董英健 于研寧 郭連軍 徐振洋 賈建軍 郭航伸 包 松

（1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山114051；2.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司，遼寧鞍山114046）

爆破振動(dòng)是施工過(guò)程中必然產(chǎn)生的自然現(xiàn)象，影響著礦山的生產(chǎn)安全，一直視為露天礦山首要解決的災(zāi)害[1-3]。如何控制爆破振動(dòng)強(qiáng)度在安全范圍之內(nèi)是目前面臨的一個(gè)主要難點(diǎn)問(wèn)題。雷明等[4]基于爆破振動(dòng)峰值速度理論分析了地下礦爆破振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊波對(duì)周?chē)鷰r層的影響范圍，進(jìn)而對(duì)地下巷道穩(wěn)定性做出了評(píng)價(jià)。張家斌等[5]利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立了東川嶺礦的爆破振動(dòng)傳播模型，在保證爆破效果條件下降低炸藥量的減振措施。李宇星等[6]從爆破振動(dòng)的頻率和速度角度出發(fā)，基于地震波傳播理論對(duì)爆區(qū)周?chē)课莘€(wěn)定性展開(kāi)了評(píng)估。占城[7]等將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬綜合對(duì)建筑物的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，為建筑物安全穩(wěn)定性提供預(yù)測(cè)。辛紅園等[8]利用ansys分析軟件對(duì)爆區(qū)鄰近的輸電塔展開(kāi)了數(shù)值模擬，保證了其安全性。文獻(xiàn)[9-10]從巖石結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，建立振動(dòng)傳播與巖石結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，提出了巖石性質(zhì)對(duì)爆破振動(dòng)的影響。結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，本研究以某礦山工程為依托，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段從爆破振動(dòng)速度、加速度振級(jí)角度對(duì)控制爆破振動(dòng)技術(shù)的可行性做出評(píng)價(jià)。

1 工程概況

關(guān)寶山礦位于鞍山市高新區(qū)千山鎮(zhèn)，隸屬于鞍鋼礦業(yè)有限公司。在關(guān)寶山采場(chǎng)西區(qū)的西南側(cè)，坐落有山印子村，該村現(xiàn)有居民270戶，距采場(chǎng)邊界均超過(guò)100 m。結(jié)合地質(zhì)條件，基于爆破地震波傳播理論，在離爆區(qū)幾何中心15 m的位置分別布置單排減振孔、雙排減振孔。初步設(shè)計(jì)減振孔孔徑為250 mm，孔間、排間距均為2 m，配合使用2號(hào)巖石乳化炸藥，采用徑向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)及逐孔微差起爆方式。為了驗(yàn)證方案的減振效果，分別對(duì)無(wú)減振孔、單排減振孔、雙排減振孔條件下爆破振動(dòng)強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)以及對(duì)減振孔的布置形式、數(shù)目等展開(kāi)了定量分析。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

結(jié)合上述的提出的減振方案，在-96 m臺(tái)階分別對(duì)無(wú)減振孔、單排減振孔、雙排減振孔條件下展開(kāi)振動(dòng)速度、加速度振級(jí)監(jiān)測(cè)，在單排減振孔方案中，共布置16個(gè)減振孔，其中減振孔與爆破區(qū)域幾何中心為15 m，按射線位置布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的間距為10 m。而雙排孔減振方案中，初步設(shè)計(jì)為32個(gè)減振孔，前排減振孔距離爆破區(qū)域幾何中心仍為15 m，同樣也布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的間距仍為10 m。減振方案空孔布置如圖1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 爆破振動(dòng)速度的對(duì)比分析

本次臺(tái)階爆破振動(dòng)測(cè)試采用TC-4850振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀。-96 m水平臺(tái)階深孔爆破時(shí)，在該臺(tái)階共布置4臺(tái)儀器，儀器擺放位置由上述圖1所示，進(jìn)行爆破信號(hào)收集。對(duì)單排減振孔、雙排減振孔、無(wú)減振孔試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理，由于本次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較多，僅列舉出部分?jǐn)?shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

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結(jié)合表1監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，為了直觀地分析振動(dòng)峰值速度的變化規(guī)律，易于比較上述提出的減振方案的優(yōu)越性，繪制測(cè)點(diǎn)在單排減振孔、雙排減振孔、無(wú)減振孔條件下峰值速度變化曲線，如圖2～圖3所示，以及對(duì)比3種方案下的降振率，確定降低爆破振動(dòng)對(duì)周?chē)橘|(zhì)的最優(yōu)措施。

本次測(cè)振共展開(kāi)10次，測(cè)振地點(diǎn)位于-96 m水平臺(tái)階上。由表1可得：當(dāng)在-96 m水平臺(tái)階上沒(méi)有布置減振孔時(shí)，其中監(jiān)測(cè)的最大峰值速度的達(dá)到8.65 cm/s，位于測(cè)點(diǎn)1處；即使監(jiān)測(cè)中峰值速度最小值也達(dá)到了5.10 cm/s，位于測(cè)點(diǎn)4處。總體振動(dòng)效應(yīng)較大。

在距離爆區(qū)15 m處布置單排空孔時(shí)，監(jiān)測(cè)的水平徑向、水平切向、垂直方向振動(dòng)峰值速度均有不同程度的減小。測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4的最大振動(dòng)峰值速度分別為 5.21 cm/s、4.87 cm/s、3.12 cm/s、2.56 cm/s，相對(duì)于無(wú)減振孔試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，振動(dòng)峰值速度降低了39.7%、33.6%、56.1%、49.8%，可見(jiàn)降振效果較為明顯。

針對(duì)布置的雙排孔方案，在距離爆區(qū)15 m的位置處布置兩排空孔，在后排空孔外布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，結(jié)合圖3可以得出，相對(duì)于單排減振孔來(lái)說(shuō)，雙排減振孔的降振效果更加明顯。距離爆區(qū)15 m的雙排減振孔后方監(jiān)測(cè)的峰值速度最大為3.14 cm/s，位于測(cè)點(diǎn)1位置，相當(dāng)于單排減振孔同位置的0.62倍。另外相對(duì)于無(wú)減振孔方案測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4位置的降振率分別為63.7%、63.4%、71.4%、61.8%，近似于單排減振孔的試驗(yàn)方案的2倍。由圖2～圖3可得出爆破振動(dòng)峰值速度：無(wú)減振孔＞單排減振孔＞雙排減振孔，而降振率：雙排減振孔＞單排減振孔。因此，在距離爆區(qū)15 m處布置雙排空孔降振效果最佳，該結(jié)論可為現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

3.2 爆破振動(dòng)加速度振級(jí)的對(duì)比分析

本次臺(tái)階爆破振動(dòng)測(cè)試采用杭州愛(ài)華儀器有限公司研究開(kāi)發(fā)的振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)儀。-96 m水平臺(tái)階深孔爆破時(shí)，在該臺(tái)階共布置4臺(tái)儀器，儀器擺放位置由圖1所示，進(jìn)行爆破振動(dòng)加速度信號(hào)收集，結(jié)果見(jiàn)表2。測(cè)試前，先將加速度傳感器固定于基巖上，然后將傳感器接頭連接完畢后，最后開(kāi)啟電源，儀器進(jìn)入工作狀態(tài)；測(cè)試后，將儀器簡(jiǎn)單擦拭，并按照要求放入工具箱。

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結(jié)合表2可以得出，相對(duì)于單排減振孔來(lái)說(shuō)，雙排減振孔的降振效果更加明顯。距離爆區(qū)15 m的雙排減振孔后方監(jiān)測(cè)的加速度振級(jí)最大為65 dB，位于測(cè)點(diǎn)1位置，相當(dāng)于無(wú)減振孔同位置的0.59倍、單排減振孔同位置的0.68倍。另外相對(duì)于無(wú)減振孔方案測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4位置的加速度振級(jí)降振率分別為40.9%、49.1%、58.2%、60%，近似于單排減振孔的試驗(yàn)方案的2～3倍。綜上可得出加速度振級(jí)降振率：雙排減振孔＞單排減振孔。因此，在距離爆區(qū)15m處布置雙排空孔降振效果最佳，與所監(jiān)測(cè)的振動(dòng)峰值速度相吻合。

4 不同減振孔形式對(duì)爆破振動(dòng)的數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型的建立

選取某一部位設(shè)為研究區(qū)域，考慮到中深孔爆破的實(shí)際特征，采用三維計(jì)算模型，共計(jì)劃分約22 900個(gè)單元，231 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，因減振孔布置形式不同，各計(jì)算模型單元與節(jié)點(diǎn)數(shù)略有差異。數(shù)值計(jì)算模型單元?jiǎng)澐旨皫缀涡螤钊鐖D4、圖5所示。記錄爆破振動(dòng)速度的測(cè)線位于模型中間位置。模型總長(zhǎng)100 m，高16 m，寬42 m。中深孔布置于模型的一側(cè)，孔徑150 mm，呈6 m×6 m方形布置，共計(jì)32個(gè)炮孔。減振孔位于炮孔前端，呈2 m×2 m梅花型布置。屈服準(zhǔn)則選取mohr模型，均質(zhì)力學(xué)參數(shù)為彈性模量35 GPa，泊松比0.22，黏聚力1.05 MPa，內(nèi)摩擦角45°，抗拉強(qiáng)度0.5 MPa。

4.2 動(dòng)力計(jì)算參數(shù)

（1）阻尼的選取。由于巖體的運(yùn)動(dòng)是不可逆的過(guò)程，要避免系統(tǒng)在平衡位置來(lái)回振蕩，就要采用加阻尼的辦法來(lái)耗散系統(tǒng)在振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)能。因而在動(dòng)力分析時(shí)，需要確定阻尼形式和大小。FLAC動(dòng)力計(jì)算中主要采用了2種形式的阻尼，即瑞利阻尼（Rayleigh Damping）和局部阻尼（Local Damping）[11-12]。局部阻尼FLAC在靜力計(jì)算中采用的阻尼方法，在振動(dòng)中通過(guò)在節(jié)點(diǎn)上增加或者減少質(zhì)量的方法達(dá)到收斂，但系統(tǒng)保持質(zhì)量守恒[13]。本文選用局部阻尼，選取目前巖土動(dòng)力分析中的典型值5%，從而求得局部阻尼為0.157 1。

（2）邊界條件。在動(dòng)力計(jì)算中，波傳播到模型邊界會(huì)產(chǎn)生反射，這勢(shì)必會(huì)影響計(jì)算的結(jié)果。理論上，模型邊界選取的越大越好，但過(guò)大的模型會(huì)引起巨大的計(jì)算負(fù)擔(dān)，影響效率，可操作性差。因而在FLAC中提供靜態(tài)邊界和自由場(chǎng)邊界來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。靜態(tài)邊界通過(guò)施加法向和切向的粘壺來(lái)吸收來(lái)自模型內(nèi)部的入射波，對(duì)于入射角＞30°入射波可以完全吸收，此范圍外的波也具有一定的吸收能力。本模型的研究對(duì)象為爆破載荷，來(lái)自模型的內(nèi)部，范圍有限。如果模型的范圍足夠大，選用靜態(tài)邊界可以達(dá)到計(jì)算的精度要求。

4.3 炮孔壁壓力計(jì)算模型

三角形荷載形式需要確定兩大要素：爆破荷載峰值、爆破荷載升壓時(shí)間和作用時(shí)間。確定爆破荷載峰值，即確定作用在炮孔壁上的爆生氣體峰值壓力。在C-J爆轟條件下，炸藥的平均爆轟壓力為

式中，PD為炸藥爆轟平均初始?jí)毫Γ沪裡為炸藥密度；D為炸藥爆轟速度，γ為與凝聚態(tài)炸藥性質(zhì)和裝藥密度相關(guān)的常數(shù)，近似取值2～3，本文取3。

空氣沖擊波后是爆轟產(chǎn)物撞擊炮孔壁，孔壁受到的壓力明顯增大，增大系數(shù)為n=8～11，本文取n=9。對(duì)于不耦合系數(shù)較小的柱狀藥包，此時(shí)炮孔壁上沖擊波峰值壓力為

式中，Pb為作用在炮孔壁上的峰值沖擊壓力；re為藥柱半徑；rb為炮孔半徑；le裝藥長(zhǎng)度；lb分別為炮孔長(zhǎng)度。

式中，σr為徑向應(yīng)力；b=μd/(1-μd)；μd為動(dòng)態(tài)泊松比，可以近似取靜態(tài)泊松比的0.8倍。如果σi超過(guò)巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度σcd，則巖石將粉碎破壞。

4.4 無(wú)減振孔模型與減振孔模型的對(duì)比分析

在本次數(shù)值模型中，通過(guò)直徑250 mm的null單元模擬減振孔，參照巖石松動(dòng)圈理論，對(duì)減振孔周邊1倍直徑范圍的巖體單元進(jìn)行弱化，弱化后單元體力學(xué)參數(shù)為彈性模量1.5 GPa，泊松比0.22，黏聚力0.35 MPa，抗拉強(qiáng)度0.23 MPa，內(nèi)摩擦角35°。

圖6為無(wú)減振孔條件下的速率云圖。圖7為減振孔條件下的速率云圖，Ljz=9.0 m，布置18個(gè)減振孔（指第一排減振孔），減振孔深等于炮孔深14 m?？梢钥闯觯捎跍p振孔的存在，減振孔周邊的介質(zhì)與周邊原巖介質(zhì)間存在較為明顯的力學(xué)性能差異。振動(dòng)波傳播至減振孔部位后，受到明顯的干擾，振動(dòng)波于減振孔范圍振蕩，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)受限于減振孔與炮孔之間，減振孔對(duì)于振動(dòng)沿x正方向傳播產(chǎn)生了較為明顯的阻斷作用。

4.5 不同減振孔布置形式對(duì)振動(dòng)波傳播規(guī)律的影響

為了深入研究減振孔直徑Djz，孔深Hjz，數(shù)目Njz等因素對(duì)爆破振動(dòng)波傳播的影響程度，本文引入無(wú)量綱影響系數(shù)K展開(kāi)定量表述。K表示無(wú)減振爆破條件下測(cè)線上某點(diǎn)的z向振動(dòng)速度與減振孔存在的條件下同點(diǎn)z向振動(dòng)速度的比值。如圖8所示，Va30表示無(wú)減振孔條件下測(cè)線距第1排炮孔30 m處的z向振速，Vb30表示有減振孔條件下同一點(diǎn)的z向振速，則K=Va30/Vb30。K值越大，表示減振孔的存在對(duì)振動(dòng)波衰減的影響越明顯。在圖8中，K取值按距離30、35、40 m依次為1.56、2.14和1.787。

（1）減振孔數(shù)目對(duì)振動(dòng)波傳播規(guī)律的影響。圖9為Djz=32 cm和Hjz=14 m條件下減振孔數(shù)目（半側(cè)）為12，14和18時(shí)對(duì)振動(dòng)波傳播規(guī)律的影響程度，可見(jiàn)，在30 m、35 m和40m條件下，K值最大相差為7%，差異不影響，這主要由于減振孔對(duì)振動(dòng)波的阻斷作用和兩側(cè)的吸收邊界所致?？梢?jiàn)減振孔數(shù)目對(duì)振動(dòng)波的影響不顯著。

（2）減振孔孔深對(duì)振動(dòng)波傳播規(guī)律的影響。圖10為Djz=32 cm和Njz=18條件下，Hjz=6～14 m，步距2 m時(shí)，減振孔孔深對(duì)振動(dòng)波傳播規(guī)律的影響程度，可見(jiàn)，在30 m、35 m和40 m條件下，K值在Hjz＞10 m時(shí)較大，此后，K值明顯減小。這主要由于減振孔孔底為完整巖體，孔深減小意味著減振孔對(duì)炮孔裝藥斷的影響變?nèi)?，有利于振?dòng)波的傳播?？梢?jiàn)，K值受減振孔孔深的影響較為明顯。

（3）減振孔孔徑對(duì)振動(dòng)波傳播規(guī)律的影響。圖11為Njz=18，Hjz=14 m條件時(shí)，Djz=22～32 cm，步距2 m時(shí)，減振孔孔徑對(duì)振動(dòng)波傳播規(guī)律的影響程度?？梢?jiàn)，在30 m、35 m和40 m條件下Djz=30 cm時(shí)，K=1.4左右，表明此時(shí)減振孔對(duì)振動(dòng)仍存在一定的影響。此后，當(dāng)減振孔直徑降至22 cm時(shí)，K=1.0左右，表明此時(shí)減振孔對(duì)爆破振動(dòng)波基本上無(wú)任何影響。減振孔的作用范圍由null單元和松動(dòng)圈弱化單元2部分構(gòu)成，其影響區(qū)域與減振孔半徑的平方呈正比關(guān)系。若減振孔過(guò)小，則減振孔存在的矩形區(qū)域內(nèi)的大多數(shù)單元與周邊巖體介質(zhì)單元力學(xué)性質(zhì)相同，這對(duì)于沿節(jié)點(diǎn)傳播的運(yùn)動(dòng)速度，不易產(chǎn)生影響。

5 結(jié) 論

（1）相對(duì)于無(wú)減振孔試驗(yàn)，單排減振孔振動(dòng)峰值速度最大降低可達(dá)到56.1%；而雙排孔方案振動(dòng)峰值速度接近于單排減振孔同位置的0.62倍，最大降振率達(dá)到71.4%，雙排減振孔的降振效果更加明顯。

（2）針對(duì)雙排減振孔布置方案，監(jiān)測(cè)的加速度振級(jí)近似于無(wú)減振孔同位置的0.59倍、單排減振孔同位置的0.68倍，且最大降振率可達(dá)到單排減振孔的3倍，降振效果顯著。

（3）減振孔的存在導(dǎo)致了減振孔周邊的介質(zhì)與原巖介質(zhì)間力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大的差異，減振孔的存在對(duì)于振動(dòng)傳播產(chǎn)生了較為明顯的阻斷作用。

（4）減振孔布設(shè)在20個(gè)以上后，數(shù)目再持續(xù)增加，對(duì)減振孔后區(qū)域內(nèi)的減振效果不明顯；減振效果受減振孔的直徑影響顯著，當(dāng)減振孔直徑降至24 cm以下時(shí)且減振孔深小于10 m時(shí)，不易取得明顯的減振效果；