李 輝，王董東，杜文康，弓 煜

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

對(duì)于大規(guī)模露天開采，工程爆破是最為經(jīng)濟(jì)有效的手段[1]。在爆破作業(yè)中炸藥爆炸會(huì)釋放出巨大的能量，所產(chǎn)生的地震波會(huì)對(duì)周圍建筑物以及邊坡巖體帶來負(fù)面影響[2]，對(duì)地震波的傳播進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，可以降低或避免其產(chǎn)生的影響，因此對(duì)爆破地震波的衰減規(guī)律進(jìn)行研究是非常必要的。

近年來，許多爆破工作者針對(duì)爆破振動(dòng)對(duì)周圍建筑物的影響進(jìn)行了深入的研究和探討。胡平[3]等通過對(duì)已有爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，采用了改變掏槽型式、打設(shè)減震孔及增加爆破自由面等方法，把地表建筑物的峰值振速控制在安全范圍內(nèi)，解決了爆破振動(dòng)對(duì)建筑物產(chǎn)生的安全問題；丁新宇[4]等對(duì)磚混結(jié)構(gòu)建筑物的不同樓層進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，研究了爆破振動(dòng)下建筑物的響應(yīng)規(guī)律，從頻率的角度分析了不同高度的樓層隨爆破振動(dòng)的變化情況；瞿東明[5]等考慮了高差影響下的振動(dòng)衰減規(guī)律公式，并使用該公式對(duì)隧道沿線的地面建筑進(jìn)行安全評(píng)估，結(jié)合允許振速分析了不同圍巖等級(jí)下的安全評(píng)價(jià)結(jié)果。

針對(duì)礦山爆破振動(dòng)，爆破學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究。胡方強(qiáng)[6]等采用回歸分析的方法得出了爆破振動(dòng)的衰減規(guī)律，選取最不利因素對(duì)測(cè)點(diǎn)振速進(jìn)行反算，并驗(yàn)證了K和α的可靠性，計(jì)算出不同最大單孔藥量下爆破點(diǎn)到房屋的最近距離；趙學(xué)龍[7]等選取垂向振動(dòng)速度對(duì)礦內(nèi)振動(dòng)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析了預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的誤差，把建筑物所在處的最大振速控制在0.7 cm/s以內(nèi)，確保爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生安全影響。劉濱[8]等結(jié)合振動(dòng)速度和主頻分析了地下開采對(duì)地表建筑物的影響，并驗(yàn)證了回歸模型的準(zhǔn)確性；劉玉福[9]等分別分析了考慮高程影響下和未考慮高程影響的兩種爆破振動(dòng)公式的兩種形式，通過相關(guān)性分析驗(yàn)證了爆破振動(dòng)速度存在高程放大效應(yīng)。

爆破學(xué)者在許多領(lǐng)域取得了大量成果和科研進(jìn)展，為爆破作業(yè)的順利進(jìn)行和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全做出了重大貢獻(xiàn)。安家?guī)X煤礦目前也面臨建筑物安全問題，對(duì)重要建筑物進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，掌握安家?guī)X煤礦爆破地震波的傳播規(guī)律，在前人研究的基礎(chǔ)上，通過引入安全系數(shù)準(zhǔn)確計(jì)算煤礦與周圍建筑物的安全距離是目前急需解決的問題。

1 安家?guī)X煤礦工程概況及爆破設(shè)計(jì)

中煤平朔集團(tuán)有限公司安家?guī)X露天煤礦位于山西省朔州市境內(nèi)，是國(guó)內(nèi)大型露天礦山，礦山開采主要在蘆子溝背斜上部，工作面正在向東推進(jìn)，東幫礦界近距離內(nèi)存在白蘆煤礦辦公樓、職工宿舍、平朔至陶村鄉(xiāng)公路等重要建筑及基礎(chǔ)設(shè)施。目前安家?guī)X露天煤礦正在面臨靠近開采邊界問題，爆破作業(yè)已經(jīng)對(duì)部分建筑物產(chǎn)生影響，引起了民企糾紛，影響了爆破作業(yè)的正常進(jìn)行。

1.1安家?guī)X煤礦工程概況

安家?guī)X煤礦位于寧武煤田北部區(qū)域，2003年7月投入生產(chǎn)，主要開采區(qū)域?yàn)?#煤層、9#煤層和11#煤層，東幫礦區(qū)地層主要由黃土、亞黏土、泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖和煤等組成，節(jié)理發(fā)育較差，巖體完整性良好，含水量相對(duì)較小，巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 安家?guī)X煤礦巖石力學(xué)參數(shù)

1.2 爆破設(shè)計(jì)

安家?guī)X礦山采用混裝炸藥裝藥爆破，反向爆破，孔間延期25 ms，排間延期65 ms。設(shè)計(jì)臺(tái)階高度為15 m，孔深約16.5 m，采用方形布孔，孔距與排距一般為6～8 m，炮孔直徑為160和250 mm，堵塞長(zhǎng)度5～8 m，使用連續(xù)耦合裝藥結(jié)構(gòu)，并使用巖粉填塞炮孔。裝藥結(jié)構(gòu)和爆破區(qū)域切面如圖1所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)和爆破區(qū)域剖面

2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

2.1 測(cè)振儀選取與測(cè)點(diǎn)布置

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的TC-4850爆破振動(dòng)記錄儀和TCS-D3三分量速度傳感器，儀器參數(shù)的設(shè)定為：采樣頻率2000 Hz，觸發(fā)模式采用內(nèi)觸發(fā)，觸發(fā)電平0.05 cm/s，觸發(fā)延時(shí)-100 ms，采樣時(shí)間5 s。為了使得監(jiān)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確，測(cè)振儀器均使用強(qiáng)力快粘粉布置在墻角堅(jiān)固處，并用水準(zhǔn)儀確保傳感器水平安放。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

礦區(qū)東幫建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施較多，為了準(zhǔn)確計(jì)算東幫爆破邊界的安全距離，本次所選取的測(cè)點(diǎn)為較近的重要建筑物，共設(shè)置四個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為測(cè)點(diǎn)一白蘆主工業(yè)廣場(chǎng)辦公樓、測(cè)點(diǎn)二白蘆主工業(yè)廣場(chǎng)職工宿舍、測(cè)點(diǎn)三白蘆副工業(yè)廣場(chǎng)保安室、測(cè)點(diǎn)四白蘆副工業(yè)廣場(chǎng)大門。監(jiān)測(cè)點(diǎn)和爆破作業(yè)區(qū)域位置如圖2所示，共對(duì)12個(gè)爆區(qū)的爆破振動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，獲得了43組數(shù)據(jù)。

3 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

3.1 質(zhì)點(diǎn)峰值速度分析

測(cè)試完成后，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，爆破振動(dòng)峰值速度部分?jǐn)?shù)據(jù)見表2，典型爆破振動(dòng)波形如圖3所示，該測(cè)點(diǎn)布置在主工業(yè)廣場(chǎng)辦公樓，反映了爆破時(shí)該點(diǎn)的爆破振動(dòng)速度變化情況，其中X方向?yàn)樗綇较?指向爆破中心方向)，Y方向?yàn)樗角邢?垂直于爆破中心方向)，Z方向?yàn)樨Q直方向。由于地形變化明顯，在幾次振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度變化相對(duì)較大，總體變化情況為隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆破中心距離增大時(shí)，振速逐漸較小。

圖3 典型爆破振動(dòng)波形

表2 爆破參數(shù)與振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在計(jì)算爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)峰值速度時(shí)，爆破學(xué)者主要采用的是使用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行回歸分析，國(guó)內(nèi)最廣泛使用的是蘇聯(lián)學(xué)者總結(jié)的薩道夫斯基公式[10，11]：

V=K(Q1/3/R)α

(1)

式中，V為建筑物所在地質(zhì)點(diǎn)峰值振速，cm/s；Q為延時(shí)爆破時(shí)的最大單段藥量，kg；R為建筑物所在地到爆破中心的距離，m；K、α為爆破中心與建筑物所在地的地形、地質(zhì)條件和爆破條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

在對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度擬合時(shí)，通常將薩道夫斯基公式轉(zhuǎn)化為一元線性回歸進(jìn)行分析[12，13]，式(1)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)后，可變形為：

lnV=αln(Q1/3/R)+lnK

(2)

令y=lnV，x=ln(Q1/3/R)，b=lnK，式(2)則可變形為一元線性方程的形式：

y=αx+b

(3)

對(duì)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，為了得到爆破振動(dòng)的傳播規(guī)律，采用一元線性回歸方程進(jìn)行回歸分析，將監(jiān)測(cè)所得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度擬合結(jié)果

對(duì)43組監(jiān)測(cè)值進(jìn)行線性回歸分析，得到的薩道夫斯公式分別為：

Vx=888.914(Q1/3/R)2.03

(4)

Vy=757.482(Q1/3/R)2.01

(5)

Vz=1339.431(Q1/3/R)2.15

(6)

由于爆破區(qū)域與建筑物之間存在的溝渠和公路起到了一定的減振作用，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，爆破地震波傳播路徑上地形與地質(zhì)參數(shù)變化較大，因此將回歸分析得到的K值和α值與《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[14]中的參考值進(jìn)行對(duì)比，二者存在差別，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的參數(shù)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件和爆破參數(shù)及時(shí)調(diào)整[15-17]。回歸公式的相關(guān)系數(shù)r均大于0.8，說明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的離散性較小，通過變形后的薩道夫斯基公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合是可靠的，能夠反映安家?guī)X煤礦爆破時(shí)建筑物附近的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況，回歸結(jié)果能夠應(yīng)用于安家?guī)X煤礦的工程需求。

3.2 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度預(yù)測(cè)與分析

通過線性回歸得到的薩道夫斯基公式對(duì)爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，再對(duì)安家?guī)X煤礦爆破作業(yè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共計(jì)得到20組數(shù)據(jù)，把預(yù)測(cè)值與安家?guī)X煤礦爆破作業(yè)時(shí)建筑物所在處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值進(jìn)行對(duì)比，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表3，分析預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)值的絕對(duì)誤差，可得出并非所有的監(jiān)測(cè)值都低于實(shí)測(cè)值，X、Y、Z方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度實(shí)測(cè)值大于預(yù)測(cè)值的百分比分別為35%、30%、35%?？梢?，通過傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式只能對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度進(jìn)行一定范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)，無法保證建筑物的安全狀態(tài)，為了礦區(qū)的順利生產(chǎn)且不對(duì)既有建筑物帶來安全隱患，需要引入安全保證系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

表3 實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

4 爆破振動(dòng)安全允許距離確定

4.1 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度預(yù)測(cè)

在通過薩道夫斯基公式進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度預(yù)測(cè)時(shí)，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值會(huì)存在較大誤差[18]，即令某一點(diǎn)的預(yù)測(cè)值為y，實(shí)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)值為Y，則該點(diǎn)的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的關(guān)系可以表示為：Y=y+ε，式中，ε為誤差值。ε為隨機(jī)誤差，其值的大小與正負(fù)是不可控的，因此，預(yù)測(cè)所得到的振動(dòng)速度可靠性較低，若通過該值確定最小安全距離，則會(huì)對(duì)建筑物的安全帶來較大隱患。梁書峰等[19]通過理論分析與工程實(shí)踐相結(jié)合，得出了基于可靠性指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)式如下：

式中，ε為預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的誤差；n為監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；β為顯著性水平；tβ/2(n-2)為在可靠性指標(biāo)為(1-β)的情況下的t-分布；r為相關(guān)性系數(shù)。

為保證建筑物的安全，分別取1-β=95%和1-β=99%，即在置信區(qū)間為95%和99%下求得ε值，由于預(yù)測(cè)振動(dòng)速度對(duì)建筑物的影響，故只需計(jì)算出右側(cè)置信區(qū)間即可，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 各參數(shù)計(jì)算值

通過表4計(jì)算出的結(jié)果與式Y(jié)=y+ε與線性回歸結(jié)果對(duì)比，計(jì)算如圖5所示，可以看出在X方向、Y方向與Z方向上取置信度1-β=95%時(shí)，預(yù)測(cè)直線不能完全包絡(luò)樣本點(diǎn)，此時(shí)不能保證建筑物處于安全的狀態(tài)，隨著安家?guī)X煤礦的工作面向東推進(jìn)，質(zhì)點(diǎn)峰值振速有超出包絡(luò)線的可能，即隨著爆心距的減小，預(yù)測(cè)值可能會(huì)接近甚至超過預(yù)測(cè)曲線；當(dāng)置信度取1-β=99%時(shí)，樣本點(diǎn)能夠較好地被預(yù)測(cè)直線包絡(luò)。因此，為了周圍建筑物安全狀態(tài)能夠得到更好的安全保障，置信度1-β=99%時(shí)更為可靠的。

圖5 置信水平為95%和99%計(jì)算

4.2 最小安全允許距離確定

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)評(píng)估爆破振動(dòng)對(duì)保護(hù)對(duì)象的振動(dòng)影響時(shí)，需結(jié)合質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度與振動(dòng)主頻進(jìn)行判定，安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度見表5。監(jiān)測(cè)地點(diǎn)處存在民用建筑和工業(yè)建筑，經(jīng)過對(duì)比，為使建筑物都處于安全狀態(tài)，應(yīng)取最不利組合。由于爆破地震波在傳播時(shí)高頻成分振動(dòng)波衰減較快[20，21]，且結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果，建筑物所在處的主頻多分布在0～10 Hz，所以在確定最小安全距離時(shí)，綜合考慮保護(hù)對(duì)象類別和振動(dòng)主頻，安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度取2 cm/s較為合適。

表5 安全允許振動(dòng)速度

對(duì)式Y(jié)=y+ε，其中Y=lnV，y=αx+b，x=ln(Q1/3/R)。進(jìn)行變形可得：

帶入已知參數(shù)可得：

式中，Rx、Rx、Rz分別表示X方向、Y方向、Z方向在最大單段藥量為Q時(shí)的安全允許距離。

安家?guī)X露天煤礦爆破作業(yè)采用的最大單段藥量主要為402、616、748、836 kg。利用上述安全允許距離公式對(duì)最小安全距離進(jìn)行計(jì)算(表6)可得：當(dāng)最大單段藥量分別為402、616 、748和836 kg時(shí)，對(duì)應(yīng)的最小安全距離為210.22、242.36、258.56和268.33 m。預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可為安家?guī)X礦界向東推進(jìn)時(shí)提供理論依據(jù)，同時(shí)為類似工程提供理論參考。

表6 不同單段藥量下安全允許距離值

5 結(jié) 論

1)采用一元線性回歸方程對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度預(yù)測(cè)公式相關(guān)性較好。

2)預(yù)測(cè)建筑物所在處質(zhì)點(diǎn)峰值振速時(shí)，引入安全保證系數(shù)能夠較好地保證建筑物處于安全狀態(tài)。置信區(qū)間1-β=99%與1-β=95%相比更具優(yōu)勢(shì)，預(yù)測(cè)直線能夠完全包絡(luò)樣本點(diǎn)，更具有可靠性。

3)由于爆破地震波傳播路徑上地形和地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因此回歸分析所得到的K值和α值與《爆破安全規(guī)程》相比存在一定的差異，為了更好地反映實(shí)際情況應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定值。

4)結(jié)合安全保證系數(shù)和《爆破安全規(guī)程》對(duì)于一般民用建筑的安全振速允許值，確定出三方向最小安全距離公式分別為Rx=28.484Q1/3，Ry=27.513Q1/3，Rz=27.791Q1/3，并計(jì)算出不同最大單段藥量下的安全距離。也可通過公式計(jì)算，在爆心距確定的情況下及時(shí)調(diào)整最大單段藥量，為礦區(qū)的生產(chǎn)和周圍建筑物的安全提供參考。