陳慶凱 孫運峰 李桂臣 雷 高 賈建軍 秦志輝

(1.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819；2.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司,遼寧 鞍山 114046)

何家采區(qū)爆破振動波傳播規(guī)律的研究

陳慶凱1孫運峰1李桂臣1雷 高1賈建軍2秦志輝2

(1.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819；2.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司,遼寧 鞍山 114046)

爆破振動是爆破的三大危害之一，它能使爆區(qū)周圍的工業(yè)建筑和民房受損，形成嚴重的爆破危害。為了研究弓長嶺露天鐵礦何家采區(qū)生產(chǎn)爆破所產(chǎn)生的振動波傳播規(guī)律和對周邊環(huán)境的影響程度，控制爆破振動負面效應，對其生產(chǎn)爆破在爆區(qū)與其附近的何家村之間采用定點觀測的方法進行監(jiān)測，獲得了爆破地震波形數(shù)據(jù)，詳細分析了爆破地面質點振動速度、頻率和持續(xù)時間等特征參數(shù)。分析結果表明，采區(qū)生產(chǎn)爆破時產(chǎn)生的爆破地震效應較弱，因此，生產(chǎn)爆破所產(chǎn)生的爆破振動對何家采區(qū)周圍的居民房屋危害不大。同時，利用最小二乘法對測得的數(shù)據(jù)進行線性回歸，得出了質點振動速度經(jīng)驗公式，為確定礦山不同爆區(qū)生產(chǎn)爆破的最大同段藥量和預測、控制爆破振動強度提供了參考。

爆破振動 傳播規(guī)律 最小二乘法 質點振動速度

礦山生產(chǎn)爆破必然會產(chǎn)生爆破振動，對周邊環(huán)境造成一定的影響，其對周邊環(huán)境的影響程度有多大以及如何降低爆破振動產(chǎn)生的負面效應己成為研究人員和工程人員特別關注的問題之一[1-3]。研究爆破振動波傳播規(guī)律既是使爆破振動負面效應得到有效控制的前提和基礎，又為降低爆破振動危害提供了依據(jù)[4]。鑒于弓長嶺露天鐵礦何家采區(qū)周圍居民反應礦山在生產(chǎn)爆破過程中對其房屋造成了影響，為研究其影響程度，控制爆破振動負面效應，在爆區(qū)附近通過定點監(jiān)測，根據(jù)經(jīng)驗公式擬合出了振動衰減規(guī)律，實現(xiàn)了對爆破振動強度的預測和控制。

1 采區(qū)概況

弓長嶺露天鐵礦何家采區(qū)是鞍鋼集團弓長嶺礦業(yè)公司主要采區(qū)之一，設計鐵礦石生產(chǎn)能力400萬t/a，其中貧磁鐵礦300萬t/a。經(jīng)過多年的連續(xù)開采，已由原來的山坡露天開采轉入深凹露天開采。目前正在開采128 m水平和116 m水平，封閉圈標高212 m。何家采區(qū)礦體節(jié)理裂隙發(fā)育，堅固性系數(shù)f=13，采用中深孔爆破，炮孔直徑250 mm，填塞長度6.5 m，耦合連續(xù)裝藥，炸藥類型為乳化銨油炸藥(乳化∶銨油=2∶1)。

2 測試系統(tǒng)與監(jiān)測方案

2.1 測試系統(tǒng)

爆破地震測試系統(tǒng)選用加拿大Instantel公司生產(chǎn)的MiniMate Plus爆破地震儀，每臺MiniMate Plus爆破地震儀可以連接2個三向(橫向、垂向、軸向)標準振動速度傳感器。MiniMate Plus爆破地震儀測試的爆破地震振動速度范圍為0～254 mm/s，頻率范圍為2～250 Hz。當采樣速率為2 048次/s時，可以連續(xù)記錄26 s爆破振動事件。

2.2 測試方案

何家村位于采區(qū)的東北方向，在何家村與采區(qū)之間的觀測臺和采礦車間附近布置6個測點。受測試現(xiàn)場條件限制，6個測點沒有完全在1條直線上，但方向基本趨于一致。共分5次對5個爆區(qū)分別進行爆破振動測試，5個爆區(qū)的爆破參數(shù)詳見表1。測點與爆區(qū)的位置關系如圖1所示。在圖1中，爆區(qū)標記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，監(jiān)測點標記為①、②、③、④、⑤、⑥。

表1 爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters

圖1 爆區(qū)與監(jiān)測點的位置Fig.1 The locations of Blasting area and monitoring points

3 測試結果與分析

3.1 測試結果

爆破振動測試共進行了5次，每次測試選擇的爆區(qū)均為礦山生產(chǎn)爆破對周圍村民住宅影響較嚴重的位置，獲得了21個測點數(shù)據(jù)，其中爆破振動質點速度列于表2，爆破振動頻率與持續(xù)時間列于表3。

3.2 數(shù)據(jù)分析

大量的理論研究和實測結果表明，在爆破地震作用下，建筑物的破壞不僅取決于地面質點振動速度，而且和振動頻率、持續(xù)時間及建筑物的固有特性密切相關[5]。在相同振動強度條件下，頻率越低，破壞能量就越大。同時，建筑物的自振頻率很低，一般在幾赫茲左右，頻率低更容易與建筑物形成共振，形成更大的破壞作用。爆破振動持續(xù)時間的長短，對建(構)筑物的影響程度也不盡相同，在同樣振動強度作用下，持續(xù)時間越長，其破壞力就越大。所以在評價爆破振動對建(構)筑物的危害時，除用振動強度和主振頻率作為破壞判據(jù)外，還應考慮爆破振動持續(xù)時間對建(構)筑物的累積破壞作用[6]。

表2 爆破振動質點速度Table 2 Blasting vibration particle velocity

表3 爆破振動頻率與持續(xù)時間Table 3 Blasting vibration frequency and duration time

從表2中的測試結果可知，生產(chǎn)爆破引起位于采場邊緣的觀測臺上的爆破振動質點速度最大，其值為11.3 mm/s；采礦車間院內(nèi)僅1次達到5.48 mm/s，其余均低于5.0 mm/s，而周圍村民住宅在⑥號測點以東80 m以外，由此可以判定居民住宅的爆破振動強度低于5.0 mm/s。由于居民房屋多為平房，由表3和表4可知，其允許的最大質點振動速度值在0.5～1.2 cm/s之間。同時，何家采區(qū)爆破地震持續(xù)時間較短，不到2 s，其中掘溝爆破地震持續(xù)時間只有一個超過1 s，其值僅為1.2 s。通過綜合考慮爆破振動質點速度、爆破振動頻率和爆破振動持續(xù)時間三方面因素，可知爆破地震對周圍居民房屋的危害不大。

表4 爆破振動安全允許標準(GB6722—2003)[7]Table 4 Blasting vibration safe and permitted standard (GB6722-2003)

3.3 質點振動速度公式的回歸

爆破是一個非常復雜的過程，很難對其進行定量的研究，以往的工程人員根據(jù)多年的工作經(jīng)驗，對質點振動速度與藥量之間的關系提出不同的經(jīng)驗表達式，我國主要采用M.A.薩道夫斯基公式[7]：

(1)

式中，v為質點振動速度最大值，cm/s；Q為裝藥量，kg。齊發(fā)爆破時為總裝藥量，微差爆破時為最大同段裝藥量；R為爆心距即監(jiān)測點至爆源中心的距離，m；K為與爆破場地條件有關的系數(shù)；α為與傳播介質有關的地震波衰減系數(shù)。

1966年，美國礦業(yè)局J.R.Devine在對20個采石場和建設工地的爆破振動觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的基礎上，提出了柱狀裝藥結構[8]振動速度與藥量之間的關系表達式：

(2)

公式(1)和(2)中系數(shù)K、α值可通過大量現(xiàn)場試驗，采用最小二乘法進行回歸得到。常用值列于表5。

表5 不同巖石性質的K、α值Table 5 Different rock properties of K、α value

露天深孔爆破時采用的是柱狀裝藥，質點振動速度采用公式(2)回歸更合理。將所測得的數(shù)據(jù)用最小二乘法進行回歸，可得到質點振動速度公式如下：

(3)

3.4 最大同段裝藥量的確定

何家采區(qū)周圍村民房屋離最近1個爆區(qū)的距離為513 m，為保證村民房屋的安全，允許的爆破最大質點振動速度為0.5 cm/s，將其代入(3)式得Q=881 kg，即最近一個爆區(qū)允許的最大同段裝藥量為881 kg。

4 結 論

(1)爆破地震強度低。礦山生產(chǎn)爆破產(chǎn)生的爆破地震效應較弱，5次監(jiān)測僅1個測試結果為v=1.13 cm/s，其余均小于該值，而該結果是在采場封閉圈邊緣觀測臺上測得，其生產(chǎn)爆破為掘溝爆破；采礦車間院內(nèi)的測試結果僅一個測點為v=0.55 cm/s，其余均低于v=0.5 cm/s，由于采場周邊居民房屋距爆區(qū)的距離均遠于采礦車間，故可以判定居民住宅處的爆破地震強度不會超過采礦車間院內(nèi)的爆破地震強度。

(2)爆破地震頻率高。主振頻率在6.7～19.3 Hz之間，其中10～19.3 Hz的占84.2% 。

(3)爆破地震持續(xù)時間短。掘溝爆破地震持續(xù)時間在0.34～1.2 s之間，多數(shù)不超過1 s；臺階爆破地震持續(xù)時間較掘溝爆破稍長些，在0.89～1.7 s之間。

(4)質點振動速度公式。采用最小二乘法回歸出的質點振動速度公式，可用于指導現(xiàn)場爆破設計，確定不同爆區(qū)的最大同段藥量。

(5)值得注意的是為了回歸出更具代表性的質點振動速度公式，應該獲得大量的數(shù)據(jù)，而本次回歸的數(shù)據(jù)量明顯偏少，有待進一步驗證。

(6)為進一步減小爆破振動對周圍居民房屋的影響，針對弓長嶺露天鐵礦何家采區(qū)的生產(chǎn)爆破提出如下建議：①采用單孔起爆技術，降低最大同段起爆藥量；②盡量改壓碴爆破為清碴爆破；③調(diào)整掘溝位置，掘溝時第一炮應選擇在采區(qū)的中部以西位置。

[1] 劉洪興，璩世杰，何 文，等.露天礦爆破振動對建(構)筑物穩(wěn)定性影響研究[J].金屬礦山，2013(6)：25-28. Liu Hongxing,Qu Shijie,He Wen,et al.Effects of open pit mine explosive vibration on the stability of constructions[J].Metal Mine,2013(6):25-28.

[2] 傅洪賢，趙 勇，謝晉水，等.隧道爆破近區(qū)爆破振動測試研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30(2):335-340. Fu Hongxian,Zhao Yong,Xie Jinshui,et al.Study of blasting vibration test of area near tunnel blasting source[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(2):335-340.

[3] 姚 勇，何 川.并設小凈距隧道爆破振動響應分析及控爆措施研究[J].巖土力學.2009，30(9)：2815-2822. Yao Yong,He Chuan.Analysis of blasting vibration response of parallel set small clear-distance tunnels and blasting control measures[J].Rock and Soil Mechanics.2009,30(9):2815-2822.

[4] 趙昕普.爆破振動衰減規(guī)律與爆破振動對巖體累積損傷影響的研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2008. Zhao Xinpu.Research of Attenuation Law of Blasting Vibration and Effects Caused by Accumulated Damage[D].Fuxin:Liaoning Technical University,2008.

[5] 周 鐸.爆破振動對古建筑物的影響以及古建筑物的防震措施[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學，2010. Zhou Duo.The Analysis of Mine Blasting Vibration on the Impact of Ancient Architecture[D].Baotou:Inner Mongolia University of Science and Technology,2010.

[6] 孫豁然，佟彥軍，李孝林，等.露天煤礦拋擲爆破振動效應的研究[J].爆破，2008，25(1)：69-73. Sun Huoran,Tong Yanjun,Li Xiaolin,et al.Study on the vibration effect of sling blasting in an open coal mine[J].Blasting,2008,25(1):69-73.

[7] GB 6722—2003.爆破安全規(guī)程[S].北京：中國標準出版社，2004. GB 6722-2003.Safety Specifications of Blasting[S].Beijing：China Standards Press,2004.

[8] 盧文波，Hustrulid W.質點峰值振動速度衰減公式的改進[J].工程爆破，2002，8(3)：1-4. Lu Wenbo,Hustrulid W.An improvement to the equation for the attenuation of the peak particle velocity[J].Engineering Blasting,2002,8(3):1-4.

(責任編輯 石海林)

Research of the Law of Blasting Vibration Wave Propagation in Hejia Mining Area

Chen Qingkai1Sun Yunfeng1Li Guichen1Lei Gao1Jia Jianjun2Qin Zhihui2

(1.CollegeofResourceandCivilEngineering，NortheasternUniversity,Shenyang110819,China; 2.AnshanIronandSteelMiningBlastingCo.,Ltd.,Anshan114046,China)

Blasting vibration is one of the three major hazards of blasting.It can make industrial buildings and civil buildings around the blasting area damaged,resulting in serious blasting hazards.In order to explore the law of vibration wave propagation in production blasting in Hejia mining area of Gongchangling open-pit iron mine and the impact on the surrounding environment to control the negative effects of blasting vibration,the fixed point observation on the production blasting is made to monitor the area between the blasting areas and near the village,obtaining the blasting seismic wave data.The parameters of particle vibration velocity at blasting point,blasting frequency and duration time are analyzed in detail.The analysis results show that blasting seismic effect during the mining blasting is weak,so the blasting vibration has little harm to the residents' houses around Hejia mining area.The linear regression of the data is realized by using the least squares method,obtaining the particle vibration velocity empirical formula,which provides the reference for determining the maximum charge at the same interval in different blasting area,and predicting and controlling the blasting vibration intensity.

Blasting vibration,Propagation law,Least squares method,Particle vibration velocity

2014-05-09

陳慶凱(1965—)，男，副教授，博士，碩士研究生導師。

TD854.2

A

1001-1250(2014)-10-018-04