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        基于灰關(guān)聯(lián)法的超近距條件下石窟減震控制爆破敏感性分析

        2022-01-07 09:17:32汪為平王雨波劉海林李鴻飛1
        金屬礦山 2021年12期
        關(guān)鍵詞:單段巖塊質(zhì)點(diǎn)

        汪為平 王雨波 劉海林 李 寧 劉 帥 李鴻飛1

        (1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 馬鞍山 243000)

        在既有地下石窟附近超近距范圍內(nèi)實(shí)施減震控制爆破,既有石窟一側(cè)圍巖的保護(hù)受地質(zhì)條件、爆破參數(shù)、保護(hù)對象空間結(jié)構(gòu)造型及巖體質(zhì)量等相關(guān)因素影響,存在較大難度。實(shí)踐中,采用傳統(tǒng)峰值振速和主峰頻率指標(biāo)進(jìn)行控制時(shí),石窟一側(cè)的破碎圍巖小型塊體掉落往往表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性,對單因素實(shí)施減震措施改進(jìn)時(shí),往往厚此薄彼,減震效果時(shí)好時(shí)壞。文中所指的超近距主要指爆心與既有工程的距離在6~12 m范圍以內(nèi)。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014),一般減震爆破按保護(hù)對象所在地基礎(chǔ)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率進(jìn)行控制[1]。實(shí)踐中,一方面,在超近距范圍內(nèi)的峰值振速和主峰頻率指標(biāo)受相關(guān)因素變化影響大,另外,既有工程一側(cè)破碎圍巖(多為Ⅳ~Ⅲ級(jí)圍巖,裂隙切割,膠結(jié)較差)小型巖塊掉落與主控指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性較為模糊,難以明確減震控制主要方向。既有工程為初步成型的地下石刻,破碎段石刻及圍巖的加固無法在爆破前完成,雕鑿工藝特殊性決定了爆破過程中破碎段圍巖不產(chǎn)生大面積(≥1 m2)掉落坍塌。對此,在臨近爆心的相對安全的既有工程一側(cè),對破碎段圍巖進(jìn)行了多次監(jiān)測統(tǒng)計(jì),以小型巖塊(直徑0.03~0.15 m)是否掉落及掉落數(shù)量作為減震爆破的直接控制指標(biāo)。以每次爆破小型巖塊掉落數(shù)量作為敏感性分析特征指標(biāo),找出造成小型巖塊掉落主因,從主因方面加強(qiáng)減振措施,盡可能保證既有工程一側(cè)破碎圍巖不出現(xiàn)巖塊掉落情況。本文基于灰色系統(tǒng)理論中的灰關(guān)聯(lián)法對小型巖塊掉落致因進(jìn)行敏感性分析,明確各相關(guān)因素的主次關(guān)系及影響程度,后續(xù)從單因素或多因素角度實(shí)施減震優(yōu)化,以滿足減振爆破要求。

        1 灰關(guān)聯(lián)分析理論[2-3]

        灰色關(guān)聯(lián)度分析是灰色系統(tǒng)理論的一個(gè)組成部分,這種方法可以在有限數(shù)據(jù)資料的情況下,比較準(zhǔn)確地找出比較因素與參考因素之間的關(guān)聯(lián)性,這種關(guān)聯(lián)性用關(guān)聯(lián)度表示。關(guān)聯(lián)度越大,表明比較因素與參考因素高度相關(guān),關(guān)聯(lián)度小則相反。按關(guān)聯(lián)系數(shù)大小,可以明確關(guān)聯(lián)因素與參考因素之間的關(guān)聯(lián)程度。

        1.1 基本原理

        設(shè)參考數(shù)列為X0=(x0(k),k=1,2,3,…,n) ,對應(yīng)的比較數(shù)列為Xi=(xi(k),k=1,2,3,…,n)。

        根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析法,關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算公式為

        式中,ρ∈(0,+∞)為分辨系數(shù),ρ值越小,分辨力越大,取值區(qū)間一般為[0,1]。

        由于每個(gè)比較數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)程度是通過n個(gè)關(guān)聯(lián)系數(shù)來反映的,關(guān)聯(lián)信息分散,不便于從整體上進(jìn)行比較。因此,有必要對關(guān)聯(lián)信息作集中處理。而求平均值便是一種信息集中的方式,即用比較數(shù)列與參考數(shù)列各個(gè)時(shí)期的關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值來定量反映2個(gè)數(shù)列的關(guān)聯(lián)程度。相關(guān)系數(shù)的關(guān)聯(lián)度一般表達(dá)式為

        對參考數(shù)列X0與比較數(shù)列Xi(i=1,2,…,m),其關(guān)聯(lián)度分別為γi(i=1,2,…,m),按從大到小的順序進(jìn)行排列,即得到灰關(guān)聯(lián)序,若灰關(guān)聯(lián)序γ1>γ2>…>γn,表明X1對X0的影響最大,關(guān)聯(lián)度最高,其余影響因素影響程度依次排列。

        1.2 計(jì)算關(guān)聯(lián)度基本步驟和方法

        (1)參考數(shù)列和比較數(shù)列的確定。確定參考數(shù)列,即確定反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列;確定比較數(shù)列Xi、X0,即確定影響系統(tǒng)行為的因素組成的數(shù)據(jù)序列。

        (2)數(shù)據(jù)序列無量綱化。由于在灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算過程中,各因素有不同的計(jì)量單位,原始數(shù)據(jù)在量綱和數(shù)量級(jí)上均存在較大差異,不同的量綱和數(shù)量級(jí)不便于關(guān)聯(lián)比較,或者在比較過程中也難以得出正確結(jié)論。因此,在計(jì)算關(guān)聯(lián)度之前,通常需對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理,常用的數(shù)據(jù)處理方法有初值化、均值化、區(qū)間化以及歸一化處理等。本文選用初值化對數(shù)據(jù)序列進(jìn)行無量綱化處理,即

        (3)構(gòu)造關(guān)聯(lián)離散函數(shù)。關(guān)聯(lián)系數(shù)的函數(shù)表達(dá)式為

        通過以上三步,便可由式(4)求得關(guān)聯(lián)度。

        2 小型巖塊掉落變量分析

        2.1 特征變量

        由于既有工程為初步成型的地下石刻,雕鑿工藝要求既有工程破碎段圍巖在長期反復(fù)爆破振動(dòng)影響下,不出現(xiàn)大面積塊體掉落。塊體掉落與否及掉落數(shù)量為該工程需考慮的特定的特征因素。故確定特征變量為單次爆破小型巖塊掉落塊數(shù)X01。

        其次將《爆破安全規(guī)程》中規(guī)定的按保護(hù)對象所在地基礎(chǔ)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率也納入特征變量分別為X02、X03,進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析,在分析小型巖塊掉落時(shí)X02、X03作為相關(guān)變量考慮,之后,進(jìn)一步明確二者與其他相關(guān)因素的關(guān)聯(lián)度時(shí),X02、X03作為特征變量考慮。

        2.2 相關(guān)變量

        最大振速持續(xù)時(shí)間,即主振頻率的持續(xù)時(shí)間為X1。最大單段藥量,即每次爆破最大同一段位的起爆藥量為X2。實(shí)際中一般最大單段藥量均為掏槽孔起爆,故本文就不另考慮掏槽的影響。一次起爆總藥量,即單次爆破各段位起爆的總藥量為X3。水平距離,即監(jiān)測點(diǎn)距離爆破中心的水平距離為X4。垂直距離,即監(jiān)測點(diǎn)距離爆破中心的垂直距離為X5。振動(dòng)次數(shù),即監(jiān)測點(diǎn)受到單次爆破振動(dòng)影響的次數(shù)為X6。滲水條件,即監(jiān)測點(diǎn)附近圍巖的滲水情況為X7。

        在本文中,為便于滲水條件量化關(guān)聯(lián),結(jié)合了《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中地下水修正狀態(tài),根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際滲水條件進(jìn)行量化定級(jí),現(xiàn)場滲水狀態(tài)分別為干燥狀態(tài)、潮濕狀態(tài)、點(diǎn)狀滲水、線狀滲水[4]。滲水會(huì)降低巖體質(zhì)量,增加小型巖塊掉落風(fēng)險(xiǎn)和數(shù)量,故小型巖塊的掉落與滲水條件為正相關(guān)關(guān)系,對滲水條件按0~10進(jìn)行定級(jí),干燥狀態(tài)為0,潮濕狀態(tài)為3,點(diǎn)狀滲水為7,線狀滲水為10;同時(shí),由于巖體富水在一定程度上可起到降低爆破振動(dòng)速度和頻率的作用,當(dāng)把爆破振速X02和頻率X03作為特征變量進(jìn)行分析時(shí),原設(shè)定的滲水條件X7與2個(gè)特征變量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此,在分析特征變量X02、X03與其他變量的關(guān)聯(lián)度時(shí),滲水條件設(shè)定為X7′,對相關(guān)變量進(jìn)行量化定級(jí)時(shí),采用10-X7對數(shù)列進(jìn)行逆化處理,即

        3 實(shí)例分析

        3.1 工程概況

        福建某地下石窟工程自2003年開始開挖建造,為現(xiàn)代石窟,前期均采用人工開挖,中后期輔以爆破的方式進(jìn)行開挖。石窟占地約3 000 m2,2018年已初步完成前廳、大殿、后通道、念佛堂等洞窟的開挖雕刻,由于雕刻工作需進(jìn)一步精雕細(xì)琢,故既有窟體中破碎段圍巖的加固工作需后續(xù)精雕后方可實(shí)施。出于整體建造規(guī)劃的迫切性,作為石窟組成部分的臥佛洞爆破開挖需在精雕前完成,因此,臥佛洞爆破過程中需對已建大殿一側(cè)初步建成的石刻及圍巖進(jìn)行減震保護(hù)。其中圖1為大殿造型以及初步雕鑿成型的圖片。整個(gè)大殿呈“天圓地方”造型,石刻均在原巖上雕刻成型。

        在減震爆破過程中尤其需注意的是臨近臥佛洞的大殿圍巖保護(hù)。其中大殿長43 m,寬35 m,均高14 m,穹頂最高處18 m,大殿中央留有11 m×8 m的擎天柱。石窟內(nèi)初步雕塑總面積超10 000 m2,大小雕像超過萬尊。臥佛洞設(shè)計(jì)長96.3 m,最大高度18 m,最小高度10 m。臥佛洞與初步完成雕鑿的大殿的最近水平距離為6 m,故減震控制最為關(guān)鍵地段即為臨近大殿一側(cè)超近距范圍內(nèi)臥佛洞的掘進(jìn)爆破。研究監(jiān)測平面相對位置見圖2,研究監(jiān)測爆心區(qū)域靠大殿西南側(cè)的西通道,后續(xù)進(jìn)一步加強(qiáng)減震措施區(qū)域?yàn)闁|北側(cè)臥佛洞臨近區(qū)域。其中監(jiān)測點(diǎn)的位置均布置在距離底板1/3洞高處。

        3.2 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

        按圖2示意的相對位置關(guān)系,前期通過對西通道一側(cè)大殿破碎段圍巖進(jìn)行長期監(jiān)測統(tǒng)計(jì),獲取了大量爆破振動(dòng)與小型巖塊掉落之前的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際振動(dòng)速度分布以及巖塊掉落統(tǒng)計(jì),從中抽出26組近爆心的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1,其中滲水條件已根據(jù)2.2節(jié)的條件設(shè)定進(jìn)行了無量綱化處理。

        根據(jù)關(guān)聯(lián)度計(jì)算的一般步驟,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初值化處理,結(jié)果見表2。

        通過式(1)和式(2)計(jì)算可得灰關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度,計(jì)算結(jié)果如下:

        (1)當(dāng)把測點(diǎn)峰值振速和主振頻率作為相關(guān)變量分析時(shí),γ(X02)=0.795 15,γ(X03)=0.758 84,γ(X1)=0.785 49,γ(X2)=0.788 49,γ(X3)=0.710 99,γ(X4)=0.723 46,γ(X5)=0.664 2,γ(X6)=0.265 27,γ(X7)=0.675 29;關(guān)聯(lián)度排序如下:γ(X02)>γ(X2)>γ(X1)>γ(X03)>γ(X4)>γ(X3)>γ(X7)>γ(X5)>γ(X6)。從關(guān)聯(lián)度排序結(jié)果可知,小型巖塊掉落致因敏感性由強(qiáng)到弱依次為:質(zhì)點(diǎn)峰值振速、最大單段藥量、最大振速持續(xù)時(shí)間、主振頻率、水平距離、一次起爆總藥量、滲水條件、垂直距離、振動(dòng)次數(shù)。質(zhì)點(diǎn)峰值振速以及主振頻率在確定振動(dòng)安全中的判據(jù)是十分重要的[5]。由于質(zhì)點(diǎn)峰值振速與最大單段藥量一般為正相關(guān)關(guān)系,從分析結(jié)果亦可知,小型巖塊掉落與2因素的關(guān)聯(lián)度較為接近,下文將把質(zhì)點(diǎn)峰值振速和主振頻率作為特征變量,分析二者與其余相關(guān)變量的敏感程度。

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        (2)把質(zhì)點(diǎn)峰值振速作為特征變量,關(guān)聯(lián)度分別為:γ(X2)=0.577 59,γ(X3)=0.437 73,γ(X4)=0.379 65,γ(X5)=0.406 18,γ(X7)=0.533 82;關(guān)聯(lián)度排序如下:γ(X2)>γ(X7)>γ(X3)>γ(X5)>γ(X4),影響質(zhì)點(diǎn)峰值振速的影響因素敏感性由強(qiáng)到弱依次為:最大單段藥量、滲水條件、一次起爆總藥量、垂直距離、水平距離。

        (3)把主振頻率作為特征變量,關(guān)聯(lián)度分別γ(X2)=0.576 24,γ(X3)=0.435 00,γ(X4)=0.380 92,γ(X5)=0.396 16,γ(X7)=0.541 57;關(guān)聯(lián)度排序如下:γ(X2)>γ(X7)>γ(X3)>γ(X5)>γ(X4),影響主振頻率的影響因素敏感性由強(qiáng)到弱依次為:最大單段藥量、滲水條件、一次起爆總藥量、垂直距離、水平距離。

        3.3 關(guān)聯(lián)因素分析及降振措施

        3.3.1 關(guān)聯(lián)因素分析

        (1)近爆心較破碎圍巖段進(jìn)行監(jiān)測統(tǒng)計(jì),并采用灰關(guān)聯(lián)法對小型巖塊掉落致因進(jìn)行了敏感性分析,從分析結(jié)果來看,影響小型巖塊掉落的因素除垂直距離外,與其余因素的關(guān)聯(lián)度均較為接近,說明在超近距條件下的減震控制爆破需從多方面入手予以實(shí)施。

        (2)根據(jù)關(guān)聯(lián)度排序可以看出,小型巖塊的掉落受質(zhì)點(diǎn)峰值振速、最大振速持續(xù)時(shí)間以及主振頻率影響較大,造成質(zhì)點(diǎn)峰值振速大的主要原因有掏槽方式、最大單段藥量以及地質(zhì)影響因素;造成最大振速持續(xù)時(shí)間過長的主要原因?yàn)楹撩肜坠埽?0段以下)起爆間隔時(shí)間不足,造成了部分振動(dòng)波的疊加。如常規(guī)采用的毫秒排布方式:ms1、ms3、ms5、ms7、ms8、ms9、ms10,時(shí)差間隔分別為 50 ms、60 ms、90 ms、50 ms、60 ms、70 ms,除ms5到ms7的間隔時(shí)間稍大外,其余間隔時(shí)間較短,低段位雷管本身存在不超過±13 ms的誤差,因此振動(dòng)疊加幾率大大增高,加之一次起爆總藥量、低段位自由面大小等因素影響,造成了峰值振動(dòng)速度時(shí)間過長。

        (3)進(jìn)一步對質(zhì)點(diǎn)峰值振速和主振頻率進(jìn)行敏感性分析。分析結(jié)果表明,二者與各因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)差別較小,關(guān)聯(lián)度保持一致,受最大單段藥量和滲水條件的影響最大。后續(xù)應(yīng)從控制單段藥量和滲水條件入手采取降振措施。

        3.3.2 降振措施

        針對該工程特殊性,根據(jù)關(guān)聯(lián)度分析可知,需從多方面著手采取減震措施,具體的減震措施如下:

        (1)改變掏槽形式和裝藥結(jié)構(gòu)。改變掏槽方式,由原來的直眼螺旋掏槽改為三級(jí)楔形掏槽[6],同時(shí)針對第三級(jí)掏槽和輔助眼均采用了水壓爆破,降低了單段炸藥使用量,對于總藥量控制方面,在6~12 m的范圍內(nèi),采取分次爆破的方式,即小導(dǎo)洞先行,大大降低了一起起爆總藥量。

        (2)優(yōu)化雷管段位分配。改變毫秒雷管的段位使用,針對10段以下的毫秒雷管,采用ms1、ms4、ms6、ms8、ms10,其時(shí)間間隔分別為75 ms、75 ms、100 ms、130 ms,10段以上雷管接續(xù)使用時(shí),連續(xù)排布[7]。

        (3)增設(shè)減震孔??颗R近既有保護(hù)圍巖一側(cè)打雙排超前梅花形減震孔,鉆孔孔徑42 mm,超前孔深5 m,孔間距15 cm,排距15 cm。

        (4)滲水條件控制。該工程地下水主要為大氣降水補(bǔ)給,考慮到滲水條件對圍巖巖體質(zhì)量有弱化的影響,但滲水對于爆破振動(dòng)振速和主振頻率來說是有降低作用的。對此,對施工工序進(jìn)行合理調(diào)配,雨季滲水嚴(yán)重時(shí),從遠(yuǎn)端底層施工先行小導(dǎo)洞。一方面遠(yuǎn)端底層小導(dǎo)洞的開挖會(huì)形成降水漏斗,改善破碎段圍巖滲水條件;其次,遠(yuǎn)端下層通道先行,可增大掏槽一段最大單段藥量使用時(shí)的水平距離和垂直距離,后續(xù)再行擴(kuò)幫至近端輪廓時(shí),一方面自由面增加,圍巖夾制減少,同時(shí)既有工程一側(cè)地下水情況得到改善,從而有效地達(dá)到了減震效果,實(shí)現(xiàn)了對大殿一側(cè)圍巖的保護(hù)。

        4 結(jié)論

        (1)針對超近距條件下既有特殊工程破碎地段圍巖的保護(hù),為減少爆破振動(dòng)對圍巖的影響,從小型巖塊掉落控制角度出發(fā),采用灰關(guān)聯(lián)度法計(jì)算了各相關(guān)因素的關(guān)聯(lián)度,通過分析可知,影響小型巖塊掉落的因素除垂直距離外,其余相關(guān)因素的關(guān)聯(lián)度均較為接近,說明在超近距條件下的減震控制爆破需從多方面入手予以實(shí)施。

        (2)根據(jù)關(guān)聯(lián)度排序,可以得出,小型巖塊的掉落受質(zhì)點(diǎn)峰值振速、最大振速持續(xù)時(shí)間以及主振頻率影響較大。其中,影響質(zhì)點(diǎn)峰值振速大的主要原因有掏槽方式、最大單段藥量以及地質(zhì)影響因素;影響最大振速持續(xù)時(shí)間過長的主要原因?yàn)榈投挝唬?0段以下)毫秒雷管的部分連續(xù)使用和自由面的大小。

        (3)進(jìn)一步對質(zhì)點(diǎn)峰值振速和主振頻率進(jìn)行敏感性分析,二者與各因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)差別較小,關(guān)聯(lián)度保持一致,受最大單段藥量和滲水條件的影響最大。

        (4)通過敏感性分析,分別從滲水條件控制、改變掏槽形式和裝藥結(jié)構(gòu)、優(yōu)化雷管段位分配、增設(shè)減震孔等多方面優(yōu)化了原爆破施工工藝,取得明顯成效,總體降振率達(dá)40%以上,最大峰值振速總體控制在2 cm/s以下,既有大殿一側(cè)圍巖直至施工完成,圍巖的損毀面積之和也不超過1 m2,有效達(dá)到了減震控制爆破目標(biāo)。

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