張立中，趙海波，宋長(zhǎng)波

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001；2.三門(mén)峽市公安局，河南 三門(mén)峽 472000）

爆破是金屬礦山礦產(chǎn)資源開(kāi)采過(guò)程中的主要環(huán)節(jié)之一，在爆破工程中若操作不合理會(huì)造成劇烈的振動(dòng)產(chǎn)生，而爆破振動(dòng)又是導(dǎo)致礦山巖體損傷以及地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題發(fā)生的主要因素，尤其是對(duì)于已經(jīng)存在破碎問(wèn)題的巖體而言，爆破振動(dòng)通常會(huì)造成巷道片幫結(jié)構(gòu)和頂板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌的問(wèn)題，對(duì)金屬礦山開(kāi)采中的回采作業(yè)造成嚴(yán)重的安全威脅[1]。因此，在金屬礦山回采作業(yè)施工初期以及整個(gè)施工的過(guò)程中，需要對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)爆破振動(dòng)程度選擇合適的控制方案，從而避免出現(xiàn)上述嚴(yán)重的安全事故問(wèn)題。基于此，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員對(duì)此開(kāi)展了深入地研究。在當(dāng)前階段，金屬礦山回采作業(yè)中廣泛采用減振孔結(jié)構(gòu)、減振帶結(jié)構(gòu)等用以緩解爆破產(chǎn)生的振動(dòng)。但在進(jìn)行地下施工作業(yè)過(guò)程中，最大的問(wèn)題在于如何解決施工中存在的影響爆破振動(dòng)幅度增加的隱蔽性因素?；诖?，本文開(kāi)展金屬礦山回采作業(yè)中爆破振動(dòng)控制方案研究。

1 金屬礦山回采作業(yè)中爆破振動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)

1.1 引入空氣間隔裝藥技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)在金屬礦山回采作業(yè)中，對(duì)爆破振動(dòng)現(xiàn)象的有效控制，本章引進(jìn)空氣間隔裝藥技術(shù)，通過(guò)對(duì)裝藥過(guò)程的間隔處理，達(dá)到一種對(duì)爆破過(guò)程中振動(dòng)初步控制的目的。在此過(guò)程中，應(yīng)明確用于裝藥的炮孔是直接影響炸藥能量及其爆炸后爆破效果的結(jié)構(gòu)，同時(shí)，結(jié)構(gòu)中的邊孔結(jié)構(gòu)，還會(huì)在一定程度上對(duì)周邊礦房與采場(chǎng)礦場(chǎng)填充結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成干預(yù)[2]。為了確保對(duì)爆炸范圍的有效控制，并降低由于爆破行為導(dǎo)致的采礦體坍塌現(xiàn)象發(fā)生概率，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取有效的措施，進(jìn)行裝藥。

使用本章引進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行裝藥，可以降低初始化爆炸行為發(fā)生時(shí)的脈沖壓力、減少在發(fā)生爆炸行為時(shí)壓碎區(qū)域的能量損失問(wèn)題，并在一定程度上提高能量在待爆破區(qū)域的延伸范圍，從而達(dá)到一種優(yōu)化爆破效果的目的。其中空氣間隔裝藥技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)，可用下述圖1表示。

圖1 空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)

在上述圖1中，在結(jié)構(gòu)上增設(shè)一個(gè)邊孔可以降低由于爆炸行為引發(fā)的應(yīng)力波，避免在爆炸中出現(xiàn)鄰近結(jié)構(gòu)體受損的問(wèn)題。同時(shí)，結(jié)構(gòu)中的側(cè)崩后排孔可以起到適當(dāng)延長(zhǎng)爆炸時(shí)間的作用，當(dāng)爆生氣體出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)爆破人員應(yīng)當(dāng)及時(shí)撤退[3]。而此時(shí)延長(zhǎng)的時(shí)間便是為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員預(yù)留的后撤時(shí)間，當(dāng)炸藥能量在氣孔內(nèi)積累短暫時(shí)間后，會(huì)積蓄大量的能量，當(dāng)其積蓄能量釋放后，采礦場(chǎng)的礦體便可以被完全破碎，確保能量利用率的同時(shí)，減少礦體在爆破過(guò)程中出現(xiàn)大塊體礦體。

1.2 爆破作業(yè)裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在完成裝藥技術(shù)的研究后，應(yīng)及時(shí)對(duì)爆破作業(yè)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理，此次研究可從邊幫與填充區(qū)域進(jìn)行控制，為了避免大直徑爆破對(duì)礦體填充區(qū)域造成影響，可進(jìn)行爆破結(jié)構(gòu)的貧化率計(jì)算，綜合多次統(tǒng)計(jì)與計(jì)算結(jié)果可知。

公式（1）中：A表示為貧化率；λ表示為地質(zhì)品位；β表示為圍巖品位。按照上述計(jì)算公式，進(jìn)行貧化率A的多次計(jì)算，達(dá)到當(dāng)A=0.4時(shí)，炸藥的爆破效果最優(yōu)，在此種條件下，不僅爆破后的礦體塊結(jié)構(gòu)較為均勻，同時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)填充體失穩(wěn)或垮塌現(xiàn)象。為了進(jìn)一步確定爆破作業(yè)裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)，將當(dāng)前爆破作業(yè)當(dāng)中常見(jiàn)的物種邊孔裝藥結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，利用LSDYNA3D對(duì)五種不同邊孔裝藥結(jié)構(gòu)的爆破進(jìn)行模擬分析。通過(guò)對(duì)各個(gè)裝藥結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值的最大值進(jìn)行記錄，以此作為反映各個(gè)裝藥結(jié)構(gòu)爆破最大破壞效應(yīng)的指標(biāo)。通過(guò)模擬分析得出，爆破作業(yè)裝藥最優(yōu)結(jié)構(gòu)應(yīng)為以一條藥卷為基礎(chǔ)，額外增加0.5m竹筒結(jié)構(gòu)。除此之外，最差的裝藥結(jié)構(gòu)為兩條藥卷結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，增加1m河砂的結(jié)構(gòu)。在實(shí)際進(jìn)行爆破作業(yè)的過(guò)程中，針對(duì)裝藥量均相同的裝藥結(jié)構(gòu)，其炸藥應(yīng)當(dāng)在炮孔長(zhǎng)度方向上以均勻分布的方式布置。同時(shí)，根據(jù)爆破震動(dòng)的速度峰值越小，則爆破產(chǎn)生的破壞效應(yīng)越小的原理可知，通過(guò)對(duì)爆破震動(dòng)的速度峰值進(jìn)行控制可以有效降低爆破產(chǎn)生的破壞效應(yīng)，同時(shí)爆破振動(dòng)的速度也會(huì)隨之降低。針對(duì)部分具備良好作業(yè)條件的金屬礦山回采作業(yè)而言，還可采用空氣間隔裝藥的方式作為爆破作業(yè)裝藥結(jié)構(gòu)。在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，這種裝藥結(jié)構(gòu)保證爆破振動(dòng)速度峰值始終低于相同藥量下河砂間隔的裝藥結(jié)構(gòu)。同時(shí)，這種爆破作業(yè)裝藥結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)裝藥能量分布更加均勻，以此更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破振動(dòng)的控制。

1.3 逐孔逐層精確起爆

在進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，還可引入逐孔逐層精確起爆技術(shù)，結(jié)合高精度的毫秒導(dǎo)爆管雷管裝置，在每一個(gè)需要進(jìn)行爆破的炮孔上按照一定的時(shí)間和空間順序安裝一個(gè)毫秒導(dǎo)爆管雷管裝置并起爆。通過(guò)人工方式，為每層炸藥放置位置提供充足的自由面，以此達(dá)到減小爆破振動(dòng)和降低爆破過(guò)程中破碎強(qiáng)度的目的。根據(jù)以往的爆破作業(yè)經(jīng)驗(yàn)可知，空間和炮孔內(nèi)的連續(xù)延期時(shí)間上增加的動(dòng)態(tài)自由面能夠有效提高炸藥在爆炸過(guò)程中的能量利用率，以此達(dá)到改善爆破效果，并實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破振動(dòng)控制的目的。

同時(shí)，在進(jìn)行逐孔逐層精確起爆時(shí)，由于在起爆前在炸藥的前方和側(cè)方位置的炸藥均已經(jīng)發(fā)生爆炸，并且每層炸藥都包含三個(gè)自由面。因此，通過(guò)上述方式能夠大大降低爆破所需拋散的能量。對(duì)于爆破時(shí)各個(gè)孔間和排間的微差時(shí)間應(yīng)當(dāng)充分利用，大大提高巖石破碎后產(chǎn)生的拋散能量，以此增加巖石在空中的碰撞次數(shù)，從而在實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破振動(dòng)控制的同時(shí)，改善爆破塊度。

2 應(yīng)用效果分析

按照本文上述論述內(nèi)容，針對(duì)金屬礦山回采作業(yè)中爆破振動(dòng)問(wèn)題，提出了新的控制方案，為了驗(yàn)證該方案在真實(shí)金屬礦山回采作業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用效果。選擇將某正在進(jìn)行礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)作業(yè)的金屬礦山作為依托，結(jié)合該金屬礦山的具體作業(yè)環(huán)境，對(duì)其爆破作業(yè)中的振動(dòng)進(jìn)行控制。結(jié)合金屬礦山回采作業(yè)的安全規(guī)程，在爆破時(shí)主振頻率應(yīng)當(dāng)在45Hz～110Hz范圍內(nèi)，針對(duì)周?chē)ㄖ锏姆€(wěn)定性需要，其安全振動(dòng)速度不得超過(guò)2.45cm/s。將上述要求作為標(biāo)準(zhǔn)，在引入本文提出的振動(dòng)控制方案后，對(duì)其爆破振動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。爆破振動(dòng)速度的計(jì)算公式為：

公式（2）中，V表示為爆破振動(dòng)速度；K表示為與地震波傳播區(qū)域范圍內(nèi)介質(zhì)性質(zhì)及距離相關(guān)系數(shù)；Q表示為爆破作業(yè)過(guò)程中的最大單響裝藥量；R表示為爆破時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)危機(jī)周?chē)鷧^(qū)域的半徑。根據(jù)上述公式，計(jì)算得出爆破的振動(dòng)速度，并將得出的結(jié)果與上述金屬礦山回采作業(yè)安全規(guī)程要求的振動(dòng)速度進(jìn)行對(duì)比，將得出的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表1所示。

表1 控制方案應(yīng)用效果記錄表

從表1得出的結(jié)果可以看出，在本文振動(dòng)控制方案下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)在徑向方向、垂直方向和切向方向的振動(dòng)速度均未超過(guò)金屬礦山回采作業(yè)安全規(guī)程規(guī)定的2.45cm/s，說(shuō)明爆破振動(dòng)均在安全范圍內(nèi)。因此，通過(guò)上述應(yīng)用實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，本文提出的爆破振動(dòng)控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)爆破作業(yè)振動(dòng)幅度和振動(dòng)速度的有效控制，進(jìn)一步提高金屬礦山回采作業(yè)的安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文上述論述，針對(duì)金屬礦山回采作業(yè)中的爆破振動(dòng)這一安全影響因素開(kāi)展對(duì)其控制方案的設(shè)計(jì)研究。從三個(gè)方面提出一種全新的控制方案，并通過(guò)應(yīng)用效果分析證明了該方案的可行性。由于當(dāng)前金屬礦山的地質(zhì)條件在發(fā)生不斷改變，因此爆破振動(dòng)也會(huì)出現(xiàn)更多不同的變化特征，針對(duì)這一問(wèn)題，在后續(xù)的研究中還將從多個(gè)方面對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行綜合分析，從而提出一種更符合金屬礦山回采作業(yè)安全要求的控制方案。除此之外，除爆破振動(dòng)以外，在爆破過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲也會(huì)在一定程度上影響到周?chē)用褚约笆┕ぷ鳂I(yè)人員，因此針對(duì)爆破噪聲問(wèn)題的控制也是后續(xù)研究的主要方向。