中深孔爆破振动传播特性分析与控制
2023-09-05汪志国贾旭峰赵龙李政伟
汪志国 贾旭峰 赵龙 李政伟
摘要：爆破振动是引起地下矿山岩体失稳的重要原因，掌握爆破振动传播特性，有效控制爆破振动危害，对矿山安全高效生产具有重要意义。为研究金山金矿湾家坞矿区中深孔爆破对采场周边构筑物的影响，开展爆破振动测试工作。对采集的爆破振动信号，从爆破振动强度、频率、时间等方面进行综合分析，并建立湾家坞矿区爆破振动强度的传播模型。确定了中深孔爆破振动影响范围，获取了允许的最大单段药量计算方法，优化了排间微差起爆时间，使中深孔爆破参数更为合理，确保采场周边运输巷道、硐室等构筑物岩体的稳定性，进而实现矿山绿色、安全、高效的生产目标。
关键词：中深孔爆破；爆破振动；传播特性；参数优化；安全控制
中图分类号：TD235文章编号：1001-1277（2023）09-0036-05
文献标志码：Adoi：10.11792/hj20230906
引 言
爆破是采矿生产工艺的关键环节，爆破效果直接决定矿山的生产能力和生产效率，而爆破诱发的爆破振动容易对周围构筑物和设施造成安全危害。随着采矿工艺和设备的不断革新，中深孔爆破依靠自身的优势被广泛地应用于地下矿山开采，在增加落矿效率、减小采矿成本的同时，也给周边构筑物的安全性与岩体稳定性带来一定程度的威胁。中深孔爆破具有一次炸药用量多、崩矿规模大、爆破效率高的特点，但同时也存在爆破危害大、影响范围大、安全管理难度大等问题。爆破振动衰减规律主要受爆破条件、岩体条件、场地条件及爆源相对位置关系等因素影响［1］。研究爆破振动波传播规律是控制爆破振动负面效应的基础［2］，很多专家、学者都已针对性地进行了相关研究。汪平 ［3］为了控制爆破施工对建（构）筑物影响，采用现场监测与数值模拟结合的方法，进行爆破振动传播规律及预测研究。SLOBODAN等［4］分析了爆破振动安全距离问题，研究了爆破振动对现场作业的不利影响。王雨波等［5］分别从近爆心和远爆心的振动衰减规律对爆破参数进行优化，指导矿山爆破减振作业。陈庆凯等［6］通过现场实测数据拟合比较，得出了更为合理的质点振动速度公式，并对爆破地震波特性进行分析。王先义等［7］提出了建立以质点振动速度峰值为主、振动波频谱和振动传播时间为辅的多参数安全判据。
在上述研究基础上，本文结合中国黄金集团江西金山矿业有限公司（下称“金山金矿”）湾家坞矿区现场工程概况，设计并开展中深孔爆破振动监测。通过对监测数据回归分析，建立湾家坞矿区爆破振动强度传播模型，综合分析爆破振动强度、主振频率、持续时间的影响，确定爆破振动影响范围，优化爆破振动参数，对爆破振动危害进行有效控制。
1 工程概況
金山金矿位于江西省德兴市，隶属于中国黄金集团有限公司，1987年投产，经几次改扩建，现黄金产量1.2 t/a。为提高矿山生产能力，通过采矿方法革新，在浅孔房柱采矿法开采的基础上，开展了中深孔分段空场嗣后充填采矿法试验研究。
中深孔分段空场嗣后充填采场位于湾家坞矿区Ⅵ矿体，布置在307勘探线—311勘探线、-130 m～-155 m中段，矿体平均厚度24 m，采场矿段矿体及其顶板围岩岩性基本一致，以蚀变超糜棱岩、硅化砂质千枚岩、蚀变千枚岩为主，矿岩呈渐变过渡关系。试验采场矿石平均品位2.21 g/t，矿石量256 455 t。同一矿块分为下、中、上盘3个竖分条采场，先采中间竖分条采场，胶结充填后，再采上、下盘分条采场。采场炮孔采用扇形布置，炮孔直径65 mm，排距1.4 m，孔底距1.5 m，炸药单耗0.65 kg/t，装药系数0.85，散装膨化硝铵炸药，BQF-100型装药器装药，单排炮孔总装药量355 kg左右，排间微差爆破，一次起爆5～6排炮孔。
2 爆破振动测试系统与方案
2.1 测试系统
爆破振动监测选用成都交博科技有限公司生产的L20智能记录型爆破测振仪，监测系统由5台测振仪组成，测振仪包括数据记录仪和传感器，传感器可同时接收3个方向振动信息。L20测振仪通过测取质点的振动速度、频率等描述爆破振动的信息，爆破振动速度量程为0.001～35.5 cm/s，频率为1～500 Hz，采样频率为1～50 ksps，测量精度5 %，可精准采集工程爆破振动信息。
2.2 测试方案
针对连续2次的采场中深孔爆破分别进行振动效应测试，每次测试布置5个监测点。根据湾家坞矿区-155 m中段工程分布情况，分别进行了布线布点规划，第一次测试以爆源为中心，在-155 m中段309勘探线—315勘探线布置监测点，测点与爆源近似在一条直线上；第二次测试以爆源为中心，在-155 m中段303勘探线—309勘探线布置监测点，测点与爆源近似在一条直线上，此次测线布置方向与第一次爆破试验相反，具体见图1。
3 测试结果与分析
3.1 测试结果
通过对中深孔爆破振动的测试，获得10个测点爆破振动数据，监测信息包括质点振动速度、频率和时间等。传感器的水平径向（x）与巷道轴向平行、水平切向（y）与巷道轴向垂直、垂直方向（z）与巷道底板垂直的振动速度和主振频率测试结果见表1。
3.2 数据分析
国内外研究表明，爆破振动对构筑物的危害程度与振动强度、振动频率和振动持续时间密切相关。在分析爆破振动效应时，需综合考虑上述因素，湾家坞矿区中深孔爆破振动持续时间为0.5 s左右，即使所用雷管段数增加，也不会超过数秒，远小于天然地震持续的时间。因此，在分析爆破振动危害时，重点放在振动强度和振动频率方面。根据GB 6722—2014《爆破安全规程》［8］，被保护对象所在地基础质点峰值振动速度和主振频率见表2。
1）爆破振动强度。在分析爆破振动特性过程中，一般以爆破引起的岩体质点峰值振动速度表征爆破振动强度。在相同的爆破方式与岩体介质条件下，爆破振动强度与单段最大药量和爆源至测点的距离
密切相关。研究人员根据现场爆破试验与以往工程经验建立了质点振动速度与炸药量、爆心距之间的关系，现阶段主要采用萨道夫斯基公式：
式中：v为质点峰值振动速度（cm/s）；Q为单段炸药量（kg）；r为爆心距（m）；K为与爆破条件有关的系数；α为与传播介质有关的系数。
对式（1）两侧取对数得
据最小二乘法回归原理，得到K、α、r2的计算公式。其中，K、α值的确定是通过大量现场试验，对测试数据经数值统计、分析而得到的；r2是相关系数的平方，表明拟合结果的可靠程度。
中深孔爆破振动影响井下周边巷道、硐室和新浇大体积混凝土等构筑物的稳定性，因此，本次研究主要分析水平径向（x）、水平切向（y）、垂直方向（z）的质点振动速度。将表1中的爆破振动速度数据进行整理，利用最小二乘法进行拟合计算，得到水平径向（x）、水平切向（y）、垂直方向（z）的爆破振动强度传播数学模型，具体如下：
垂直方向（z）：K=121.26，α=1.730 7，r2=0.958 2。
基于上述3个方向上的爆破振动强度传播计算结果，可得爆破振动速度与比例药量的线性回归曲线。其中，横轴为比例药量，纵轴为质点峰值振动速度，比例药量为单段最大药量与爆心距的比值，线性回归曲线具体见图2～4。从回归分析结果可以明显看出：爆破振动测线的水平径向、水平切向和垂直方向峰值振动速度传播规律拟合系数均在0.9以上，拟合效果较好，表明振动监测数据具有较高的可靠性，同时也说明了萨道夫斯基公式的适用性。
2）爆破振动频率。质点峰值振动速度对应的频率即为主振频率，简称主频。当爆破振动波的主振频率等于或接近建筑物自振结构的自振频率时，会因共振而导致振动成倍增强，进而可能使结构局部或部分开裂破坏或失稳。从振动响应方面分析，不同构筑物或结构体有不同的固有频率，考虑振动破坏效应时，应包括频率参数。振动波频率越高，偏离构筑物的固有频率越远，结构的动力响应就越小，即振动对构筑物的潜在危害就越小。
本次中深孔爆破振动监测结果显示，频带分布广泛，为40～350 Hz，但主振频率集中在86.8～172.5 Hz。根据实测爆破数据对主振频率进行分析，结果见图5。由图5可知：在爆破近区，随爆心距的增加，水平径向（x）、水平切向（y）、垂直方向（z）的主振频率快速衰减，当爆心距超过90 m时，主振频率衰减有所减缓。矿山巷道、硐室等构筑物的固有频率很低，一般不超过10 Hz，不会出现共振引起的破坏现象。
3）爆破振动危害控制。爆破地震安全问题，是爆破作业不能回避的，相关的规程、手册均有专门的规定并给出了安全标准，一般可根据经验公式预估给定药量的安全距离和给定距离的安全药量。地下矿山根据开采的需要，各类井巷工程的布置一般很复杂，其中不少工程服务周期长；另一方面，各矿山的爆破参数、场地条件及矿岩性质有自身的特定性，因此，通过现场实测爆破振动数据，计算爆破震动波传播规律，评价振动效应更具有实际意义，由此确定的爆破安全药量、安全距离也更具有实用性，也有利于更有效地控制爆破振动的危害。
在分析矿山巷道爆破振动危害时，由于巷道顶板、边帮具有临空面，同时，易产生破坏失稳，因此，着重研究巷道径向和竖直方向的爆破振动效应。在当前中深孔爆破参数不变的情况下，由爆破振动强度传播规律模型可以推导出爆破药量对应的安全距离（Ra）为：
根据GB 6722—2014 《爆破安全规程》，对于矿山巷道，当主振频率f≤10 Hz时，安全质点振动速度为15～18 cm/s；当主振频率10 Hz
采用微差多段爆破，不仅能扩大爆破规模、提高生产效率，而且能降低爆破振动效应，其原理是爆破震动波相互干扰的结果。在微差段数确定后，就可以进一步确定合理的微差间隔时间，如果微差间隔时间确定的不合理，不仅不会减小爆破振动，反而会增大爆破振动效应［9-10］。湾家坞矿区中深孔爆破震动波形见图6。由图6可知：湾家坞矿区中深孔爆破分6段位起爆。其中，第1段、第2段爆破引起的岩体质点振动速度明显高于其他段位爆破的质点振动速度，两段爆破时间间隔较为接近，属于爆破震动波叠加所致。
研究表明，微差间隔时间为振动周期的1/3时，降低爆破振动效果最佳。如果微差时间是振动周期整数倍时，振动强度会增加，但当是振动周期3倍以上时，爆破震动波相互之间无影响。根据湾家坞矿区中深孔爆破振动时间，計算最优微差间隔时间为27.8 ms，因此，为降低爆破振动对构筑物危害，应适当调整中深孔爆破排间起爆的微差时间。
4 结 论
1）基于中深孔爆破振动实测数据，建立了适用于现场的水平径向（x）、水平切向（y）、垂直方向（z）的爆破振动强度传播数学模型，可以准确反映爆破震动波在该区域的衰减规律。
2）中深孔爆破振动持续时间为0.5 s左右，信号频带分布广泛，为40～350 Hz，但主振频率集中在86.8～172.5 Hz，随着爆心距增加，主振频率快速衰减，超过一定距离后，衰减趋势有所降低。
3）根据爆破振动强度传播数学模型，结合矿山巷道、硐室、新浇大体积混凝土等被保护对象爆破振动安全允许标准，得到爆破振动安全距离和单段最大起爆药量的计算方法，进而确定单段药量和微差段数，指导爆破参数设计。
4）通过计算分析可知，中深孔爆破运输巷道安全距离为18.51 m，穿脉巷道安全距离为19.24 m，现场作业过程中，要加强该范围内岩体工程的防护。最优起爆微差时间为27.8 ms，从爆破减振角度考虑，建议适当调整中深孔爆破排间起爆的微差时间。
［参 考 文 献］
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Analysis and control of vibration propagation characteristics of medium-long hole blasting
Wang Zhiguo1，Jia Xufeng2，Zhao Long1，Li Zhengwei2
（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.; 2.Jiangxi Jinshan Mining Co.，Ltd.of China Gold Group）
Abstract：Blasting vibration is a key factor to induce rock mass instability in underground mines，it is important to master the propagation characteristics of blasting vibration，and effectively control the damage of blasting vibration，which is meaningful to safe and efficient production.In order to study the influence of medium-long hole blasting on the structures around the stope in Wanjiawu mining area of Jinshan gold mine，the blasting vibration test was carried out.The collected blasting vibration signals are comprehensively analyzed from the aspects of blasting vibration intensity，frequency，and time，and the propagation model of blasting vibration intensity and frequency in the mining area is established.On this basis，the vibration influence range of medium-long hole blasting is determined，the calculation method of the maximum allowable single dose was obtained，and the micro-difference initiation time between rows was optimized.The parameters of medium-long hole blasting are more reasonable，and ensure the stability of the rock mass and other structures around the stope，so as to realize the green，safe，and efficient production goal of the mine.
Keywords：medium-long hole blasting;blast vibration;propagation characteristic;parameter optimization;safety control
收稿日期：2023-04-15; 修回日期：2023-05-20
基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFC2905003）
作者简介：汪志国（1989—），男，工程师，硕士，从事金属矿床地下开采研究工作；E-mail：wzgck2015@126.com
