張懷東,馬 恒(中鐵資源集團(tuán)有限公司,北京100039)

1 前言

礦山生產(chǎn)需要進(jìn)行大量的爆破施工作業(yè),炸藥爆炸產(chǎn)生脈沖壓力對巖體做功,通過介質(zhì)向周圍以波的形式傳播[1]。爆破震動對近礦區(qū)的建筑物及生產(chǎn)生活造成干擾,是影響礦山安全生產(chǎn)的危害因素之一[2-4]。爆破施工前一般采用薩道夫公式為參考對震動峰值核算[5-6],以確定爆破震動值符合標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算時考慮的k、α等是與巖性地質(zhì)環(huán)境等相關(guān)的參數(shù),通用的取值范圍見表1,而對受保護(hù)建筑物進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)震動實(shí)測是確定爆破震動影響的最直接方法[7-8]。在爆破周圍巖體中,爆炸所產(chǎn)生的地震波遇到裂隙或結(jié)構(gòu)面時會產(chǎn)生波的反射等能量耗散現(xiàn)象,在爆破時有減震溝或預(yù)裂孔會降低爆破震動[9]。王和平等[10]通過數(shù)值模擬對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得出有利于保護(hù)邊幫的爆破參數(shù)。同時鉆孔直徑、微差時間、炸藥單耗等參數(shù)對震動也有影響,相同裝藥量時孔徑大爆破震動明顯增大[11]。目前主要有三種方式控制爆破震動影響[12-15]:一是控制爆炸源,主要是控制最大段裝藥量,孔間微差起爆等;二是對受保護(hù)對象采取措施;三是對震動傳播過程中采取的措施,采用減震溝爆破,干擾爆破等。另外建筑物對爆破震動的積累也應(yīng)值得注意[16-17]。對于爆破震動已經(jīng)有了大量研究,但關(guān)于預(yù)裂爆破減震作用的研究較少,將對礦坑爆破數(shù)據(jù)分析,并對比無保護(hù)措施、減震溝爆破、預(yù)裂爆破的震動值,提出適合該礦減震的爆破施工措施。

表1 薩道夫公式參數(shù)與巖性關(guān)系

2 工程背景分析

在爆破施工對建筑物保護(hù)時,一般考慮被保護(hù)建筑物在振動波到達(dá)時的震動速度峰值、加速度、主頻率等參數(shù),工程中一般采用震動峰值作為安全性的主要判據(jù),即采用薩道夫公式在爆破前對爆破震動速度最大值進(jìn)行驗(yàn)證

式中:v——爆破震動速度;

Q——最大段起爆藥量,kg;

R——爆心與測點(diǎn)距離,m;

k、α——與巖性、地質(zhì)工況等條件相關(guān)。

為了在爆破前核算爆破震動峰值,對該礦大量爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行薩道夫曲線回歸,具體如圖1所示。得出k=116.574、α=1.495,由表1 可知該礦巖石屬于較堅(jiān)硬巖石,與爆破施工水平以上從上至下屬表土、松散巖層、泥巖、炭質(zhì)板巖的巖性有差異,而與現(xiàn)場情況開采水平標(biāo)高以下白云巖大理巖巖性指標(biāo)相符,推斷為爆破震動到目標(biāo)質(zhì)點(diǎn)不僅從爆心點(diǎn)到測點(diǎn)直線傳達(dá),同時也來自圍巖各個方向。因此,在具體施工中不應(yīng)僅按爆區(qū)水平標(biāo)高以上巖性及節(jié)理等來參考計(jì)算爆破震動速度,應(yīng)該同時將標(biāo)高以下巖性地質(zhì)構(gòu)造等條件考慮在內(nèi),該礦地層巖性及振動波數(shù)據(jù)采集儀器安置點(diǎn)剖面圖如圖2所示。

圖1 薩道夫回歸曲線

圖2 地質(zhì)剖面圖

3 爆破實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證預(yù)裂爆破、減震溝爆破的減震作用,選取綠紗礦業(yè)礦坑為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn),在同一區(qū)域分別采用1#無減震措施、2#預(yù)裂爆破、3#減震溝爆破進(jìn)行爆破施工,爆破區(qū)域及儀器布置如圖3所示。鉆孔施工使用阿特拉斯沖擊型潛孔鉆機(jī),鉆孔直徑115 mm,成孔直徑為114～118 mm,孔距4.7 m,排距2.3 m,孔深8 m,部分鉆孔因所在位置含氧化性質(zhì)礦石呈現(xiàn)土狀且含水,巖屑在孔內(nèi)難以由壓縮空氣吹至孔外,導(dǎo)致三個爆破區(qū)域孔數(shù)及個別孔孔深有微小差異,在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中忽略。采用17 ms、25 ms、42 ms三種地表延期雷管對孔間微差爆破時間進(jìn)行控制,孔內(nèi)均選用500 ms 延期雷管。考慮位置及爆破量問題,三種方案孔數(shù)都在70 左右,每孔裝藥量均為56 kg,填塞高度約為3.3 m,采用相同的連線方式,三個爆破區(qū)域相鄰,可忽略爆區(qū)間地質(zhì)環(huán)境變化。預(yù)裂爆破與主爆區(qū)相隔2 m,孔間距為1.2 m,采用導(dǎo)爆索傳爆,使用2#巖石乳化藥卷,徑向不耦合裝藥的方式,線裝藥密度為0.6 kg/m。采用TC-4850爆破測振儀分別對爆破震動數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,為自動觸發(fā)式,為了保證觸發(fā)前的信號頭不丟失,本次實(shí)驗(yàn)振動信號采集預(yù)留100 ms 的信號頭,即從觸發(fā)點(diǎn)向前預(yù)保留100 ms 的數(shù)據(jù),對2～300 Hz 頻帶振動波采集。將1、2 號測點(diǎn)距離分別布置在離爆心180 m、120 m 處,記錄三種方案震動信息繪制震動時程曲線進(jìn)行對比。

圖3 實(shí)驗(yàn)爆區(qū)布置

4 數(shù)據(jù)處理與分析

對采集數(shù)據(jù)處理1 號測點(diǎn)如圖4所示。方案一、二、三震動速度峰值分別為0.332、0.286、0.240 cm/s;2 號測點(diǎn)如圖5所示,方案一、二、三震動速度峰值分別為0.995、0.615、0.516 cm/s。根據(jù)兩個測點(diǎn)震動速度曲線可知,未采取減震措施時震動速度最大,采用預(yù)裂爆破時次之,有減震溝時振動值最小。由爆破振動波傳達(dá)到1 號測點(diǎn)的數(shù)據(jù)不采取措施與減震溝爆破最大震動速度分別為預(yù)裂爆破的116.08%、83.92%,而2 號測點(diǎn)分別為161.79%、83.90%,可推斷爆炸源距受保護(hù)體越近,采取減震措施相比無措施減小震動作用越明顯,而減震溝與預(yù)裂爆破減震效果比值一樣,在有條件時采用減震溝效果最佳。在有保護(hù)要求建筑物周圍爆破施工時,在靠受保護(hù)建筑物邊幫位置施工預(yù)裂爆破,為后續(xù)爆破施工提前形成減震溝,預(yù)裂爆破一方面可起到減小爆破對邊幫擾動,同時形成的減震溝減小后續(xù)爆破施工產(chǎn)生較大震動速度對受保護(hù)建筑的擾動。

圖4 1 號測點(diǎn)震速時程曲線

圖5 2 號測點(diǎn)震速時程曲線

將實(shí)驗(yàn)爆區(qū)與測點(diǎn)距離帶入薩道夫公式中,得到1、2 號測點(diǎn)震速0.368、0.675 cm/s,與實(shí)際有一定偏差,已有研究提出通過公式計(jì)算值與實(shí)際振動值會有一定偏差[18],所以在實(shí)際工程應(yīng)用時,應(yīng)將受保護(hù)建筑物震速控制在合理范圍,避免實(shí)際震速超標(biāo)。

圖4 b 中震動時程曲線形成一小段波峰后形成較大波峰,前段波峰為預(yù)裂爆破振動波,由于預(yù)裂爆破需要小孔距大量鉆孔同時起爆,在計(jì)算爆破震動速度時應(yīng)將預(yù)裂爆破產(chǎn)生的震動考慮進(jìn)來。形成的預(yù)裂爆破斷面如圖6所示,由圖可見基本未形成半壁孔,但預(yù)裂爆破對于減震作用已經(jīng)顯現(xiàn)出來。形成半壁孔需要合理的爆破參數(shù)與巖性等因素[19-20],本次試驗(yàn)未形成半壁孔分析有三點(diǎn)原因:一是巖石較為破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育且?guī)r層傾向與預(yù)裂孔斷面相交;二是預(yù)裂爆破裝藥過程中出現(xiàn)藥卷貼在孔壁上;三是應(yīng)對裝藥參數(shù)及布控參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 預(yù)裂爆破斷面

5 結(jié)論

(1)采用預(yù)裂爆破可減小振動危害,阻隔或減小爆破震動傳遞。爆破施工位置離受保護(hù)建筑物越近,預(yù)裂爆破降低震動效果越明顯。

(2)爆破作業(yè)先施工靠邊幫一側(cè),可減小后續(xù)爆破擾動次數(shù),相當(dāng)于為后續(xù)施工制作減震溝,且避免因減震每次施工都使用預(yù)裂爆破而增加的工程成本。