李吉楊芙， 劉敬智， 孫 琰， 李銀忠

(萬寶礦產(chǎn)有限公司,北京100053)

在露天礦生產(chǎn)過程中,由于爆破理論的不成熟和作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性,礦山爆破震動(dòng)對(duì)周圍建(構(gòu))筑物造成破壞的災(zāi)害性事故時(shí)有發(fā)生［1-2］。 隨著爆破規(guī)模擴(kuò)大,由此引起的爆破震動(dòng)效應(yīng)可能導(dǎo)致附近建筑物出現(xiàn)裂紋甚至損毀,造成經(jīng)濟(jì)損失,阻滯生產(chǎn)進(jìn)度,因而受到社會(huì)和政府的普遍關(guān)注。 目前,各種主動(dòng)降震方法以及部分被動(dòng)降震方法正被積極運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐中［3-6］。 在露天礦山中,隨著開采臺(tái)階不斷下降,爆破設(shè)計(jì)當(dāng)中的理論計(jì)算公式因高程放大效應(yīng)的影響不再適用［7］,但是目前大多數(shù)實(shí)際工程并未考慮高程影響［8-10］。 本文以緬甸Letpaduang 銅礦北部寺廟為監(jiān)測(cè)點(diǎn),在考慮高程因素的影響下,通過對(duì)寺廟附近爆破振速監(jiān)測(cè)得到地震波強(qiáng)度理論計(jì)算公式以研究不同排數(shù)減震孔的降震作用和減震孔后不同位置的降震效果,并根據(jù)減震孔的降震成效和寺廟處爆破震動(dòng)振速限值,重新劃分爆破震動(dòng)控制區(qū)以及探索減震孔受高程影響的長期降震作用。 此舉對(duì)有效保障周邊設(shè)施安全、保證正常生產(chǎn)、減少財(cái)產(chǎn)損耗、提高礦山經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)定當(dāng)?shù)厣鐣?huì)情緒具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概述

Letpaduang 礦座落于緬甸實(shí)皆省蒙育瓦鎮(zhèn),屬于斑巖型銅礦經(jīng)過風(fēng)化淋濾及次生富集作用后形成的高硫化型銅礦床。 在Letpaduang 礦區(qū)北部有一座佛教寺廟,被列為重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。

根據(jù)爆破安全規(guī)程,寺廟處爆破震動(dòng)振速限值為5 mm/s。 然而隨著采坑深度不斷下降,爆破振動(dòng)高程放大效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)。 在隨機(jī)測(cè)試中,寺廟附近爆破震動(dòng)振速多次逼近5 mm/s。 目前,佛塔周圍爆破震動(dòng)危害對(duì)礦山生產(chǎn)造成一定程度制約,已成為礦區(qū)亟待解決的問題。

2 減震機(jī)理

2.1 震動(dòng)波傳播機(jī)理

當(dāng)炸藥在巖石介質(zhì)中爆破時(shí),其爆破能量向外傳播引起地面震動(dòng)的彈性波稱為地震波。 雖然地震波的總體能量僅占到炸藥爆炸釋放能量時(shí)的2%～6%［6］,但當(dāng)其整體強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí),將會(huì)使得地表建(構(gòu))筑物出現(xiàn)不同程度的損毀。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文章描述,爆破震感在其他條件相同的情況下會(huì)隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離爆破源的高程增大而愈發(fā)明顯,因此爆破地震效應(yīng)不僅應(yīng)考慮水平傳播影響還應(yīng)研究高程因素。

2.2 Letpaduang 銅礦現(xiàn)有減震措施

Letpaduang 銅礦現(xiàn)階段主要利用參數(shù)調(diào)整、微差控制等主動(dòng)手段對(duì)爆破震動(dòng)進(jìn)行消減,整體效果較好。然而隨著采區(qū)的逐年加深,當(dāng)前所采用方法的效果逐漸降低。 為了控制寺廟處爆破震動(dòng),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,決定采用施工永久減震孔的被動(dòng)降震方式以保障寺廟的安全穩(wěn)固。

2.3 減震孔降震原理

在爆破點(diǎn)與被保護(hù)建(構(gòu))筑物之間設(shè)置深度超過被保護(hù)對(duì)象地基深度的減震孔將改變巖體的密度,當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ翜p震孔處時(shí),將因介質(zhì)特性(波阻抗特性ρc)變化發(fā)生反射和折射,其能量被泄放減弱,達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn),從而保護(hù)建(構(gòu))筑物。 其傳播路徑見圖1。

圖1 地震波通過減震孔時(shí)的傳播路徑

由于空氣不傳播彈性波,因此不填充任何介質(zhì)的空孔相比填充其他介質(zhì)的減震孔更能在一定程度上加速削弱地震波的傳播,減小爆破震動(dòng)。 同時(shí),空氣填充的減震孔施工容易、快捷方便。 因此,本文進(jìn)行的減震孔試驗(yàn)采用空氣介質(zhì)進(jìn)行填充。

3 減震孔試驗(yàn)方案

3.1 減震孔布設(shè)

礦區(qū)北部寺廟基座尺寸51.4 m × 58 m,距圍擋最近距離為18.9 m,距圍擋內(nèi)道路最近距離為22.5 m。在道路南側(cè)存在樹木、雜草,地勢(shì)海拔不一、覆土層較厚,且距其5.2 m 處有一水文觀測(cè)點(diǎn),觀測(cè)點(diǎn)東南角5 m處有一條排水溝,與道路方向基本平行。 同時(shí),鉆機(jī)作業(yè)時(shí)距圍擋安全距離至少3 m。 因此,對(duì)道路進(jìn)行拓寬改造,將減震孔鉆孔位置設(shè)置于道路路面上。 結(jié)合減震作用范圍和寺廟寬度,選定寺廟寬度對(duì)應(yīng)兩側(cè)向外各自延伸20 m 作為鉆孔區(qū)域,計(jì)算得到減震孔最終鉆孔區(qū)域總長度94 m,左右兩端分別對(duì)應(yīng)寺廟基座張角26°和39°,如圖2 所示。

依現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)設(shè)備情況,鉆垂直孔,孔徑250 mm。為發(fā)揮減震孔最大降震作用,應(yīng)盡可能加大孔深,但為了方便制作套管,采取統(tǒng)一孔深,鉆機(jī)目前最大鉆孔深度19.5 m,考慮提桿后落灰,孔深統(tǒng)一為18.5 m。 根據(jù)鉆機(jī)施工范圍,減震孔孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)見圖3,2 m ×2 m,3 排,三角形布孔,后排與前排孔在水平方向上錯(cuò)開0.66 m,合計(jì)鉆孔數(shù)目144 個(gè)。

圖2 減震孔鉆孔范圍示意及測(cè)點(diǎn)布置

圖3 減震孔布孔設(shè)計(jì)

為保證降震效果,需防止孔內(nèi)充水,在孔內(nèi)放置具有一定強(qiáng)度的HDPE 橡膠管,該管兩端封閉,管長19.5 m,外徑200 mm,管壁15 mm,內(nèi)徑170 mm。 露出孔口1 m,出露段設(shè)置數(shù)個(gè)透氣小孔,如圖4 所示。

圖4 HDPE 管放置示意圖

3.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

此次試驗(yàn)采用TC-4850 爆破測(cè)振儀進(jìn)行監(jiān)測(cè),該設(shè)備屬于一體化三維傳感器,采樣頻率為1 ～50 kHz,16 位A/D,量化精度1/65 536。 當(dāng)振動(dòng)信號(hào)傳遞至三矢量傳感器時(shí),可用4850 爆測(cè)儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)預(yù)覽,隨后可將數(shù)據(jù)輸入電腦,通過數(shù)據(jù)值軟件分析得到監(jiān)測(cè)評(píng)估報(bào)告。 工作原理見圖5。

圖5 TC-4850 工作原理

本次試驗(yàn)在寺廟周圍共放置6 臺(tái)設(shè)備,分別位于減震孔排的中垂線上距第1 排減震孔前側(cè)2 m(A點(diǎn))、第3 排減震孔后側(cè)2 m(B 點(diǎn))、25 m(C 點(diǎn))、70 m(D 點(diǎn)),C 點(diǎn)左、右兩側(cè)30 m(E、F 點(diǎn))(如圖2 所示)。每一排減震孔施工完成后,進(jìn)行12 次爆破振動(dòng)測(cè)試,共獲得288 組波形數(shù)據(jù)。

4 考慮高程放大效應(yīng)的降震效果分析

4.1 高程放大效應(yīng)對(duì)爆破震動(dòng)的影響

地震波強(qiáng)度理論計(jì)算通常采用薩道夫斯基的經(jīng)驗(yàn)公式:

式中v 為爆破振動(dòng)速率；K 和α 為與平整地形、地質(zhì)條件、爆破方法以及裝藥結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)的場(chǎng)地系數(shù)和衰減指數(shù)；Q 和R 分別為最大單響藥量和測(cè)點(diǎn)距炮區(qū)的距離。 通過在Letpaduang 礦長期爆破測(cè)振,發(fā)現(xiàn)使用式(1)進(jìn)行回歸計(jì)算得到的振速值與實(shí)測(cè)值存在較大差異。 記錄距離相近、炸藥量相當(dāng)?shù)谋普駝?dòng)速率,如表1 所示,其中矢量合成速率均為A 點(diǎn)測(cè)振結(jié)果。

表1 高程對(duì)爆破震動(dòng)的放大效應(yīng)

將編號(hào)5 和27、11 和14、20 和35 數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩對(duì)比,不難發(fā)現(xiàn),隨著高程增加,振動(dòng)速率也隨之增加,說明高程對(duì)爆破震動(dòng)確實(shí)存在放大效應(yīng)。 再將編號(hào)11 和20、14 和35 數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩對(duì)比,可以看到,當(dāng)距離、高差和藥量相互作用時(shí),有可能使得爆破振動(dòng)速率不發(fā)生改變。 因此,當(dāng)距離和高差無法改變時(shí),調(diào)節(jié)單孔最大爆破藥量對(duì)于降低振動(dòng)速率顯得至關(guān)重要。

4.2 不同減震孔排數(shù)的降震成效研究

為使地震波強(qiáng)度理論計(jì)算更加符合實(shí)際,現(xiàn)采用考慮高程放大效應(yīng)的拓展式。 前人已對(duì)薩道夫斯基的變形式提出過各種形式的表達(dá),但是多數(shù)并未將R 和巖性等因素對(duì)爆破質(zhì)點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)的高程差H 的影響納入其中。 為減小誤差,本文采用如下公式進(jìn)行計(jì)算:

管理會(huì)計(jì)在會(huì)計(jì)學(xué)不斷發(fā)展后產(chǎn)生的重要分支學(xué)科，公立醫(yī)院管理會(huì)計(jì)則是管理會(huì)計(jì)在現(xiàn)代醫(yī)院管理中的具體應(yīng)用，其核心在于核算過去，控制當(dāng)下，預(yù)測(cè)未來。在財(cái)務(wù)信息化發(fā)展和新醫(yī)改的不斷深入背景下，醫(yī)院財(cái)務(wù)工作由核算型向管理型發(fā)展是必經(jīng)之路。公立醫(yī)院管理會(huì)計(jì)則能在不斷的變革中體現(xiàn)其重要價(jià)值。公立醫(yī)院管理會(huì)計(jì)體系優(yōu)化了財(cái)務(wù)核算流程，通過財(cái)務(wù)信息化軟件集成預(yù)算管理，使每一筆支出業(yè)務(wù)都可以實(shí)時(shí)監(jiān)控。

式中K′為與邊坡等凸形地貌有關(guān)的作用系數(shù)；β 為高差作用指數(shù)。

將式(2)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù),得:

由于Q、R、H 均為已知數(shù),因此可將式(3)函數(shù)化為:

為更好地顯示減震孔對(duì)寺廟的保護(hù)作用,將C 點(diǎn)測(cè)振得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析,得到無減震孔、1 排減震孔、2 排減震孔以及3 排減震孔時(shí)爆破地震波速率的擬合計(jì)算公式,具體見表2。

表2 振動(dòng)速率衰減擬合公式

通過對(duì)比表2 中各個(gè)公式不難發(fā)現(xiàn),平地系數(shù)K與凸形地貌系數(shù)K′的乘積、衰減指數(shù)α 和高差作用指數(shù)β 隨減震孔排數(shù)的變化趨勢(shì)為:隨著減震孔從0 排到1 排、1 排到2 排、2 排到3 排,衰減乘積系數(shù)KK′逐步減小,而α 和β 變化并不明顯。 KK′對(duì)比變化趨勢(shì)見表3。 從表3 可以看出,減震孔從無到1、2、3 排減震孔,降震效果逐漸弱化。

表3 衰減乘積系數(shù)KK′對(duì)比變化趨勢(shì)

將有無減震孔時(shí)的最大振動(dòng)速率按式(5)進(jìn)行平均,并對(duì)比不同排間的變化百分比,得到減震率λ 如表4 所示。

式中v0n為第n 次爆破無減震孔時(shí)的最大振速；vn為第n 次爆破減震孔后的最大振速。 由于爆破點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)的距離是測(cè)點(diǎn)相互之間距離的幾十倍,可近似將A、B 兩點(diǎn)視為同一點(diǎn),因而v0n取A 點(diǎn)振速,vn取B 點(diǎn)振速。

表4 減震率變化趨勢(shì)

雖然減震孔排數(shù)越多總降震效果越明顯,但是單排減震孔的增加并未使得該效果得到顯著提升,而是逐步趨緩。 因此,減震孔排數(shù)無需施工過多,只要能使被保護(hù)物處于安全范圍即可。

4.3 寺廟附近不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的降震成效

選取C、D、E、F 點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,將3 排減震孔后各點(diǎn)地震波強(qiáng)度計(jì)算式列入表5 中。 縱觀擬合公式,除衰減乘積因子KK′有所變化外,另外兩個(gè)指數(shù)均無變化。由于目前某些炮區(qū)位置處于寺廟南稍偏東方向,因而地震波有時(shí)候會(huì)最先達(dá)到F 點(diǎn),其次是C 點(diǎn)和E 點(diǎn),最后是D 點(diǎn)。 因此在4 點(diǎn)當(dāng)中,最東側(cè)的F 點(diǎn)衰減乘子比C 點(diǎn)增大了0.31%,最西側(cè)E 點(diǎn)的衰減乘子比C點(diǎn)減小了0.64%,最北側(cè)D 點(diǎn)的衰減乘子比C 點(diǎn)減小了1.47%。 盡管公式當(dāng)中系數(shù)變化較小,但上述比較表明爆破地震波的傳播方位對(duì)于減震孔后的地震波振速計(jì)算存在著影響,所以若能將方位角歸入理論計(jì)算式中將使得表達(dá)式更加精確。 不過,隨著采坑逐漸南移,邊幫逐漸拓展,寺廟與礦坑之間的距離逐年拉大,寺廟范圍占整個(gè)礦區(qū)面積的比例逐年減小,4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化將逐漸縮小,所以本文中永久減震孔對(duì)于保護(hù)寺廟來說受到爆破方位的影響可以忽略不計(jì)。

表5 寺廟附近各測(cè)點(diǎn)擬合公式

4.4 永久減震孔的長期降震效果分析

Letpaduang 銅礦圈定的終了境界臺(tái)階高度15 m,終了階段坡面角65°,最終邊坡角45°,安全/清掃平臺(tái)寬度8 m/8 m/20 m(安全-安全-清掃),露天采場(chǎng)上口尺寸2 700 m × 1 900 m,下口尺寸600 m × 120 m,露采最高開采標(biāo)高315 m,露采坑底標(biāo)高-345 m。 礦區(qū)北部最高開采標(biāo)高85 m,寺廟標(biāo)高75 m,離終了邊界最近距離266 m。 Letpaduang 銅礦臺(tái)階采用深孔臺(tái)階一次爆破成型,連續(xù)裝藥的爆破方案,高程H 以15 m為公差發(fā)生變化；同一臺(tái)階處R 越小,爆破震動(dòng)越劇烈,而終了邊界是離寺廟最近的礦區(qū)位置,因此將最終境界模型導(dǎo)入3DMine 軟件中,測(cè)量寺廟附近C 點(diǎn)距離礦坑終了邊界各臺(tái)階的最近距離及高程,設(shè)定v ＝0.5 cm/s,得到各臺(tái)階單孔最大允許爆破裝藥量如圖6所示。

圖6 最危險(xiǎn)區(qū)域單孔最大允許裝藥量

總體來說,藥量Q 隨R 和H 呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),中間略有波動(dòng)。 終了境界與寺廟貼近處R 變化較小(R ＝288～346 m,H＝15～75 m),此時(shí)H 對(duì)Q 的影響占主導(dǎo)地位,隨著高程增大,能夠填裝的藥量逐漸減小,最小值350.77 kg 出現(xiàn)在與寺廟存在75 m 高差的00 m 水平,二者之間距離為346 m；第2、3 小值分別為361.71 kg 和366.23 kg,各自處于30 m 和15 m 臺(tái)階。 自-15 m 臺(tái)階開始往下,高程差值從90 m 增至420 m,爆心距從387 m 增至998 m,此時(shí)R 對(duì)Q 的影響凸顯更加重要的作用,隨著距離增大,單孔最大允許裝藥量從469.92 kg 增至5 627.82 kg。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),通常單孔最大裝藥量在400 ～600 kg,所以在上部平臺(tái)爆破過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制裝藥量,同時(shí)可配合預(yù)裂爆破進(jìn)一步降低爆破震動(dòng)。

5 結(jié) 論

1) 隨著采坑加深,高程對(duì)爆破震動(dòng)的放大效應(yīng)明顯,在振速計(jì)算中不僅需要考慮藥量和距離,高差也要納入計(jì)算公式當(dāng)中。

2) 減震孔排數(shù)越多,總體降震效果越好,但降震效果會(huì)隨著減震孔排數(shù)增加而逐漸弱化。

3) 從經(jīng)濟(jì)效益考慮,減震孔無需施工過多排數(shù),只要能夠滿足所需保護(hù)建(構(gòu))筑物震動(dòng)控制要求即可。

4) 減震孔后不同測(cè)點(diǎn)位置振速受爆破方位影響而有所不同,然而隨著開采區(qū)域遠(yuǎn)離及擴(kuò)大,其影響逐年減弱。

5) 高程放大效應(yīng)與距離的遠(yuǎn)近對(duì)單孔最大允許裝藥量產(chǎn)生交替影響,使得藥量呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì),因而合理探究最危險(xiǎn)區(qū)域并進(jìn)行控制對(duì)于提高礦山經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益至關(guān)重要。