王銀濤,劉 堅,劉敬智,李銀忠
(1.北方爆破科技有限公司,北京 100089;2.萬寶礦產有限公司,北京 100053)
爆破振動是爆破工程施工引起的多種危害中最難以避免的,因此爆破振動控制往往成為爆破安全工作中最主要的一個環(huán)節(jié)。爆破振動可以采用多種手段進行控制與削弱,既包括調整相關爆破參數(shù)、控制延時時間等主動控制手段,也包括預裂爆破、開挖減振溝與減振槽、安裝減振管等被動降振方法[1]。
很多學者認為減振溝能加快爆破地震波的衰減,使地震波能量降低[2-5],開挖減振溝適用于爆源與被保護對象間存在易開挖巖土層的情況,是一種效果顯著的降振方法。但是當爆源中心與被保護對象中間為不易開挖的巖石和土層時,在爆源與被保護物體中間安裝減振管可以顯著降低爆破振動。通常認為,減振管的減振原理與減振溝或預裂帶的減振原理類似,都是在被保護物與爆破振源之間形成一道“人造”屏障,改變爆破地震波傳播介質的波阻抗。
巖石中爆炸應力波分為表面波和體波,減振管對體波的削弱原理是通過減振管阻隔和吸收體波的能量,穿過減振管的波能量越大衰減作用越明顯。體波的衰減主要與減振管的長度有關,在炮孔深度一定的情況下,減振管長度越大、間距越小,體波能衰減越多,減振效果越好;減振管直徑對體波的衰減影響較小[6]。與體波相反,表面波在垂直方向以極快的速度衰減,根據表面波傳播特性,其傳播至減振管后,會沿著減振管的管壁傳播,在減振管管壁的兩側會發(fā)生反射,減振管減振原理如圖1所示。
圖1 減振管減振原理Fig.1 Vibration of damping principle
有減振管和無減振管相比,表面波的傳播路徑發(fā)生了改變,假設沒有減振管時,炮區(qū)中心到振動測試點的表面直線距離為R,當施工減振管后,炮區(qū)中心至測點表面波傳播的距離為R+2L,其中L為減振管的長度。即減振管的存在使表面波傳播的距離增加2L,因此有減振管時表面波引起的質點振動速度計算為
(1)
式中:v為質點峰值振速,cm/s;Q最響大單藥量,kg;R為測點與爆源距離,m;L為減振管的長度,m;K為測點和爆源間地形的相關系數(shù);α為地質相關的系數(shù)和衰減系數(shù)。
減振管的直徑(類似于減振溝的寬度)和長度(類似于減振溝的深度)是有限的,地震波總能繞過它而繼續(xù)傳播,因此減振的范圍是有限的。同時減振管之間存在一定間距,地震波會從2個減振管中間區(qū)域穿過,也會影響減振管的減振效果。
以緬甸萊比塘銅礦為例,制定含水土層的減振管施工方法,利用MATLAB分析減振管施工后爆破振動監(jiān)測數(shù)據,確定減振管的減振效果,重新擬合薩道夫斯基公式,研究爆破振動變化規(guī)律,為緬甸萊比塘礦山控制爆破區(qū)域的重新劃分提供指導參考。
緬甸萊比塘銅礦是我國一帶一路建設的重點項目之一,礦山位于緬甸中部城市蒙育瓦,是世界有名的特大型銅礦。緬甸萊比塘銅礦開采設計邊坡高度15 m,炮孔垂直方向深度約為17 m。設計孔網參數(shù)分為2種,在廢石區(qū)域和高黏土礦石區(qū)域為9.0 m×7.0 m,其他區(qū)域為8.0 m×6.0 m,個別區(qū)域隨生產需要及時調整。緬甸萊比塘銅礦區(qū)北側200 m左右有一個磚混結構寺廟,礦區(qū)頻繁爆破施工引發(fā)的爆破振動給寺廟產生了一定影響,為降低寺廟處爆破振動,需采取特定控制爆破措施。
根據相關規(guī)定[7],考慮到寺廟為特殊建筑,其允許最大振動速度峰值嚴格控制在5 mm/s以內,參照薩道夫斯基公式(式2)可計算質點振動速度。
(2)
根據在寺廟固定測點測得爆破振動測試數(shù)據,利用式(2)進行擬合可得到寺廟處測點爆破振動速度衰減計算式:
(3)
因此,根據上述公式計算得到不同距離處允許最大單響藥量如表1所示。
表1 不同距離處允許最大單響藥量
在實際施工過程中,單個炮孔最大裝藥量為500 kg左右,綜合考慮各種因素,將距離寺廟450 m范圍內的區(qū)域劃定為特殊爆破振動控制區(qū)域范圍。在此區(qū)域內爆破施工對爆破振動控制要求嚴格,需采取一定的爆破振動控制措施,保證被保護對象(寺廟)不受影響。
主要爆破參數(shù)為:①炮孔直徑φ250 mm:②線裝藥量45 kg/m (現(xiàn)場混裝多孔粒銨油炸藥)和70 kg/m(現(xiàn)場混裝乳化炸藥);③每次起爆3~5排,逐孔延時起爆,起爆順序根據現(xiàn)場實際情況采用對角(斜線)、V型、掏槽等3種方式,其中對角起爆居多。
連續(xù)裝藥結構時,采用毫秒延時導爆管起爆網路,孔內延時500 ms,孔外孔間延時42 ms,排間延時100 ms,起爆方式為逐孔起爆;間隔裝藥結構時,采用毫秒延時非電導爆管起爆網路,孔內上段延時450 ms,下段延時500 ms,地表網路與連續(xù)裝藥網路相同,同樣為逐孔起爆方式。
考慮開挖設備及鉆孔設備工作要求以及現(xiàn)場實際情況,將控制爆破區(qū)域施工工藝分為水孔區(qū)域和干孔區(qū)域,具體施工工藝參數(shù)如表2所示。
表2 爆破振動控制區(qū)域參數(shù)
1)隨著礦山采剝總量的逐漸增加,上述爆破施工工藝因為施工過程復雜,施工進度緩慢,爆破總量已經滯后于采剝總量,所以有必要采取“一勞永逸”的方法,徹底解決寺廟振動超標的問題。
2)為了解決寺廟振動超標的問題,計劃在寺廟南側布設減振孔隔振措施,但是在進行減振孔鉆孔作業(yè)時發(fā)現(xiàn)孔內有水,減振效果不明顯。于是提出在孔內設置空心橡膠管增大減振效率的施工方案,考慮到空心橡膠管的水浮力作用,吊裝下管作業(yè)時遇到了挑戰(zhàn)。
在寺廟附近進行減振孔施工,不僅可以解決寺廟振動超標的問題,又可以加快爆破施工進度。根據專項施工方案,在寺廟圍墻外側布設3排減振孔,鉆孔孔徑250 mm,孔深18.5 m,孔距2 m,排距2 m,與寺廟圍墻平行。
考慮到橡膠管(HDPE)底部已經做了密封處理,施工過程中利用橡膠管內注水方法讓橡膠管自然沉降,然后在橡膠管與外側孔的縫隙中充填細沙讓其固定,然后利用潛水泵將管內水抽出,孔口采用專用材料封堵,形成空心隔振管。
為了對比礦區(qū)北側寺廟爆破振動效應,分別在減振孔施工前后進行了爆破振動衰減規(guī)律現(xiàn)場測試。爆破振動監(jiān)測點布置如圖2所示,其中1#、2#車墊距離最近減振孔距離都為2 m,共進行了8次爆破振動監(jiān)測試驗,每次爆破用3臺TC-4850振動檢測儀器和計算機分析軟件進行現(xiàn)場實時檢測,總共測出爆破振動數(shù)據24組。
圖2 測點布置Fig.2 Layout of measuring points
本次試驗共設置3排減振孔,為了對比施工減振孔前后的減振效果,采用峰值爆破振動速度減振率ε來表示減振孔對爆破振動強度的減弱效果:
(4)
式中:P1為1#測點(減振管施工前)的峰值振動速度;P2為2#測點(減振管施工后)峰值振動速度。
1#測點與2#測點在直線距離為10 m,相對于600 m以上的總距離可以忽略兩測點的距離差,P1與P2可以認為為同一測點。施工完成后,在1#、2#、3#測點連續(xù)測試3組數(shù)據,具體數(shù)據如表3所示。
表3 測點測試數(shù)據及減振率計算結果
實際減振率ε的平均值為18.13%,說明減振管減振效果明顯,而且對600 m以外的爆破振動源仍有很好的減振效果。
利用MATLAB軟件中自帶regress函數(shù)進行非線性回歸分析,根據1#測點和2#測點的數(shù)據,分別對其進行非線性回歸分析確定K、α值,得到重新擬合的薩道夫斯基公式:
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計算得到r1=0.914、r2=0.847,說明擬合度較高,擬合公式基本上能反應真實水平。假設單孔裝藥量為500 kg,根據式(3)、重新擬合的式(5)(1#測點—通過減振孔前)、式(6)(2#測點—通過減振孔后)繪制距爆源距離R在300~800 m范圍內的距離—振速關系對比圖(見圖3)。對比式(3)和式(5)擬合曲線可以看出,2條曲線基本上重合,但是考慮1#測點位置相比寺廟的位置距離爆源更近,所以式(5)所對應的曲線數(shù)值要偏大一些;對比式(5)和式(6)的擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)隨著爆源與寺廟距離的增加,減振孔對爆破振動減振效果逐漸減小,說明距離寺廟300~450 m范圍內的減振效果更加理想,近距離的爆破減振效果可達20%~25%。
圖3 減振效果對比Fig.3 Comparison of damping effect
在爆破施工過程中,單個炮孔最大裝藥量為500 kg左右,在布設3排減振孔之后,利用薩道夫斯基公式非線性回歸分析方法重新得到新的K、α的值,可重新將距離寺廟350 m范圍內的區(qū)域劃定為爆破振動控制區(qū)域(見圖4)。減小爆破振動控制區(qū)域的面積,對提高爆破開采效率具有重要意義。
圖4 爆破振動控制區(qū)域重新劃分Fig.4 Repartition of blasting vibration control area
1)針對爆破振動對寺廟造成的影響,劃定控制爆破區(qū)域,提出分層裝藥、間隔爆破施工工藝,雖然施工過程復雜,但對保護寺廟安全是一種有效的保護措施。
2)考慮到礦山實際情況,針對減振孔在含水地層中的不利效果,提出插入空心減振管的工藝方法,并采用先在減振管中注水下沉,然后管外填沙,再抽排管內水,實現(xiàn)了空心減振管的設計原則。此施工方法既加快了減振孔施工進度,又保證了減振孔的降振效果。
3)實施減振孔后,測點的爆破振動峰值速度的平均減振率達到18.13%,說明減振孔對爆破振動有明顯的減振效果。
4)根據減振孔施工前后振動速度衰減關系比較,隨著爆源與寺廟距離的增加,減振孔對爆破振動減弱效果逐漸減小,相比而言近距離的爆破減振效果更加理想。在布設3排減振孔之后,根據試驗結果,可將控制爆破振動控制區(qū)由原來距離寺廟450 m范圍縮減為350 m,這對提高爆破開采效率具有重要意義。