班克海，王贺

（1.广西华锡集团集团股份有限公司铜坑矿，广西河池547207；2.正威国际集团有限公司，深圳518040）

高应力下中深孔爆破振动传播规律及动态应力比安全判据研究

班克海1，王贺2

（1.广西华锡集团集团股份有限公司铜坑矿，广西河池547207；2.正威国际集团有限公司，深圳518040）

以某铜锌矿中深孔大爆破为依托，通过现场爆破振动监测收集了大量爆破振动数据和波形信息，通过拟合进行回归分析，得出某铜锌矿高应力下中深孔爆破振动传播规律，并通过动态应力比判据判断爆破振动对地下结构的危害程度，为矿山确定最大段药量的选取提供科学的依据和保障，为同类矿山设计和施工提供可靠的指导。

爆破振动；传播规律；动态应力比；安全判据

爆破振动危害控制一直是国内外爆破安全技术的重大研究课题［1］。大规模的或频繁的爆破作业产生的爆破地震效应会对地下（矿山、水力、隧道）结构物造成破裂、冒落或坍塌。史秀志［2］研究指出爆破振动在高应力条件下对岩石的破坏更加明显。严鹏、卢文波［3］研究表明，高应力下振动能量向低频率转移，不利于建筑物的保护。因此掌握高应力条件下爆破振动传播特性，对控制爆破振动危害，保证建筑物的安全有非常重要的意义。

1 某铜锌矿概况

1.1 地质

某铜锌矿是我国开采最深的矿山之一，开拓深度达到1 357m，开采深度达到1 257m。矿床位于浑河大断裂带上盘，属黄铁矿型脉状铜锌矿床，主要由黑云母斜长片麻岩和角闪斜长片麻岩组成［4］。围岩质地坚硬、结构致密、孔隙率小、含水性微弱，其坚固性系数为矿石8～10，围岩10～14。岩性属坚硬。

该铜锌矿深部开采处于高地应力环境，地压活动较明显，因爆破直接或间接对巷道造成不同程度的破坏（如图1），对安全生产造成极大影响。因此掌握其爆破振动传播规律，对其进行安全评判极为重要。

1.2 中深孔爆破参数

采场采用分段凿岩阶段空场嗣后充填法，上向扇形中深孔爆破。孔径Φ90mm，排距1.3m，孔底距1.7m。上向扇形孔如图2所示。采场阶段高度60m，顶底柱结构分别在8m、12m左右。主要运输巷道离采场50m左右（下文计算中R以50m处理）。

图1 爆破诱发巷道破坏Fig.1 The failure induced by blasting vibration

图2 上向扇形中深孔Fig.2 Upward fan－shaped medium－length holes

2 测试仪器的选择、性能参数及安装

2.1 设备选择

此次监测设备选择四川拓普测控有限公司生产的UBOX5016爆破振动智能监测仪。该设备是针对现场爆破、振动、冲击、噪声专门设计的小型仪器。用户可根据测试条件设置四个监测参数，供现场灵活使用，同时还具有掉电保护功能。仪器及监测系统如图3所示。

图3 爆破振动监测仪及监测系统Fig.3 The intelligent monitoring and analysis system of blasting vibration

2.2 主要功能参数

主要性能参数见表1。

表1 UBOX5016性能参数Table 1 The performance parameters of UBOX5016

2.3 传感器安装

此次监测传感器为三向的传感器，分别测得三个方向的振动速度（水平径向、水平横向、垂直方向）。安装采用石膏固定，在巷道围岩上预先修整平台，满足于传感器的安装空间。传感器布置及测点布置如图4～5所示。传感器指向爆心，气泡水平。

图4 传感器布置Fig.4 The installation of sensors

图5 测点布置Fig.5 The arrangement of measuring points

3 爆破振动测试数据处理

3.1 萨道夫斯基公式

我国和前苏联广泛使用萨道夫斯基公式［5］对爆破振动的传播规律进行预测。萨道夫斯基公式见式（1）。

式中：v—介质质点的振动速度，cm/s；R—测点到爆心的距离，m；K、α—与传播介质有关的系数；Q—炸药量，kg。对于微差爆破，Q取最大段的药量，对于齐发爆破，Q取装药总药量。

对萨道夫斯基公式进行变形计算：

3.2 爆破参数及监测数据

此次监测数据总共14个，见表2。

表2 爆破参数与监测数据Table 2 The blasting parameters and monitoring data

3.3 爆破振动数据拟合

通过式（2）对表2中的爆破数据进行拟合，则有：v＝187.77ρ1.391。通过变形得：

运用相同的方法对水平径向、水平横向、垂直方向速度进行拟合，分别得出三个方向上爆破振动传播规律：

K、α值与爆区地形、地质条件和爆破自身情况相关，K值更依赖于爆破条件的变化，α值主要取决于地形、地质条件的变化。不同的岩性对应的K、α值不同。根据经验总结K、α与对应的岩性特征见表3。

通过表3可以看出，铜锌矿中深孔爆破振动传播规律中K、α值符合表中坚硬岩石的特征值。说明某铜锌矿铜矿岩石属于坚硬岩石。这与铜锌矿深部岩性相符合，验证了其可靠性。

4 动态应力比判据

爆破振动的安全评判参数包括速度、频率等，但爆破振动产生的危害不仅与爆破振动强度有关，同时也与建筑物本身的特性有关。动态应力比结合爆破振动能级、岩石性能、现场特征和岩土支护系统等因素，利用岩土结构的定量抗破坏能力的接近程度来评价爆破振动对相应结构的危害。

4.1 动态应力比DSR

动态应力比是由加拿大Yu博士提出［6］，并基于现场条件调查和计算，给出了地下井巷、采场等岩体结构体的损伤破坏现象与DSR的对应关系，见表4。

表4 地下结构的爆破振动动态应力判据Table 4 Criterion of blasting vibration dynamic stress of underground structures

爆破振动产生的动态应力可由式（3）求出：

DSR等于爆破振动动态应力与量化的损伤阻抗应力Ks［σT］之比，即：

式中：Ks—场地质量系数，Ks＜l；σT—岩体动态抗拉强度，MPa。

4.2 某铜锌矿围岩特性及动态应力比安全评价

此铜锌矿主要围岩为黑云母斜长片麻岩和角闪斜长片麻岩。其矿岩主要物理力学特征［7］见表5。

表5 某铜锌矿矿岩物理力学性质Table 5 The physical and mechanical properties of ore and rock

以表5中黑云母斜长片麻岩为例，通过式（4）与上述合速度衰减规律，得出动态应力比、振动速度、最大段药量及破坏程度的关系，其中R取50m，见表6。

表6 黑云母斜长片麻岩动态应力比安全评价Table 6 Safety evaluation based on dynamic stress ratio of biotite plagioclase gneiss

从表6中可以看出对整体稳定，局部不稳定的巷道，允许最大单段药量可达383.29kg，此时要求工程技术人员对周边围岩进行检查，对局部不稳定的围岩进行及时支护。

5 结论

1）通过现场测试分析得出铜锌矿铜矿深部中深孔爆破振动速度的传播规律，求出K、α值，为最大段药量的确定提供可靠的依据。

2）通过对K、α的经验取值进行比较，得出铜锌矿岩性属坚硬岩石，这与矿山深部岩性相符合，进而验证了衰减规律的准确性。

3）各方向上速度的大小合速度＞垂直速度＞径向速度＞横向速度。

4）通过动态应力比判据求出在距50m处的最大单段药量为383.29kg；并提出相应的处理方法。

5）测试的仪器、分析手段和处理数据的方法是比较合理的，对类似矿山具有参考意义。

［1］李夕兵，凌同华，张义平 .爆破振动信号分析理论与技术［M］.北京：科学出版社，2009.

［2］史秀志，董凯程，陈小康，等.高应力条件下爆破振动对岩石破坏研究［J］.爆破器材，2008（10）：23－24.

［3］严鹏，卢文波，陈明，等 .隧洞开挖过程初始地应力动态卸载效应研究［J］.岩土工程学报，2009，31（12）：1888－1894.

［4］王洪勇 .地压测试技术在金属矿山的应用与研究［J］.有色矿冶，2005，21（6）：12－17.

［5］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 6722－2014爆破安全规程［S］.北京：中国标准出版社，2014.

［6］Yu T R，Vongpaisal S.New blasting criteria for underground blasting［J］.CIM Bulletin，1996，89（998）：139－145.

［7］刘建坡 .深井矿山地压活动与微震时空演化关系研究［D］.沈阳：东北大学，2011.

Study on spread law of blasting vibration with medium－length hole under high stress and safety criterion based on dynamic stress ratio

BAN Kehai1，WANG He2
（1.Tongkeng Mine，China Tin Group Co.，Ltd.，Hechi Guangxi 547207，China；2.Zhengwei International Group Co.，Ltd.，Shenzhen 518040，China）

Based on the support of blasting with medium－length hole in a copper－zinc mine，a lot of measured data and vibration wave signals are collected.Through the regression analyses by fitting，spread law of blasting vibration with medium－length hole under high stress is acquired.Finally，blasting vibration damages to the underground structures through the safety criterion based on dynamic stress ratio are estimated.This can provide scientific basis and safeguard for determining the maximum charge weight per delay interval in the mine.Also，this can provide a reference for the design and implementation of blasting in similar underground mines.

blasting vibration；spread law；dynamic stress ratio；safetycriterion

TD235.1

A

1671－4172（2015）05－0081－04

班克海（1985－），男，助理工程师，采矿工程专业，从事采矿相关设计及深部开采地压控制研究。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.016