謝世勇，葉光祥，葉際寰，李 春，張樹標(biāo)

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州341000；2.江西下壟鎢業(yè)有限公司，江西 大余341518）

0 引言

贛南作為我國黑鎢礦資源主要產(chǎn)地，礦床類型以石英脈型為主，可細(xì)分為單脈型與細(xì)脈帶型，與之相應(yīng)的落礦方法主要有淺孔落礦與中深孔落礦[1-2]。與淺孔落礦相比，中深孔落礦極大地提高了礦塊生產(chǎn)能力和勞動(dòng)效率[3]，但其一次爆破藥量多達(dá)數(shù)噸，甚至上十噸，爆破產(chǎn)生的沖擊波、毒氣和震動(dòng)等災(zāi)害已成為贛南鎢礦山安全生產(chǎn)影響因素之一，尤其是爆破震動(dòng)，其受爆破條件、傳播介質(zhì)、受震物體結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)等因素影響，具有衰減瞬時(shí)、頻率復(fù)雜多變、傳播距離遠(yuǎn)、危害難以預(yù)測(cè)和察覺等特點(diǎn)，極易造成生命和財(cái)產(chǎn)損失[4]。為此，在中深孔落礦開采技術(shù)環(huán)境下，亟須對(duì)爆破震動(dòng)開展相關(guān)研究，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)爆破震動(dòng)災(zāi)害，為爆破設(shè)計(jì)、爆破災(zāi)害防護(hù)和控制提供依據(jù)。

1 工程概況

下壟鎢業(yè)左拔礦區(qū)采用分段鑿巖階段崩落法開采密集型細(xì)脈帶礦體[5]，分段鑿巖階段落礦，各分段鑿上向扇形孔，多孔粒狀銨油炸藥崩礦，炸藥單耗0.45 kg/t，裝藥密度0.99 g/cm3，各孔口留0.5～1.5 m不裝藥，炮泥填塞，采用電雷管起爆，段、排微差起爆，其炮孔排面及爆破網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 礦塊爆破炮孔及起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of blasting holes and initiating networks for mine blocks

2 爆破測(cè)點(diǎn)布置

本次爆破震動(dòng)現(xiàn)場監(jiān)測(cè)的主要目的是通過多次爆破監(jiān)測(cè)，尋找該礦區(qū)爆破震動(dòng)規(guī)律，與此同時(shí)，保護(hù)重要巷道、硐室。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，沿186中段礦脈走向方向布置測(cè)線1條（5個(gè)測(cè)點(diǎn)），保護(hù)測(cè)點(diǎn)1個(gè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。此外，在爆源附近236中段主扇房、186中段變電硐室布置保護(hù)測(cè)點(diǎn)各1個(gè)。

圖2 186中段爆破測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of blasting measuring points in the middle section of186

3 爆破震動(dòng)規(guī)律分析

為進(jìn)行爆破震動(dòng)規(guī)律分析，進(jìn)行了5次爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，每次布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，共測(cè)得35組有效數(shù)據(jù)。通過MATLAB平臺(tái)，運(yùn)用信號(hào)分析技術(shù)，揭示了不同藥量、爆心距條件下震動(dòng)速度、頻率和能量的變化規(guī)律[6-9]。

3.1 速度變化規(guī)律

對(duì)現(xiàn)場測(cè)得的35組數(shù)據(jù)分3個(gè)方向（x、y、z）進(jìn)行薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式擬合，求得礦區(qū)場地系數(shù)k和衰減指數(shù)α，揭示質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度與裝藥量、爆心距間關(guān)系，擬合所得模型如下：

式中：Q—炸藥量，爆破單段最大炸藥量，kg；R—測(cè)點(diǎn)與爆源中心的距離，m；

在地質(zhì)條件一定，爆破器材、裝藥結(jié)構(gòu)相同時(shí)，震動(dòng)速度隨著單段最大藥量的增加或爆心距的減小而增大。

3.2 頻率變化規(guī)律

對(duì)礦區(qū)每一次爆破震動(dòng)數(shù)據(jù)頻帶范圍及主震頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3、圖4所示。震動(dòng)波形頻率范圍主要集中在0～500 Hz，大于500 Hz的波形數(shù)量僅占所有測(cè)震數(shù)據(jù)的8%；主震頻率分布直方圖顯示所有震動(dòng)波形主震頻率均小于180 Hz，低于100 Hz的震動(dòng)波形占據(jù)主要位置，占比83.9%。

圖3 頻帶分布直方圖Fig.3 Frequency distribution histogram

圖4 主震頻率分布直方圖Fig.4 Histogram of main earthquake frequency distribution

在確保爆心距相同或相近的情況下，進(jìn)行主震頻率隨藥量的變化規(guī)律研究，如表1。爆破震動(dòng)波形主震頻率隨單段最大藥量的增加呈降低現(xiàn)象，降低程度在各藥量段卻有所不同，小藥量段降低大，大藥量段降低小。與此同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)，同樣炸藥量下，段別越多，單段最大炸藥量越小，波形頻率構(gòu)成越復(fù)雜。

對(duì)藥量相近的兩次爆破震動(dòng)信號(hào)主震頻率與爆心距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到主震頻率隨爆心距的分布圖，見圖5。大規(guī)律上可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爆心距在180 m范圍內(nèi)，主振頻率大小不一、數(shù)據(jù)分散、雜亂無章；超過280 m后，主振頻率以低頻為主，且集中在12.2～35.4 Hz內(nèi)，這一現(xiàn)象符合巖體對(duì)高頻信號(hào)衰減作用大于低頻信號(hào)的規(guī)律。同時(shí)，可認(rèn)為在左拔礦區(qū)這種缺陷（采空區(qū)、斷層、巖性交替等）巖體條件下，爆破中、高頻部分在爆心距280 m內(nèi)基本衰減完成。此外，還可大膽猜測(cè)：傳播介質(zhì)一定的條件下，其中高頻衰減距離一定，并可通過現(xiàn)場實(shí)測(cè)得到。

表1 不同藥量波形時(shí)頻分析Tab.1 Time-frequency analysis of different dosage waveform

圖5 主頻隨爆心距分布圖Fig.5 Distribution diagram of main frequencies with the variation of explosion center distance

3.3 能量變化規(guī)律

以測(cè)點(diǎn)編號(hào)0207、0307爆破震動(dòng)波形頻帶能量圖（圖6），說明單段最大炸藥量與能量間關(guān)系，兩者爆心距基本一致，對(duì)應(yīng)的單段最大炸藥量分別為4 009 kg、279.3 kg。在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，單段最大炸藥量大者頻帶能量隨炸藥量變化呈現(xiàn)不同規(guī)律，0～120 Hz區(qū)間內(nèi)更大，120～200 Hz更小，超過200 Hz基本一致。說明在爆破震動(dòng)主頻范圍內(nèi)，各頻帶能量隨著單段最大藥量的增加而增大。此外，還能發(fā)現(xiàn)，爆破震動(dòng)能量主要集中在中低頻，頻率大，能量反而小。

以測(cè)點(diǎn)編號(hào)0101、0102、0103爆破震動(dòng)波形頻帶能量圖（圖7），說明爆心距與能量間關(guān)系，三者單段最大炸藥量一致，對(duì)應(yīng)爆心距分別約為50 m、70 m及150 m。除0～40 Hz外，各頻帶能量均呈現(xiàn)0101＞0102＞0103，說明各頻帶能量及爆破震動(dòng)總能量隨爆心距的增加不斷減?。淮送膺€發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爆心距分別為50 m、70 m、150 m時(shí)，其能量分布區(qū)間主要集中區(qū)域也不同，分別為0～360 Hz、0～200 Hz和0～120 Hz，這說明距離越近能量分布越發(fā)散、主震頻帶加寬，距離越遠(yuǎn)能量分布往低頻集中。

圖6 頻帶能量圖Fig.6 Band energy diagram

圖7 頻帶能量圖Fig.7 Band energy diagram

4 爆破震動(dòng)波形預(yù)測(cè)

爆破震動(dòng)波形預(yù)測(cè)是指對(duì)爆破震動(dòng)速度、加速度、頻率、持續(xù)時(shí)間等多個(gè)物理量的整體預(yù)測(cè)，各參量融合于波形中。

首先，對(duì)現(xiàn)場獲取的爆破震動(dòng)波形進(jìn)行7層小波包分解，并對(duì)各頻段波形進(jìn)行最小二乘法回歸擬合，分析不同頻率波形的傳播規(guī)律；其次，將一個(gè)最接近礦區(qū)場地信息的頻段波形作為預(yù)測(cè)基函數(shù)，再對(duì)各頻段波形進(jìn)行歸一化得到子基函數(shù)；最后，將對(duì)應(yīng)頻段的傳播規(guī)律賦予子基函數(shù)得到預(yù)測(cè)模型，各方向信號(hào)預(yù)測(cè)模型如圖8～10。輸入確定的單段最大藥量及爆心距進(jìn)行反演重構(gòu)，即可得特定情況下的預(yù)測(cè)波形。

圖8 x方向信號(hào)預(yù)測(cè)模型Fig.8 Signal prediction model in x-direction

圖9 y方向信號(hào)預(yù)測(cè)模型Fig.9 Signal prediction model in y-direction

圖10 z方向信號(hào)預(yù)測(cè)模型Fig.10 Signal prediction model in z-direction

為驗(yàn)證波形預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，對(duì)試驗(yàn)采場回采爆破進(jìn)行驗(yàn)證監(jiān)測(cè)，對(duì)比波形峰值速度、震動(dòng)主要頻率范圍等參量，如表2。

預(yù)測(cè)結(jié)果顯示：以誤差10%以內(nèi)為預(yù)測(cè)準(zhǔn)確計(jì)算，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率93.3%；峰值速度預(yù)測(cè)方面，存在速度峰值相反，但絕對(duì)誤差仍在允許范圍內(nèi)；峰值速度預(yù)測(cè)數(shù)值普遍比實(shí)測(cè)值低。

說明基于小波包技術(shù)的爆破震動(dòng)災(zāi)害預(yù)測(cè)在震動(dòng)速度及頻率范圍兩個(gè)方面較為準(zhǔn)確，可滿足工程計(jì)算和分析要求。

5 結(jié)論

（1）在地質(zhì)條件一定，爆破器材、裝藥結(jié)構(gòu)相同時(shí)，震動(dòng)速度隨著單段最大藥量的增加或爆心距的減小而增大。

（2）震動(dòng)波形頻率范圍主要集中在0～500 Hz，主震頻率全部小于180 Hz。主震頻率隨單段最大藥量的增加呈降低現(xiàn)象，同樣炸藥量條件下，段別越多，單段最大炸藥量越小，波形頻率構(gòu)成越復(fù)雜。

（3）各頻帶能量與炸藥量呈正相關(guān)，爆心距的增加各頻帶能量減小，能量重心向低頻轉(zhuǎn)移，但信號(hào)的總能量卻呈衰減之勢(shì)?；谛〔ò夹g(shù)的爆破震動(dòng)波形預(yù)測(cè)在震動(dòng)速度及頻率范圍兩個(gè)方面較為準(zhǔn)確，可滿足工程計(jì)算和分析要求。

表2 爆破震動(dòng)波形參量預(yù)測(cè)Tab.2 Prediction of blasting vibration waveform parameters