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        多點(diǎn)爆破震動(dòng)速度衰減規(guī)律研究

        2015-03-20 05:41:54劉建坡許宏亮王少泉程崇強(qiáng)荊洪迪
        金屬礦山 2015年10期
        關(guān)鍵詞:單段鐵蛋藥量

        劉建坡 許宏亮 王少泉 程崇強(qiáng) 荊洪迪

        (1.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.中冶北方工程技術(shù)有限公司,遼寧 大連 116600)

        多點(diǎn)爆破震動(dòng)速度衰減規(guī)律研究

        劉建坡1許宏亮2王少泉2程崇強(qiáng)2荊洪迪1

        (1.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.中冶北方工程技術(shù)有限公司,遼寧 大連 116600)

        爆破震動(dòng)是引起地下礦山巷道破壞的重要原因,掌握爆破震動(dòng)速度衰減規(guī)律,降低爆破震動(dòng)危害,對(duì)礦山的安全高效生產(chǎn)有著重要意義。針對(duì)鐵蛋山礦區(qū)爆破震動(dòng)造成下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道破壞嚴(yán)重的現(xiàn)狀,開(kāi)展了爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)工作。對(duì)于完整爆破信號(hào)數(shù)據(jù),采用最小比例距離方法確定了多點(diǎn)爆破爆心距、炸藥量和最大振速值的對(duì)應(yīng)關(guān)系,為薩道夫斯基公式應(yīng)用提供參數(shù),并采用實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上,建立了鐵蛋山礦區(qū)爆破震動(dòng)速度衰減模型,獲得了距離下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道不同位置開(kāi)采時(shí)所允許的最大單段藥量。對(duì)礦山回采過(guò)程中的爆破參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn),不同區(qū)域采用不同最大單段藥量,保證了沿脈運(yùn)輸巷道的穩(wěn)定性和產(chǎn)能需求。

        爆破震動(dòng) 振速衰減 多點(diǎn)爆破 薩道夫斯基公式 安全控制

        爆破是礦山生產(chǎn)主要環(huán)節(jié)之一,其質(zhì)量的好壞不僅威脅到礦山工作人員和建筑結(jié)構(gòu)的安全,而且影響著礦山生產(chǎn)過(guò)程中的鏟裝、運(yùn)輸、機(jī)械破碎等后續(xù)工藝的效率和經(jīng)濟(jì)效益。生產(chǎn)爆破震動(dòng)是引起地下礦山巷道破壞的重要原因,當(dāng)爆破引起巷道所處地帶的震動(dòng)幅值大于一定的數(shù)值時(shí),會(huì)引起巷道的損壞。因此,掌握爆破震動(dòng)波的傳播規(guī)律,建立合理的爆破安全判據(jù),針對(duì)具體的礦山工程提出有效降低爆破震動(dòng)危害的措施,對(duì)礦山的安全高效生產(chǎn)有著重要意義。

        在對(duì)爆破地震效應(yīng)研究的過(guò)程中,大量的測(cè)試資料和工程實(shí)踐表明,地面質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度與建(構(gòu))筑物破壞的相關(guān)性最好,因此,各國(guó)都逐漸采用質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度作為衡量爆破震動(dòng)強(qiáng)度的物理量。其中,薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式作為爆破震動(dòng)參數(shù)衰減方程的應(yīng)用最為普遍。國(guó)內(nèi)外研究針對(duì)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式中的相關(guān)參數(shù)K、α的取值、適用情況和工程應(yīng)用開(kāi)展了廣泛的研究,并取得了諸多有益的成果。但是在薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用中,爆破位置是作為一個(gè)點(diǎn)(坐標(biāo)唯一)來(lái)進(jìn)行考慮的,即不管是單段爆破還是多段爆破,爆破位置距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離是唯一的。對(duì)于多點(diǎn)爆破(多個(gè)位置同時(shí)起爆或者近似同時(shí)起爆)的情況研究較少。

        本研究以遼寧北票保國(guó)鐵礦鐵蛋山礦區(qū)為工程背景,針對(duì)其爆破震動(dòng)造成下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道破壞嚴(yán)重的現(xiàn)狀,開(kāi)展爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè),采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)多點(diǎn)爆破情況下的爆破震動(dòng)速度衰減規(guī)律進(jìn)行了研究,對(duì)礦山現(xiàn)有爆破參數(shù)所引起的爆破震動(dòng)速度進(jìn)行了安全評(píng)價(jià),為礦山的爆破參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù),保障礦山安全生產(chǎn)。

        1 爆破震動(dòng)測(cè)試方案

        保國(guó)鐵礦鐵蛋山礦區(qū)位于遼寧北票境內(nèi),礦體總體走向呈近SN向,厚度從幾米到數(shù)百米不等,傾角50°~65°,2007年開(kāi)始轉(zhuǎn)為地下開(kāi)采,目前礦山年產(chǎn)鐵礦石近200萬(wàn)t,主要采用無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行開(kāi)采?;夭蛇M(jìn)路垂直礦體走向布置,炸藥采用乳化粒狀銨油炸藥,用FZY-1裝藥器裝藥。爆破采用導(dǎo)爆索和導(dǎo)爆管雙能源起爆。

        鐵蛋山礦段礦體為磁鐵石英巖礦層,屬堅(jiān)硬和半堅(jiān)硬巖石,穩(wěn)定性較好。上盤(pán)圍巖主要為混合巖,局部夾斜長(zhǎng)角閃巖,下盤(pán)圍巖主要為混合巖,均為前震旦系建平群中深變質(zhì)巖系。下盤(pán)圍巖破碎松軟,穩(wěn)定性差,具有抗壓強(qiáng)度低、變形大、來(lái)壓快、遇水極易膨脹產(chǎn)生變形破壞等特點(diǎn),導(dǎo)致其礦山沿脈運(yùn)輸巷道的穩(wěn)定性問(wèn)題十分突出。因此,開(kāi)展爆破震動(dòng)測(cè)試,研究爆破震動(dòng)對(duì)圍巖、巷道穩(wěn)定性的影響是十分必要的。

        結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程布置,在鐵蛋山礦+35 m和+20 m水平開(kāi)采爆破震動(dòng)測(cè)試工作,每個(gè)水平各布置3個(gè)測(cè)點(diǎn),共6個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖1所示。測(cè)試所采用設(shè)備為四川拓普測(cè)控科技有限公司生產(chǎn)的NUBOX-6016型智能震動(dòng)監(jiān)測(cè)儀,并配套TP3V-4.5 三維速度型傳感器。在綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)因素以及不妨礙礦山生產(chǎn)順利進(jìn)行的情況下,開(kāi)挖巷道底板至基巖,澆筑混凝土形成水泥臺(tái)面以便傳感器安裝。每次爆破前1 h,使用速凝石膏來(lái)固定傳感器在水泥臺(tái)面上,并采用防護(hù)措施保護(hù)好設(shè)備以防止被爆破沖擊波損壞。本次測(cè)試工作于2014年4月、5月開(kāi)展,共開(kāi)展了15次爆破測(cè)試。

        2 多點(diǎn)爆破信號(hào)分析方法

        薩道夫斯基公式給出了爆破震動(dòng)速度隨炸藥量和爆心距等因素之間的定量關(guān)系。該方法具有明確意義,應(yīng)用方便,為爆破設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù),是目前爆破工程中應(yīng)用最為廣泛的方法,其關(guān)系式如下:

        圖1 巷道工程布置及爆破震動(dòng)測(cè)試方案

        (1)

        式中,V為質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度,cm/s;Q為單段最大炸藥量,kg;R為觀測(cè)點(diǎn)到爆源的距離,m;K為與介質(zhì)性質(zhì)相關(guān)的系數(shù);α是震動(dòng)波隨距離衰減的系數(shù)。

        應(yīng)用薩道夫斯基公式進(jìn)行計(jì)算時(shí),爆破位置可以看作1個(gè)點(diǎn),爆源與測(cè)點(diǎn)之間的距離R是唯一的。對(duì)于單段爆破,取總藥量Q進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)采用多分段微差爆破時(shí),取最大單段藥量Q進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于保國(guó)鐵礦鐵蛋山礦區(qū)來(lái)說(shuō),每天下午15:30左右在多個(gè)進(jìn)路進(jìn)行爆破,每個(gè)進(jìn)路爆破1排炮孔(每排11~12個(gè)炮孔),每排炮孔同時(shí)起爆,不同進(jìn)路之間采用分段微差起爆。這種情況下,每個(gè)爆破位置距離測(cè)點(diǎn)的距離是不同的,存在多個(gè)爆心距R1,R2,R3,…,Rn,對(duì)應(yīng)不同的炸藥使用量Q1,Q2,Q3,…,Qn(圖2)。這種情況下,判斷某個(gè)信號(hào)來(lái)自哪個(gè)爆源困難很大,因而無(wú)法采用薩道夫斯基公式進(jìn)行爆破安全評(píng)價(jià)。

        針對(duì)上述問(wèn)題,采用比例距離Rm對(duì)爆破信號(hào)進(jìn)行分析,比例距離Rm定義為

        圖2 爆破信號(hào)傳播示意

        (2)

        依據(jù)《爆破安全規(guī)程》,K取值為正,α取值大于1。依據(jù)公式(1),比例距離Rm越小,所產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度越大。因此,可分別計(jì)算出不同爆破位置的比例距離Rm,以最小比例距離Rm,min所對(duì)應(yīng)的爆心距R、炸藥量Q和最大振速值V來(lái)進(jìn)行薩道夫斯基公式計(jì)算。為驗(yàn)證該方法的可靠性,本研究進(jìn)行了實(shí)例分析。

        表1、表2和圖3分別為5月13日+35 m水平爆破位置、炸藥使用量、測(cè)點(diǎn)3獲得的爆破振速和波形圖。此次爆破共有3個(gè)進(jìn)路位置分段爆破,分別為+35 m水平8#進(jìn)路、9#進(jìn)路和11#進(jìn)路,炸藥量分別為485、556和545 kg,比例距離分別為10.22 、9.87和8.46 m/kg1/3。測(cè)點(diǎn)3處的測(cè)試設(shè)備完整地記錄了該3段爆破信號(hào),其質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度分別為3.658 m/s,1.213 m/s和6.05 m/s。該3段爆破中比例最小的爆破所對(duì)應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度最大。

        表1 5月13日+35 m水平爆破數(shù)據(jù)

        表2 5月13日測(cè)點(diǎn)3爆破振速統(tǒng)計(jì)

        Table 2 Blast vibration velocity at measurestation 3 on May 13

        cm/s

        5月21日+35 m水平爆破位置、炸藥使用量、測(cè)點(diǎn)5的爆破振速和波形圖見(jiàn)表3、表4和圖4。從中可以看出,11#進(jìn)路爆破所對(duì)應(yīng)的比例距離最小,為6.99 m/kg1/3,在測(cè)點(diǎn)5處所產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度最大,為5.69 m/s。限于篇幅,其他驗(yàn)證實(shí)例在此不做贅述。

        圖3 5月13日爆破信號(hào)波形圖

        爆破點(diǎn)距 離/m炸藥量/kg比例距離/(m/kg1/3)8#進(jìn)路788956095711#進(jìn)路570654569913#進(jìn)路8474561102723#進(jìn)路19269291974

        表4 5月21日測(cè)點(diǎn)5爆破振速統(tǒng)計(jì)

        Table 4 Blast vibration velocity at measurestation 5 on May 21

        cm/s

        圖4 5月21日爆破信號(hào)波形圖

        值得注意的是,采用最小比例距離Rm,min來(lái)判斷最大振速對(duì)應(yīng)起爆點(diǎn)的方法只適用于信號(hào)不丟失或不疊加的情況。對(duì)于由設(shè)備靈敏度低或爆破震動(dòng)信號(hào)衰減所造成的信號(hào)缺失情況,或者由于信號(hào)疊加造成的信號(hào)減少的情況,該方法并不適用。因此,遇到測(cè)點(diǎn)所檢測(cè)到的信號(hào)數(shù)量少于爆源數(shù)量時(shí),應(yīng)剔除該數(shù)據(jù),選擇信號(hào)不丟失或不疊加的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。

        3 爆破震動(dòng)速度衰減模型及數(shù)據(jù)分析

        本次測(cè)試工作于2014年4月和5月開(kāi)展,共開(kāi)展了15次爆破測(cè)試?,F(xiàn)場(chǎng)每天在+35m水平和+50m水平各進(jìn)行1次分段爆破。通過(guò)最小比例距離Rm,min獲得薩道夫斯基公式計(jì)算參數(shù)的方法,共得到60組有效數(shù)據(jù),部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表5。

        表5 爆破震動(dòng)速度衰減模型計(jì)算參數(shù)

        (3)

        對(duì)于保國(guó)鐵礦鐵蛋山礦區(qū)來(lái)說(shuō),爆破所引起的下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道破壞嚴(yán)重現(xiàn)象是亟需解決的問(wèn)題。盡管控制爆破震動(dòng)危害有多種方案,但是現(xiàn)階段研究成果中顯示,影響爆破震動(dòng)的主要因素是最大段藥量,隨著最大段藥量的增加,沿脈巷道的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度增加。因此,如何在生產(chǎn)爆破過(guò)程中控制最大段藥量,就成為控制爆破震動(dòng)危害的關(guān)鍵。為了保護(hù)鐵蛋山礦區(qū)下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道,根據(jù)爆破震動(dòng)測(cè)試所獲得

        圖5 振速隨比例距離變化關(guān)系

        的爆破振速衰減公式,結(jié)合《爆破安全規(guī)程》礦山巷道所允許的最大爆破震動(dòng)速度要求,計(jì)算得到了鐵蛋山礦區(qū)距離下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道不同距離所對(duì)應(yīng)的最大單段藥量,如表6所示。

        目前,鐵蛋山礦最大單段藥量在500~1 200 kg之間,以500~650 kg為主。從表6中可以看出,距離35 m時(shí),允許的最大段藥量為574.83 kg,與目前鐵蛋山礦現(xiàn)階段實(shí)際單排最大段藥量相近。距離40 m時(shí),允許的最大段藥量為858.06 kg,距離50 m時(shí),允許的最大段藥量為1 675.89 kg。而小于35 m時(shí),目前實(shí)際的最大單段藥量要高于允許藥量。

        表6 各距離對(duì)應(yīng)的允許最大段藥量

        對(duì)于鐵蛋山礦區(qū)來(lái)說(shuō),主要開(kāi)采分段+35 m水平礦體距下盤(pán)沿脈巷道最近距離4.23 m,最遠(yuǎn)232.57 m;+20 m水平礦體距下盤(pán)沿脈巷道最近距離11.62 m,最遠(yuǎn)231.29 m,礦體呈不規(guī)則脈狀,沿脈運(yùn)輸巷道巖體破碎,支護(hù)良好。沿脈巷與礦體距離主要集中在15~150 m之間。結(jié)合表5所得結(jié)果,建議礦山在距離下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道小于35 m時(shí),采區(qū)增加分段數(shù)量或者減緩回采進(jìn)度的方法,降低最大單段藥量,控制爆破震動(dòng)對(duì)于沿脈運(yùn)輸巷道造成損害。當(dāng)距離下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道35~50 m時(shí),保持現(xiàn)有最大單段藥量即可;當(dāng)距離下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道大于50 m時(shí),可增加單段藥量,加大回采進(jìn)度,這樣即保證了沿脈運(yùn)輸巷道的穩(wěn)定性,也增加了產(chǎn)能效率。

        4 結(jié) 論

        (1)針對(duì)遼寧北票保國(guó)鐵礦鐵蛋山礦區(qū)爆破震動(dòng)造成下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道破壞嚴(yán)重的現(xiàn)狀,開(kāi)展了爆破震動(dòng)測(cè)試工作,多點(diǎn)爆破情況下存在著信號(hào)與爆源識(shí)別困難的問(wèn)題。對(duì)于完整爆破信號(hào)數(shù)據(jù),采用最小比例距離Rm,min所對(duì)應(yīng)的爆心距R、炸藥量Q和最大振速值V可以有效解決該問(wèn)題,為薩道夫斯基公式計(jì)算提供參數(shù)。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證,此方法是可靠的。

        (2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),建立了鐵蛋山礦區(qū)爆破震動(dòng)速度衰減模型,獲得了距離下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道不同位置開(kāi)采時(shí)所允許的最大單段藥量。

        (3)對(duì)礦山回采過(guò)程中的爆破參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn),建議距離下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道小于35m時(shí),降低最大單段藥量,控制爆破震動(dòng)對(duì)于沿脈運(yùn)輸巷道造成損害;當(dāng)距離下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道35~50m時(shí),保持現(xiàn)有最大單段藥量;當(dāng)距離下盤(pán)沿脈運(yùn)輸巷道大于50m時(shí),增加單段藥量,保證了沿脈運(yùn)輸巷道的穩(wěn)定性和產(chǎn)能需求。

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        (責(zé)任編輯 石海林)

        Study on Velocity Attenuation Law for Multi-point Blasting Vibration

        Liu Jianpo1Xu Hongliang2Wang Shaoquan2Cheng Chongqiang2Jing Hongdi1

        (1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China;2.NorthernEngineering&TechnologyCorporation,MCC,Dalian116600,China)

        Blasting vibration is a key factor to induce the destruction of tunnel in underground mine.Therefore,it is important to obtain velocity attenuation law for blasting signals,and to reduce the damage from blasting vibration,which is meaningful to the safe and efficient production.In view of the footwall strike-drift seriously destructed by blasting vibration in Tiedanshan mine,the monitoring work for blasting vibration was carried out.For integrated blasting signals,the minimum scale distance was used to obtain the relationship between distances from center of explosion,explosive quantity and maximum vibration velocity.This method provided calculating parameter for Sadov's formula,whose reliability was verified.On this basis,the velocity attenuation model velocity attenuation model of blasting signals in Tiedanshan mine was established,and the largest amount of explosives per delay interval of different distance to footwall strike-drift were obtained.Then,the blasting parameters in Tiedanshan mine were improved.The measures that use the different largest amount of explosives per delay interval in different areas can meet the requirements of stability of footwall strike-drift and production capacity.

        Blast vibration,Velocity attenuation,Multiple positions blasting,Sadov's formula,Safety control

        2015-06-09

        國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):51204030),“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):2013BAB02B01,2013BAB02B03),中國(guó)中冶“三五”重大科技專(zhuān)項(xiàng)(編號(hào):0012012009)。

        劉建坡(1982—),男,講師,博士。

        TD853

        A

        1001-1250(2015)-10-024-05

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