胡方強,張春陽,譚 海,姜婷婷,KABILA Kevin Mbuyu

(1.攀鋼集團礦業(yè)有限公司，攀枝花 617000;2.武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院，武漢 430070)

爆破是礦山開采和工程施工常見的作業(yè)方式，不可避免給周圍環(huán)境帶來干擾甚至安全隱患。為弄清爆破振動的影響程度，測振在爆破作業(yè)過程中具有重要意義。黃磊和何祥采用NUBOX-8016型智能振動測試儀確定了金寶鐵礦爆破峰值振動速度衰減規(guī)律[1]，論證了金寶鐵礦爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響。隨著計算機技術(shù)發(fā)展，數(shù)值模擬可以彌補爆破測振的不足。梁琨等結(jié)合現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測及ANSYS/LS-DYNA，分析小凈距隧道爆破開挖中，后行洞上臺階爆破對先行洞的動力響應[2]；程平等通過LS-DYNA得到了爆破振動下圍巖應力分布、位移變化規(guī)律[3]，以及地震波沿隧道軸向及襯砌環(huán)向的速度衰減規(guī)律。此外，試驗也是有效的研究手段，黃錫琴等通過混凝土模型爆破試驗研究露天礦爆破振動規(guī)律[4]，爆破振動高程效應與炸藥量間的關(guān)系?？傊?，他們的研究為爆破振動危害防控提供了理論依據(jù)。

目前爆破振動危害防控的措施較多，例如，數(shù)碼電子雷管的使用實現(xiàn)了延期精準調(diào)控，使爆破震動大幅度降低[5]；孫穎等提出了相應的爆破振動控制標準及措施，用于葛洲壩3號船閘爆破拆除作業(yè)[6]；張袁娟等采用預裂縫進行防振減振[7]；余紅兵和趙明生提出了覆蓋防護、減震溝隔離、鋼管排架防護[8]，最大單響藥量控制、爆破網(wǎng)路優(yōu)化等防控措施。

以白馬鐵礦田家村南采場為研究對象，自生產(chǎn)以來，采場爆破振動已引起當?shù)卮迕耜P(guān)注，并擔心對房屋造成安全隱患。參考已有研究成果，本文通過爆破振速監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和振速反算，結(jié)合相關(guān)規(guī)程評估爆破振動對房屋的影響，并提出相應減振建議。

1 工程概況及測點布置

白馬鐵礦是攀鋼集團重要的釩鈦磁鐵礦生產(chǎn)基地，田家村屬于二期新開采場，位于四川省攀枝花市米易縣境內(nèi)。采場礦體走向近南、北，長度約3000 m，傾向西，傾角60°～65°，121b、122b基礎(chǔ)儲量(B+C級)為1.98億t。二期設(shè)計開采規(guī)模為500萬t/a，于2010年10月開始基建，2011年投產(chǎn)，2012年達到500萬t/a，2019年為計算年，采剝總量2250萬t/a，生產(chǎn)剝采比3.50，服務年限約33 a，其中穩(wěn)產(chǎn)時間約30 a。采場臺階高度15 m，目前采用C150 mm型液壓鉆穿孔，孔網(wǎng)參數(shù)巖石5 m×5 m，礦石4 m×5 m。礦山環(huán)境及現(xiàn)狀見圖1所示。

圖 1 露天采場開采現(xiàn)狀Fig. 1 Mining status in the open stope

考慮到房屋位置、露天采場現(xiàn)狀、地質(zhì)地貌特征、巖土體非均質(zhì)性，以及當前礦山開采現(xiàn)狀，爆破測振爆源位置選為1600 m、1570 m、1555 m、1525 m平臺，它們離村莊的距離最近，爆源與測點相對位置如圖2所示。

圖 2 爆源與測點位置及村莊分區(qū)Fig. 2 The location of explosion sources,measuring point and village division

2 采區(qū)爆破設(shè)計

該礦山采用混裝炸藥爆破，導爆管雷管反向起爆。設(shè)計臺階高度15 m，炮孔孔徑160 mm，孔深約17.5 m，堵塞長度約5～8 m。在10月10日，1570臺階采用三角形布孔，總數(shù)94個，孔距5～6 m，排距4 m，最小抵抗線3 m；1600臺階布孔71個，孔距5.5/6 m，排距4 m，孔深17.1～18.2 m，填塞長度大于等于5 m，超深2.5 m，最小抵抗線3 m。在10月12日，1555臺階布孔112個(三角形布孔)，孔距5.5/6 m，排距4 m，最小抵抗線3 m，孔深15.8～17.8 m，填塞長度大于5 m，超深2.5 m。在10月14日，1525臺階布孔37個，孔距5.5 m，排距4 m，最小抵抗線3 m，填塞長度大于等于5 m，超深2.5 m，孔深16.7～17.3 m。采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，巖粉堵塞炮孔。典型的臺階切面如圖3所示。

圖 3 典型的爆區(qū)切面圖(單位：m)Fig. 3 Typical section of blast zone(unit:m)

采用導爆管雷管起爆，典型孔間延時、起爆順序見圖4所示，為確保起爆炮孔的爆破振動峰值最大，降低其他炮孔干擾，將設(shè)計的單孔起爆調(diào)整為前兩孔同時起爆，因此對于1570 m、1600 m、1555 m和1525 m臺階，單孔最大藥量分別為520 kg、280 kg、520 kg、530 kg。

圖 4 典型的起爆網(wǎng)路Fig. 4 Typical detonating network

3 爆破振動測試及數(shù)據(jù)分析

3.1 測點布置原則

為了獲得更多測振數(shù)據(jù)，每條測線上布置5～6個測點，各測點振速傳感器盡可能位于同一直線上。根據(jù)爆破破巖機理，振動波在爆源近區(qū)衰減快、遠區(qū)衰減慢，呈冪指數(shù)衰減規(guī)律?？紤]到爆破測試單段最大藥量均為520 kg左右，因此，測點遵循近密遠疏布置，測線范圍在1000 m以內(nèi)。為了全面反映爆破地震波衰減規(guī)律，并保證測量儀器安全，在各測線上，測點1(圖2)的爆心距選取為120～250 m。相鄰測點間的距離取為20～50 m，根據(jù)實際地形情況合理布置，確保在近區(qū)、中遠區(qū)均能采集到振動數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場典型的爆破振動監(jiān)測點如圖5所示，對于村莊外測點，測振儀多安裝在地表堅硬穩(wěn)固的基巖上，而對于村內(nèi)測點，測振儀可安裝在居民院中的水泥地面上。

圖 5 現(xiàn)場典型測點Fig. 5 Typical measuring points on site

3.2 數(shù)據(jù)處理與特征分析

在爆破結(jié)束確認安全后，方可收裝儀器，并及時進行數(shù)據(jù)整理?，F(xiàn)場一共布置了三條測線(圖2)，典型的爆破振動波形如圖6所示，它顯示了測線1上測點2的爆破振動波形，其中X、Y、Z分別代表測點指向爆源方向(水平徑向)、垂直于X方向(水平切向)、豎直方向。該點位于采場內(nèi)，振動速度相對較大，其中X軸振速達到了1.75 cm/s，而Y和Z軸的振速相對小一些，但也分別為1.1 cm/s和1.01 cm/s。當然隨著離爆心距離增大，振速逐漸減小。此外，從圖6中還可以看出，爆破振動的持續(xù)時間大概為0.5 s。

圖 6 測線1上測點2的爆破振動波形圖(1570臺階)Fig. 6 Blasting vibration waveform of line 1 measuring point 2(1570 bench)

為了分析爆破振動的衰減規(guī)律，以測線1上1570臺階爆破為例，整理后的數(shù)據(jù)如表1所示。表中Q代表單響最大藥量(kg)，Vp為爆破振動峰值速度(cm/s)，f為峰值振速的頻率(Hz)，X、Y、Z分別為水平徑向、水平切向、豎直方向，D為測點到爆源的距離(m)。各測點位置及編號見圖2所示，其中測點5、6位于田家村內(nèi)，且測線3的5號測點位于離采場境界300 m范圍以內(nèi)。

表1 爆破振動數(shù)據(jù)表(1570臺階1號測線)Table 1 Blasting vibration data sheet(No.1 line of 1570 bench)

測線上爆破振動速度的峰值基本對應于最先起爆的炮孔。測線1上的測點1、2安裝在下一個平臺基巖上，離震源最近，故振動速度較大；測點3、4剛好位于開采境界之外，與測點1、2間有一小土坡，會加快爆破振速衰減，測點5、6位于村內(nèi)水泥地面上，距離起爆點高差大，距離遠，且有水溝隔開，因此振速衰減最大，其值均小于0.10 cm/s。此外，由于地震波在傳播過程中發(fā)生了疊加，個別通道采集的峰值不在波的前端。

爆源與民宅間地質(zhì)條件復雜，有巖石、土、破碎帶、溝渠等，地震波衰減較巖體快。爆區(qū)與民宅間的高程差約70多m，回歸需要考慮高差影響。根據(jù)國家爆破安全規(guī)程及國內(nèi)外研究成果，一般采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式分析爆破振動傳播與衰減規(guī)律

(1)

式中:K為與地質(zhì)、爆破方法等因素有關(guān)的系數(shù)；α為與地質(zhì)條件有關(guān)的地震波衰減系數(shù)；Q為與振速V值相對應的最大一段起爆藥量，kg；R為測點與爆心之間的距離，m。

采用最小二乘法對實測數(shù)據(jù)進行回歸分析，獲取對應K、α值，它們在各方向的差異，由斷層分布、節(jié)理裂隙發(fā)育、地形地貌等因素決定。對比發(fā)現(xiàn)，在測線2上，X、Y和Z方向的K和α值為最不利組合，它們對應的爆破振速相對最大，因此，采用測線2上K、α值進行爆破振速反算更為合理。三條測線的K、α值如表2所示。

表2 各測線K、α回歸值Table 2 K and α values obtained from regression of each measuring line

3.3 回歸結(jié)果驗證與爆破評估

村內(nèi)測點振速反算結(jié)果表明：爆破振速反算值與實測值較為接近，反算值總體上稍大于實測值，如表3所示，這是由于振動波離開露天坑后，進入土質(zhì)坡面，振動速度衰減相對加快，此外，還受到地形地貌、溝等因素影響，可見，K、α的回歸值稍微偏大。不過，為了提高評估的可靠性，需考慮最不利狀況，因此，本文采用測線2的K、α組合。

表3 村內(nèi)測點振速實測值與反算值對比Table 3 Comparison of measured value and back-calculation value of vibration velocity of measuring points in the village

根據(jù)測線2的K、α值，對礦山2019年7月—2020年10月的爆破作業(yè)進行反算驗證，考慮到爆區(qū)與住宅的距離、溝等影響因素，將田家村劃分為三個典型區(qū)域(圖2)。反算結(jié)果表明：村內(nèi)各測點X、Y和Z方向的爆破振速均不超過《爆破安全規(guī)程》GB6722—2014中13.2.2條規(guī)定的安全允許振速范圍(0 Hz

表4 爆破振速最大反算值分布范圍(Z方向)Table 4 Distribution range of maximum back-calculation value of blasting vibration velocity(Z direction)

3.4 未來爆破振速預測與評估

預測臺階如圖7所示，在臺階上選取靠近村莊的參考點共3個，單孔藥量分別為：260 kg、270 kg、280 kg、290 kg(目前爆破常用單孔藥量)。反算結(jié)果表明：最終境界各臺階爆破作業(yè)時，村莊內(nèi)測點振速反算值總體大于當前振速；對于1435 m(參考點2)和1465 m(參考點1)臺階最靠近村莊處，Z方向爆破振速(分別對于區(qū)域1和區(qū)域2)可能會超過或接近《爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)》中“土窯洞、土坯房、毛石房屋”規(guī)定的安全允許標準，但仍低于《爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)》中“一般民用建筑物”爆破振動安全允許標準，Z方向典型爆破振速反算值如表5所示。

圖 7 采場最終境界爆破振速預測參考點位置Fig. 7 Location of reference point for prediction of blasting vibration velocity at final boundary of stope

此外，為了使最終境界各臺階爆破振速與當前爆破振速接近，必須降低單孔藥量，優(yōu)化爆破方案；對于靠近村莊處，最大單孔藥量應小于199 kg(以V<0.45 cm/s計算)?？紤]到最終境界圖的精度問題，以及今后開采調(diào)整，因此，反算結(jié)果和允許最大單孔藥量僅作為參考。

4 結(jié)論

田家村內(nèi)測點爆破振速均低于《爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)》中“土窯洞、土坯房、毛石房屋”和“一般民用建筑物”爆破振動安全允許標準。

選取最不利條件下各坐標軸K、α值，反算村內(nèi)測點振速，結(jié)果表明：反算值總體上大于實測值，這是由于K、α依據(jù)露天坑內(nèi)礦巖區(qū)測點反算得出，坑外地表為土層，且受到地形、溝等不利因素影響；此外，反算驗證了K、α值的可靠性。

考慮最不利因素、爆破的長期作用，當前逐孔起爆單孔藥量不應超過384 kg(以離爆破點最近房屋計算)；以目前逐孔起爆設(shè)計的最大單孔藥量290 kg計算，爆破點離房屋最近距離應大于288 m(V<0.45 cm/s)。建議礦山繼續(xù)采用逐孔起爆技術(shù)，加快電子數(shù)碼雷管的應用，實現(xiàn)精準延時，進一步降低爆破振速。根據(jù)最終境界爆破振速預測值，今后的爆破方案需適當調(diào)整，以便控制爆破振速不超過當前水平。

以上結(jié)論只適用當前礦區(qū)開采范圍，當爆區(qū)位置變動較多后建議復核，而最終境界各臺階爆破振速反算值只能作為參考。