谢世勇，叶光祥，叶际寰，李 春，张树标

（1.赣州有色冶金研究所，江西 赣州341000；2.江西下垄钨业有限公司，江西 大余341518）

0 引言

赣南作为我国黑钨矿资源主要产地，矿床类型以石英脉型为主，可细分为单脉型与细脉带型，与之相应的落矿方法主要有浅孔落矿与中深孔落矿[1-2]。与浅孔落矿相比，中深孔落矿极大地提高了矿块生产能力和劳动效率[3]，但其一次爆破药量多达数吨，甚至上十吨，爆破产生的冲击波、毒气和震动等灾害已成为赣南钨矿山安全生产影响因素之一，尤其是爆破震动，其受爆破条件、传播介质、受震物体结构及动态响应等因素影响，具有衰减瞬时、频率复杂多变、传播距离远、危害难以预测和察觉等特点，极易造成生命和财产损失[4]。为此，在中深孔落矿开采技术环境下，亟须对爆破震动开展相关研究，准确预测爆破震动灾害，为爆破设计、爆破灾害防护和控制提供依据。

1 工程概况

下垄钨业左拔矿区采用分段凿岩阶段崩落法开采密集型细脉带矿体[5]，分段凿岩阶段落矿，各分段凿上向扇形孔，多孔粒状铵油炸药崩矿，炸药单耗0.45 kg/t，装药密度0.99 g/cm3，各孔口留0.5～1.5 m不装药，炮泥填塞，采用电雷管起爆，段、排微差起爆，其炮孔排面及爆破网络如图1所示。

图1 矿块爆破炮孔及起爆网络示意图Fig.1 Schematic diagram of blasting holes and initiating networks for mine blocks

2 爆破测点布置

本次爆破震动现场监测的主要目的是通过多次爆破监测，寻找该矿区爆破震动规律，与此同时，保护重要巷道、硐室。根据现场调研情况，沿186中段矿脉走向方向布置测线1条（5个测点），保护测点1个，测点布置如图2所示。此外，在爆源附近236中段主扇房、186中段变电硐室布置保护测点各1个。

图2 186中段爆破测点布置图Fig.2 Layout of blasting measuring points in the middle section of186

3 爆破震动规律分析

为进行爆破震动规律分析，进行了5次爆破震动监测，每次布置8个测点，共测得35组有效数据。通过MATLAB平台，运用信号分析技术，揭示了不同药量、爆心距条件下震动速度、频率和能量的变化规律[6-9]。

3.1 速度变化规律

对现场测得的35组数据分3个方向（x、y、z）进行萨道夫斯基经验公式拟合，求得矿区场地系数k和衰减指数α，揭示质点峰值振动速度与装药量、爆心距间关系，拟合所得模型如下：

式中：Q—炸药量，爆破单段最大炸药量，kg；R—测点与爆源中心的距离，m；

在地质条件一定，爆破器材、装药结构相同时，震动速度随着单段最大药量的增加或爆心距的减小而增大。

3.2 频率变化规律

对矿区每一次爆破震动数据频带范围及主震频率进行统计，结果如图3、图4所示。震动波形频率范围主要集中在0～500 Hz，大于500 Hz的波形数量仅占所有测震数据的8%；主震频率分布直方图显示所有震动波形主震频率均小于180 Hz，低于100 Hz的震动波形占据主要位置，占比83.9%。

图3 频带分布直方图Fig.3 Frequency distribution histogram

图4 主震频率分布直方图Fig.4 Histogram of main earthquake frequency distribution

在确保爆心距相同或相近的情况下，进行主震频率随药量的变化规律研究，如表1。爆破震动波形主震频率随单段最大药量的增加呈降低现象，降低程度在各药量段却有所不同，小药量段降低大，大药量段降低小。与此同时，还发现，同样炸药量下，段别越多，单段最大炸药量越小，波形频率构成越复杂。

对药量相近的两次爆破震动信号主震频率与爆心距进行统计分析，得到主震频率随爆心距的分布图，见图5。大规律上可以发现，当爆心距在180 m范围内，主振频率大小不一、数据分散、杂乱无章；超过280 m后，主振频率以低频为主，且集中在12.2～35.4 Hz内，这一现象符合岩体对高频信号衰减作用大于低频信号的规律。同时，可认为在左拔矿区这种缺陷（采空区、断层、岩性交替等）岩体条件下，爆破中、高频部分在爆心距280 m内基本衰减完成。此外，还可大胆猜测：传播介质一定的条件下，其中高频衰减距离一定，并可通过现场实测得到。

表1 不同药量波形时频分析Tab.1 Time-frequency analysis of different dosage waveform

图5 主频随爆心距分布图Fig.5 Distribution diagram of main frequencies with the variation of explosion center distance

3.3 能量变化规律

以测点编号0207、0307爆破震动波形频带能量图（图6），说明单段最大炸药量与能量间关系，两者爆心距基本一致，对应的单段最大炸药量分别为4 009 kg、279.3 kg。在整个频带范围内，单段最大炸药量大者频带能量随炸药量变化呈现不同规律，0～120 Hz区间内更大，120～200 Hz更小，超过200 Hz基本一致。说明在爆破震动主频范围内，各频带能量随着单段最大药量的增加而增大。此外，还能发现，爆破震动能量主要集中在中低频，频率大，能量反而小。

以测点编号0101、0102、0103爆破震动波形频带能量图（图7），说明爆心距与能量间关系，三者单段最大炸药量一致，对应爆心距分别约为50 m、70 m及150 m。除0～40 Hz外，各频带能量均呈现0101＞0102＞0103，说明各频带能量及爆破震动总能量随爆心距的增加不断减小；此外还发现，当爆心距分别为50 m、70 m、150 m时，其能量分布区间主要集中区域也不同，分别为0～360 Hz、0～200 Hz和0～120 Hz，这说明距离越近能量分布越发散、主震频带加宽，距离越远能量分布往低频集中。

图6 频带能量图Fig.6 Band energy diagram

图7 频带能量图Fig.7 Band energy diagram

4 爆破震动波形预测

爆破震动波形预测是指对爆破震动速度、加速度、频率、持续时间等多个物理量的整体预测，各参量融合于波形中。

首先，对现场获取的爆破震动波形进行7层小波包分解，并对各频段波形进行最小二乘法回归拟合，分析不同频率波形的传播规律；其次，将一个最接近矿区场地信息的频段波形作为预测基函数，再对各频段波形进行归一化得到子基函数；最后，将对应频段的传播规律赋予子基函数得到预测模型，各方向信号预测模型如图8～10。输入确定的单段最大药量及爆心距进行反演重构，即可得特定情况下的预测波形。

图8 x方向信号预测模型Fig.8 Signal prediction model in x-direction

图9 y方向信号预测模型Fig.9 Signal prediction model in y-direction

图10 z方向信号预测模型Fig.10 Signal prediction model in z-direction

为验证波形预测模型的准确性，对试验采场回采爆破进行验证监测，对比波形峰值速度、震动主要频率范围等参量，如表2。

预测结果显示：以误差10%以内为预测准确计算，预测准确率93.3%；峰值速度预测方面，存在速度峰值相反，但绝对误差仍在允许范围内；峰值速度预测数值普遍比实测值低。

说明基于小波包技术的爆破震动灾害预测在震动速度及频率范围两个方面较为准确，可满足工程计算和分析要求。

5 结论

（1）在地质条件一定，爆破器材、装药结构相同时，震动速度随着单段最大药量的增加或爆心距的减小而增大。

（2）震动波形频率范围主要集中在0～500 Hz，主震频率全部小于180 Hz。主震频率随单段最大药量的增加呈降低现象，同样炸药量条件下，段别越多，单段最大炸药量越小，波形频率构成越复杂。

（3）各频带能量与炸药量呈正相关，爆心距的增加各频带能量减小，能量重心向低频转移，但信号的总能量却呈衰减之势。基于小波包技术的爆破震动波形预测在震动速度及频率范围两个方面较为准确，可满足工程计算和分析要求。

表2 爆破震动波形参量预测Tab.2 Prediction of blasting vibration waveform parameters