

(1)此次爆破過(guò)程中，有2個(gè)預(yù)裂炮孔發(fā)生了穿爆，比較明顯，在圖像回放過(guò)程中沒(méi)有大塊飛石，爆堆形狀、前沖距離都能滿足爆破效果的要求。

(2)通過(guò)將拍攝的圖像進(jìn)行處理得出爆破烈度柱狀圖(圖7)?？梢钥闯觯S著爆破進(jìn)行，烈度慢慢增大，達(dá)到一定烈度后減小，前期變化速度快，后期變化速度慢，在爆破過(guò)程中峰值一直在變化。

圖7 爆破烈度柱狀圖

(3)測(cè)得的爆破圖像是由爆破過(guò)程中的多幅圖片疊加得到的，該圖片可以定位到任意時(shí)刻，查看不同時(shí)刻的爆破效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)在爆破測(cè)震過(guò)程中，傳感器的固定、外界震源的干擾、傳播介質(zhì)(土層、巖石、裂隙、斷層等增加了巖體的阻尼比)對(duì)地震波的傳播影響很大。

(2)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，在距爆心同一距離的不同位置，地震波的波形差別很大，應(yīng)充分考慮地質(zhì)條件、外界因素的影響，必要時(shí)應(yīng)將波速的合成量作為衡量被保護(hù)對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn),且充分考慮時(shí)間累積的影響。

(3)高速攝影儀很好地記錄瞬時(shí)爆破過(guò)程，通過(guò)對(duì)圖片進(jìn)行處理，可以得出諸如爆堆形態(tài)、飛石瞬時(shí)速度等物理量，能直觀有效地提供爆破效果依據(jù)。

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*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51474123)。

2014-12-15)

潘鵬飛(1969—)，男，高級(jí)工程師，114000 遼寧省鞍山市。