史秀志，黃敏，陳壽如

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙410083)

基于爆破震動監(jiān)測安全弱震震速閾值的確定

史秀志，黃敏，陳壽如

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙410083)

工程爆破震動控制一直是爆破界的一個重要研究課題，而準(zhǔn)確地預(yù)測爆破引起的質(zhì)點震動速度是有效控制爆破震動危害的前提。主要介紹國內(nèi)某一大型露天礦山的爆破現(xiàn)狀以及爆破震動危害，且針對礦山目前現(xiàn)狀，進(jìn)行現(xiàn)場爆破震動監(jiān)測以及數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而確定周邊民房建筑物安全弱震震速閾值，并確定爆破最大段藥量的控制，為降低露天礦山爆破震動危害提供了一定參考。

臺階爆破;爆破震動;震動監(jiān)測;線性回歸;震速閾值;最大段藥量

0 引言

露天采場臺階爆破震動經(jīng)常影響采場周邊建筑設(shè)施和邊坡穩(wěn)定，降低露天采場爆破震動已成為礦山安全開采的重點課題。當(dāng)前國內(nèi)礦山采用的降震、減震措施主要有:微差爆破技術(shù)、控制最大段藥量、采用分散裝藥結(jié)構(gòu)、采用最小抵抗線原理、挖掘預(yù)裂帶、采用不偶合裝藥結(jié)構(gòu)等［1］。保證爆破震動安全的根本措施是降低爆破震動。各類降震措施中盡管采用的手段不同，但大多數(shù)是通過嚴(yán)格控制某一瞬間(段)的最大裝藥量來控制震動強度，使之與爆源到控制點距離相匹配［2］。

有關(guān)臺階爆破的震動效應(yīng)成果顯示，在爆破近區(qū)范圍外，震動能量主要由最大段藥量決定。因此目前廣泛使用的微差爆破技術(shù)主要是通過控制最大段藥量來控制爆破震動［3］。

國內(nèi)某一大型露天礦山采場北幫臺階爆破地震已引起周邊民房震動，造成該村房屋漏雨、傾斜、開裂，給周圍村民生產(chǎn)生活造成一定影響。為構(gòu)建和諧礦山生產(chǎn)體系，避免引起村民糾紛和安全事故的發(fā)生，必須進(jìn)行露天采場深孔爆破地震對該周邊環(huán)境影響的監(jiān)測和評估，找出減小爆破地震強度的措施和確定爆破地震的安全距離，進(jìn)而控制和降低爆破震動危害，保證今后采場爆破的順利進(jìn)行。

1 爆破現(xiàn)狀

目前該露天采場已進(jìn)入高邊坡開采(+86m臺階)，頻繁爆破施工對采場周邊民房建筑物產(chǎn)生了較大影響，使工農(nóng)關(guān)系一度緊張，影響整個采場的規(guī)劃和爆破設(shè)計施工。

露天礦爆破工程中巖石主要為白云質(zhì)灰?guī)r，爆破方案為:當(dāng)臺階高度為大于12m時采用孔內(nèi)分段間隔裝藥，孔內(nèi)孔間間隔延時微差爆破;當(dāng)臺階高度小于10m時采用連續(xù)裝藥，孔間微差爆破;臨近最終邊坡時采用預(yù)裂爆破。爆破參數(shù)為:每次爆破炮孔數(shù)為8個，炮孔孔徑250mm，孔深13～14m，孔距5m，為防止爆破產(chǎn)生根底，孔深超深0.5～1.5m。

起爆網(wǎng)路和起爆方式為:每個炮孔內(nèi)，上部藥包和下部藥包分別用2發(fā)9段和2發(fā)8段毫秒導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)4發(fā)導(dǎo)爆管均引至孔外，兩孔之間串聯(lián)2發(fā)5段毫秒導(dǎo)爆管雷管組成非電雷管，孔外接力起爆網(wǎng)路，用火雷管起爆，實現(xiàn)孔內(nèi)孔外延期微差起爆。

2 爆破震動監(jiān)測

擴幫爆破區(qū)均位于+86m臺階，共進(jìn)行5次爆破震動監(jiān)測。在爆破區(qū)東北方向有一村莊，距離爆破區(qū)為315～510m。5次爆破裝藥情況:第一次、第二次和第五次爆破總裝藥量分別為1625，2100和1850kg，最大段藥量均為150kg;第三次和第四次爆破總裝藥量分別為2200kg和1500kg，最大段藥量分別為160kg和105kg。

從爆區(qū)到附近采場周邊村莊的路徑上布置12個測點，后3個監(jiān)測點位于村莊民房建筑物平整地面上，每個測點都測定垂直和水平方向震動速度，共取得100組有效的爆破震動監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 爆破震動回歸分析

通過爆破震動測試可以了解爆破區(qū)爆破震動衰減規(guī)律，從而控制最大段藥量，使最大震動速度控制在允許范圍內(nèi)。對爆破震動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，觀測爆破震動的峰值震速，利用該參量來反映受振測點在應(yīng)力方面的受力狀態(tài)，從而評價爆破震動地面建(構(gòu))筑物危害程度。一般而言，近區(qū)垂直方向的震速較大，遠(yuǎn)區(qū)水平徑向的震速較大。相關(guān)數(shù)據(jù)的分析方法因考慮的因素差異而有所不同:不使用高差因子表達(dá)時，采用一元線性回歸數(shù)理統(tǒng)計方法;當(dāng)爆心與測點之間或各測點之間高差變化大時，可采用使用高差因子表達(dá)的二元線性回歸方法，此方法可有效地預(yù)測復(fù)雜地形條件下測點的質(zhì)點振動速度，且比傳統(tǒng)預(yù)測公式具有更高的精度［4］。

從量綱分析的角度，質(zhì)點震動速度可經(jīng)驗地表述為:

(1)不使用高差因子表達(dá)的薩道夫斯基公式:

(2)使用高差因子表達(dá)的薩道夫斯基公式:

式中:v——爆破震動震速峰值，cm/s;

ρ——比例藥量;

Q——爆破最大段藥量，kg;

R——爆心至測點的距離，m;

S——爆心至測點的水平距離，m;

K——場地條件系數(shù)，由測震試驗確定;

β——高差影響指數(shù)，由測震試驗確定。

通過5次爆破震動監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用一元線性回歸方法可求得k、α值，從而得到臺階爆破中爆破質(zhì)點震速衰減方程，可有效地預(yù)測臺階爆破中距爆源一定距離處某測點的垂直震速和水平震速。由于5次爆破震動監(jiān)測測點與爆心在垂直方向上的分布不一致性(在爆心上方和下方都有測點)，二元線性回歸結(jié)果相關(guān)性很差，只能使用一元線性回歸。同時為得到盡可能準(zhǔn)確的分析結(jié)果，必須剔除一些因偶然誤差而造成偏差較大的數(shù)據(jù)，此時得到的線性回歸相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到合適的要求，并且滿足實際需要，如垂直震動速度共有51組數(shù)據(jù)，剔除A2#、D5#兩組數(shù)據(jù)，得到的相關(guān)系數(shù)是0.9099。水平震動速度共用49組數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:同一測點上垂直震動速度普遍大于水平震動速度，因而采用垂直震動速度來控制震動危害較為合理、也較為嚴(yán)格。

線性回歸主要參數(shù)見表1。對表1中測試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果為:K=177.89，α=1.470，相關(guān)系數(shù)S=0.9099。因此對于本次爆破震動監(jiān)測的垂直震動速度的爆破震動傳播規(guī)律的薩道夫斯基公式可以表示為:

公式(3)是從51組樣本中回歸得到的，樣本數(shù)量充足，相關(guān)系數(shù)較大，具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性，其回歸結(jié)果較好地反映了爆破震動垂直質(zhì)點震速在該礦北幫擴幫臺階爆破中巖層和地質(zhì)條件下隨著比例藥量變化的衰減規(guī)律，在隨后的爆破震動控制中應(yīng)將公式(3)作為重要的參考依據(jù)。

4 房屋危害程度評估

5次爆破震動監(jiān)測中，采場周邊村莊房屋地面上3個監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果表明:垂直震動速度范圍從0.049～0.417cm/s，最大震動速度為0.417 cm/s，主頻為22.71Hz，所測定的地震波主頻范圍在19.04～24.14Hz。參照GB6722－2003《爆破安全規(guī)程》第6.2.2條款有關(guān)規(guī)定:一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物爆破震動頻率在10～50Hz之間時，安全允許振速為2.3～2.8cm/s。根據(jù)式(3)，可計算最不利情況，即當(dāng)爆心測點距R為275m(以前臺階爆破中爆心最接近民房的距離)，最大段藥量為250kg時，房屋地面的最大垂直震速僅為0.691cm/s;當(dāng)爆心測點距R為350m，最大段藥量為250kg時，房屋地面的最大垂直震速僅為0.485 cm/s，均比安全允許振速2.3cm/s要小得多。說明在現(xiàn)今爆破條件下，當(dāng)最大段藥量小于250kg時，從爆破震動速度方面來評估民房建筑物是安全的，這樣的爆破震動速度不會造成房屋的結(jié)構(gòu)性損傷。

5 房屋安全弱震震速閾值的確定

考慮到生產(chǎn)爆破的長期性和頻繁性，當(dāng)房屋建筑結(jié)構(gòu)承受震動速度超過一定值時會引起疲勞損傷積累，加劇其破壞過程，因此就應(yīng)留有較大的安全系數(shù)。參照以往類似工程的成功經(jīng)驗，確定采場周邊民房不損傷的弱震震速閾值V0=0.50cm/s［5］。

該露天礦每次爆破設(shè)計都進(jìn)行爆破地震速度計算，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，將民房和廠房的爆破震動速度控制在2cm/s和2.5cm/s以內(nèi)。兩年多來，一直按這樣震動速度進(jìn)行控制，但村民仍然反映很強烈，這樣的事實說明實際應(yīng)用的控制震動速度必須要比上述嚴(yán)格很多，因此確定房屋安全弱震震速閾值V1=0.50cm/s是合適的，也具有較大的安全系數(shù)。

表1 垂直震動速度線性回歸主要參數(shù)

現(xiàn)場爆破震動監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)位于房屋地面上監(jiān)測點爆破震動速度超過0.4cm/s時，許多村民反映強烈，而小于該值時全體村民無人投訴。為構(gòu)建和諧社會，徹底改善采場周邊環(huán)境，應(yīng)采取更加嚴(yán)格的爆破震動控制措施，因而確定采場周邊村民不投訴的房屋安全弱震震速閾值V2=0.35cm/s。

綜上所述，確定今后房屋安全弱震震速閾值范圍V=0.35～0.50cm/s。

另外高善堂［6］認(rèn)為同一場地的爆破地震波傳播規(guī)律是不相同的，近區(qū)衰減快，K值大，中遠(yuǎn)區(qū)則相反，因此應(yīng)根據(jù)距爆源中心的近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)地震波衰減速度不同的規(guī)律，分別計算。如果采用綜合的K、α值，那么計算出來的振動速度對近區(qū)偏小，對中深區(qū)偏大。可知按以上安全弱震震速閾值對中遠(yuǎn)距離(ρ＜0.05)的民房安全性進(jìn)行評估同樣具有一定的可靠性。

6 最大段藥量控制

在安全弱震震速閾值條件下，可計算出爆心測點距R與最大段藥量Q之間的關(guān)系。當(dāng)房屋安全弱震震速閾值為0.50cm/s和0.35cm/s時，距離爆破區(qū)域為310m左右的村莊民房允許的最大段藥量分別為185kg和90kg左右;今后按房屋安全弱震震速閾值來控制最大段藥量，可將爆破震動對民房危害以及對村民生產(chǎn)生活的影響降至最低。

7 結(jié)語

通過對最大段藥量控制可以有效地降低爆破震動的峰值質(zhì)點振速，其主要原理是:在保證礦巖能夠充分破碎的條件下，減少爆破能量源的大小可以降低爆破震動強度［7］。

露天采場臺階爆破進(jìn)行爆破震動的控制還應(yīng)盡量使用清碴爆破和單排孔起爆、適當(dāng)增加各相鄰段的起爆時間間隔、合理安排臺階爆破的采場工作面推進(jìn)方向、臺階爆破中使用小直徑炮孔、擴大每次生產(chǎn)規(guī)模時的孔內(nèi)外微差起爆網(wǎng)路、合理安排臺階爆破的采場工作面推進(jìn)方向、盡量使不抗震建(構(gòu))筑物處在起爆方向的側(cè)向等。另外辜大志等［8］認(rèn)為改變起爆順序，采用斜線或“V”型起爆，可以取得較好的降震效果。有孔底空氣間隔裝藥比無孔底空氣間隔裝藥平均降震率達(dá)到10%～15%，大塊降低率達(dá)30%以上。盧文川等［9］對露天鐵礦中深孔爆破進(jìn)行研究，認(rèn)為通過預(yù)裂爆破和空氣間隔裝藥聯(lián)合降震技術(shù)，可降低30%的中深孔爆破震動?？傊鞣N技術(shù)措施只有綜合運用才能有效地降低爆破震動效應(yīng)，才能保障礦山安全有序的生產(chǎn)。

［1］王域.露天礦降震技術(shù)研究［C］∥第五屆全國礦山采選技術(shù)進(jìn)展報告會.馬鞍山:《礦業(yè)快報》雜志社，2006，444:537－539.

［2］張志呈.淺談評價爆破地震效應(yīng)的方法和標(biāo)準(zhǔn)［J］.爆破器材，1998，27(3):32－35.

［3］黃杰安，林杭.巖土介質(zhì)爆破地震波的傳播特性分析［J］.基礎(chǔ)與前沿研究，2008，24(3):39－42.

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［5］陳壽如，唐信來，王恒富，等.爆廈門機場高速路JC2、JC3合同段爆破震動監(jiān)測與控制技術(shù)研究［R］.長沙:中南大學(xué)，2008.

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［8］辜大志，謝圣權(quán)，陳壽如.孔底空氣間隔裝藥改善爆破震動效果的研究［J］.采礦技術(shù)，2004，4(4):64－66.

［9］盧文川，莊世勇，高洪亮.爆破震動危害的控制［J］.礦業(yè)工程，2004，2(3):35－37.

2011－07－06)

史秀志(1966－)，男，河北沙河人，博士，教授，從事采礦與巖土方面的教學(xué)與研究，Email:shixiuzhi@263.net。