陳軍凱 魏 正 郝向軍 張小軍 高文學(xué)

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部,北京 100124;2.內(nèi)蒙古康寧爆破有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

工程爆破技術(shù)在我國國民經(jīng)濟建設(shè)中的應(yīng)用與研究已有較長歷史,爆破振動監(jiān)測及其分析是爆破技術(shù)研究的重要內(nèi)容。由于現(xiàn)代露天礦山剝離工程大多在地形、地質(zhì)與爆區(qū)環(huán)境復(fù)雜的條件下進行,因此,對于露天礦山臺階爆破及其振動效應(yīng)的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

爆破振動信號具有瞬時、非平穩(wěn)性的特點,其傳播以及衰減規(guī)律較為復(fù)雜。近年來,眾多學(xué)者采用邊坡模型試驗、數(shù)值模擬分析以及振動監(jiān)測等方法研究振動高程效應(yīng),在地層條件、臺階高度、爆心距、坡面角、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀以及鞭梢效應(yīng)等對放大效應(yīng)的影響方面取得顯著的研究進展[1-9]。武旭等[10]對臺階地形爆破地震波的傳播規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究,得出振動速度放大效應(yīng)的實質(zhì)是爆破地震波在臺階上發(fā)生波形轉(zhuǎn)換與疊加;陳濤等[11]應(yīng)用FLAC3D軟件對露天礦山臺階爆破進行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明:坡腳處最易發(fā)生受拉及受剪破壞。隨著電子雷管在爆破工程中的推廣應(yīng)用,合理的延期時間對控制爆破振動、降低大塊率以及提高炸藥能量利用率等方面的作用得到眾多專家、學(xué)者的關(guān)注[12-16]。何理等[17]基于爆破地震波線性疊加原理對精確延期時間進行了優(yōu)選研究,得出合理的延期時間為主振周期的0.4～0.6倍;李祥龍等[18]采用EMD-HHT法對爆破振動信號進行研究,得出振動合速度隨著延期時間增加的發(fā)展趨勢為“快速衰減—逐漸增加—快速遞減”,采用振動速度錯峰疊加時對應(yīng)的延期時間減振效果最佳。

露天礦山爆破工程地質(zhì)條件復(fù)雜、單次爆破規(guī)模大、持續(xù)時間長,且爆破振動會對周邊環(huán)境造成一定程度的影響。目前有關(guān)電子雷管精確延時與爆破振動效應(yīng)的研究成果多基于特定的背景工程,普適性有所不足。本研究依托鄂爾多斯星光露天礦山深孔控制爆破工程,基于電子雷管精確延時與EEMD-HHT信號分析技術(shù)對“高程效應(yīng)”“鞭梢效應(yīng)”以及爆破振動波能量分布特征進行研究,為有效控制爆破地震效應(yīng),確保臺階邊坡在爆破振動速度放大效應(yīng)影響下的穩(wěn)定與安全提供參考。

1 臺階深孔爆破與振動監(jiān)測

1.1 工程概況

鄂爾多斯星光煤礦位于桌子山背斜西翼,屬于內(nèi)蒙古高原低山丘陵區(qū)。礦區(qū)地形西北高東南低,海拔1280～1320 m。地形相對平坦,松散蓋層厚度小。礦區(qū)東界發(fā)育有SN向的寬緩溝谷黑龍龜溝,其向南與棋盤井溝相匯,流向西南注入黃河。地層遭受風(fēng)化剝蝕,與下伏地層山西組呈整合接觸,各類巖石基本為易軟化巖石。

礦區(qū)可采煤量為859.07萬t,煤層最低選采厚度為0.8m。從煤層賦存條件、剝離巖層特性分析,露天礦為單體傾斜構(gòu)造,巖、煤層傾角為5°～10°,煤層結(jié)構(gòu)簡單,礦區(qū)開采采用爆破方法剝離、單斗汽車運輸工藝,剝離臺階高度設(shè)計為10 m,臺階坡面角為70°,剝離巖層臺階寬度為44 m。露天礦邊坡體由第四系松散層及巖、煤層組成。巖、煤強度呈現(xiàn)非均質(zhì)各向異性特點。

1.2 深孔臺階爆破設(shè)計

1.2.1 爆破參數(shù)設(shè)計

設(shè)計剝離巖層采用電子雷管精確延時松動控制爆破方案,臺階高度10 m,臺階坡面角70°;垂直鉆孔,鉆孔孔徑?=150mm;采用孔距a=6m、排距b=5 m的三角形布孔方式;巖石堅固性系數(shù)f=6～8,炸藥單耗q=0.30 kg/m3;臺階孔深L=11.5m,其中超深h=1.5m,底盤抵抗線W=6.5 m。深孔臺階爆破參數(shù)取值見表1。

表1 爆破參數(shù)取值Table 1 Values of blasting parameters

1.2.2 精確延選擇

確定合理的延期間隔時間是實現(xiàn)控制爆破的關(guān)鍵。本研究采用長沙礦山研究院提出的經(jīng)驗式(1)對孔間延期時間進行計算:

式中,Δt1為孔間延期間隔時間,ms;W為底盤抵抗線,m,取6.5 m;f為巖石堅固性系數(shù),取8。

基于式(1)計算,孔間延期時間為16.25～32.5 ms。由于露天礦山爆破炮孔數(shù)量較多,為了減小爆破振動總的持續(xù)時間,本研究設(shè)計孔間延期時間取值為17 ms。

根據(jù)延時爆破增加自由面的作用原理,先爆孔爆破形成的爆破漏斗,為后續(xù)炮孔爆破創(chuàng)造新的臨空面,那么排間延期時間應(yīng)該比前一排同列炮孔至少滯后1～2個孔間延期時間。排間延期時間設(shè)計可根據(jù)下式進行計算:

式中,Δt2為排間延期間隔時間,ms;k為后一排比前一排同列炮孔滯后起爆的孔數(shù),取2;Δt1為孔間延期間隔時間,Δt1=17 ms。

基于式(2)計算,排間延期時間取43 ms。

1.2.3 起爆網(wǎng)路設(shè)計

結(jié)合礦山剝離巖層特性,綜合考慮地形地質(zhì)條件、爆破地震強度、巖石破碎效果、施工進度以及爆破網(wǎng)路可靠性等因素,設(shè)計采用數(shù)碼電子雷管進行精確延時松動控制爆破,同排相鄰3個孔為1個起爆單元、同時起爆,同排孔間延時17 ms,排間延時43 ms。 起爆順序如圖1所示。

圖1 電子雷管起爆網(wǎng)路示意Fig.1 Schematic of electronic detonator initiation network

1.3 測點布置

本次爆破振動監(jiān)測位于臺階平臺,采用 TC-6850N測振儀,采樣頻率為1～50 kHz。各級臺階高度為10 m,坡度為1∶0.36,共布置4臺爆破振動監(jiān)測儀器,編號分別為 1#、2#、3#、4#。 其中,1#、2#測點布置在1 238 m平臺,水平距離為25 m,3#、4#測點布置在1 248m平臺,水平距離為25m,測點詳細布置如圖2所示。

圖2 爆破振動監(jiān)測點布置Fig.2 Layout of blasting vibration monitoring points

2 爆破振動監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 質(zhì)點振動速度分析

星光露天礦山爆破試驗各測點的質(zhì)點峰值振動速度見表2,測點振動速度—時程曲線如圖3所示。

表2 爆破振動速度監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總Table 2 Summary of blasting vibration velocity monitoring data

圖3 各測點振動時程波形Fig.3 Vibration time history waveform of each measuring point

以1#測點為例對整個爆破過程進行分析,爆破荷載作用開始時,質(zhì)點振動速度先逐漸增大到一個峰值,后隨著爆破荷載作用時間的推移逐漸衰減;由于采用電子雷管精確延時起爆,爆破振動信號出現(xiàn)若干個峰值,約在1.2 s后趨近于0。質(zhì)點峰值振動速度存在高程放大效應(yīng)現(xiàn)象如表3所示。由表3可知:振動速度高程效應(yīng)放大系數(shù)具有顯著的方向性,表現(xiàn)為垂向(Z方向)>徑向(X方向)>切向(Y方向);同時,受到坡腳處巖石夾制作用影響以及與爆源距離的增加,坡面處振動速度放大程度大于坡腳處。

表3 高程效應(yīng)放大系數(shù)Table 3 Elevation effect amplification factors

在相同高程臺階平面上,1#、3#測點各向峰值振動速度均大于2#、4#測點,1#、3#測點位置巖體靠近臺階外緣,2#、4#測點靠近內(nèi)緣邊坡坡腳,爆破振動下臺階外緣巖體的“鞭梢效應(yīng)”以及內(nèi)緣邊坡坡腳處巖體受到的夾制作用,使得2#、4#測點處的質(zhì)點峰值振動速度小于 1#、3#測點。

通過以上分析可知,星光礦山爆破振動速度在水平與垂直方向均存在局部放大效應(yīng)。因此,臺階爆破施工作業(yè)時,應(yīng)基于系統(tǒng)的監(jiān)測分析,優(yōu)化爆破參數(shù)與延期時間;同時結(jié)合實際工況,采取孔內(nèi)間隔裝藥多點起爆、設(shè)立減振孔(溝)、預(yù)裂爆破等措施控制爆破地震效應(yīng),確保各級臺階邊坡在爆破振動速度放大效應(yīng)影響下的穩(wěn)定與安全。

2.2 振動信號的EEMD-HHT分析

EEMD-HHT算法是在HHT算法上的改進[19-20]。EEMD分解可以用于提取和去除爆破信號中的高頻噪聲和低頻趨勢項,Hilbert變換可以得到爆破信號中時域、頻域和能量的對應(yīng)關(guān)系。該算法不僅能夠使得信號在不同尺度上具有連續(xù)性,而且有效減弱了模態(tài)混疊現(xiàn)象,相比EMD算法計算精度更高。本研究隨機取2#測點切向(Y方向)振動速度為例進行EEMD-HHT分析,采樣時間為1.4 s,如圖4、圖5所示。

圖4 2#測點爆破振動速度—時程曲線Fig.4 Time-history curve of blasting vibration at No.2measuring point

圖5 EEMD分解結(jié)果Fig.5 EEMD decomposition results

根據(jù)圖5,臺階邊坡爆破振動信號被分解為c1～c10及余量共11個IMF分量,各階分量按照頻率大小由高到低排列。將原始信號進行EEMD分解后,可以看出,c1分量是高頻噪聲,出現(xiàn)在整個信號采集的過程中,其波形特點為高頻低能波長短;而余量表示信號中的低頻直流分量,體現(xiàn)了爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)的零點漂移和信號偏離基線的趨勢,屬于邊坡巖體振動響應(yīng)信號中的低頻趨勢項,應(yīng)將兩者在原始信號的基礎(chǔ)上去除。

將分解之后的每一個IMF分量所包含的能量值繪制成如圖6所示的柱狀圖?？梢钥闯?c2～c7分量占有原始信號能量的95%以上,其中c4分量所含能量最大,且隨著分量頻率的減小逐漸衰減。c2～c7表現(xiàn)出爆破振動信號最顯著的信息,是影響邊坡穩(wěn)定性和爆區(qū)附近建(構(gòu))筑物安全的主要部分,應(yīng)予以重點關(guān)注;c8及以后分量波動的頻率逐漸減小,波長逐漸增大。

圖6 IMF層所含能量分布Fig.6 Energy distribution of the IMF

圖7至圖9分別為經(jīng)過Hilbert變換得到的邊際譜、瞬時能量與Hilbert能量譜分布圖。根據(jù)圖7,原始信號所包含的頻率成分非常豐富,但大部分分布于100 Hz以下,信號優(yōu)勢頻率主要集中在10～50 Hz,振動主頻為47.45 Hz,高頻成分所含能量逐漸衰減。由圖8可知:基于電子雷管精確延時起爆,能量主要分布在0.02～1.08 s,最大瞬時能量值出現(xiàn)在0.187 s左右,與原始信號峰值振動速度分布規(guī)律基本一致。根據(jù)圖9,原始信號得到的各個IMF分量以頻率—時間—幅值圖的形式表現(xiàn),波動能量主頻率為10～50 Hz,并且以低頻段為主,而高于50 Hz的頻段,散點越密集表示能量越大。

圖7 Hilbert邊際譜Fig.7 Hilbert marginal spectrum

圖8 瞬時能量分布Fig.8 Distribution of instantaneous energy

圖9 信號Hilbert能量譜Fig.9 Hilbert energy spectrum of the signal

通過上述HHT方法,分析4個監(jiān)測點3個方向的振動速度原始信號,得出各個信號所對應(yīng)的主頻如表4所示。由表4可知:4個監(jiān)測點各個方向主頻均分布在10～50 Hz,主頻大小具有方向性,每個測點均為垂向(Z方向)>切向(Y方向)>徑向(X方向)。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014),當振動主頻滿足10 Hz

表4 爆破振動信號主頻匯總Table 4 Summary of main frequency of blasting vibration signal

3 爆破效果分析

臺階爆破不同時刻的破巖過程如圖10所示。巖體在炸藥爆炸能量和介質(zhì)中潛在位能的共同作用下,呈現(xiàn)鼓包、松動、崩塌、坍滑等物理力學(xué)過程?，F(xiàn)場高速攝像表明,爆破未見飛石,爆后邊坡穩(wěn)定,破碎巖體全部坍塌在設(shè)計范圍以內(nèi)。

圖10 爆破破巖過程Fig.10 Process of breaking rock by blasting

現(xiàn)場形成的爆堆巖體塊徑效果如圖11所示。

圖11 爆破破巖效果Fig.11 Blasting and rock breaking effect

由圖11可知:電子雷管精確延時爆破設(shè)計使得需要開挖的巖體得到充分破碎,破巖塊度均勻,達到設(shè)計要求,剝離后能夠看到清晰的邊坡輪廓,這也證明了爆破設(shè)計參數(shù)選取的合理性。數(shù)碼電子雷管精確延時起爆,能夠?qū)崿F(xiàn)降低爆破振動對保留邊坡巖體擾動影響的目標,同時確保巖體破碎塊度滿足設(shè)計要求,降低了后續(xù)開采難度和成本。

4 結(jié) 論

依托鄂爾多斯星光露天礦山深孔控制爆破工程,對爆破振動效應(yīng)進行了研究,基于電子雷管精確延時與EEMD-HHT信號分析技術(shù)討論了爆破破巖效果以及爆破振動對邊坡穩(wěn)定性影響。主要結(jié)論如下:

(1)臺階深孔爆破,質(zhì)點峰值振動速度總體呈現(xiàn)衰減趨勢;高程放大效應(yīng)方向性顯著,放大系數(shù)垂向(Z方向)>徑向(X方向)>切向(Y方向);“鞭梢效應(yīng)”現(xiàn)象較明顯,臺階外緣的質(zhì)點峰值振動速度大于內(nèi)緣。

(2)爆破振動信號能量優(yōu)勢頻段分布于10～50 Hz,以低頻段為主,爆破振動波能量垂向(Z方向)>切向(Y方向)>徑向(X方向)。

(3)采用電子雷管精確延時起爆,能夠有效控制炸藥爆炸作用,破巖塊度均勻,爆破效果得到顯著改善,對于類似工程有一定的借鑒意義。

(4)基于系統(tǒng)的監(jiān)測分析,在后續(xù)工作中,應(yīng)重點考慮爆破振動信號能量10～50 Hz低頻段,分析其振動速度、頻率、能量分布特征,采取有效措施控制爆破地震效應(yīng),確保各級臺階邊坡在爆破振動速度放大效應(yīng)影響下的穩(wěn)定與安全。