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爆破震动第1章 绪 论


第1章 绪
1.1 研究的背景及意义



爆破是矿山生产主要环节之一。 爆破质量的好坏不仅影响着矿山生产过程中的铲装、 运输、 机械破碎等后续工艺的效率和总的经济效益, 而且对矿山生产安全也有重要影响。 爆破震动是炸药爆炸后应力波在介质中的传播。 就像爆炸使近区的介质发生破坏一 样,当爆破引起目标物所处地带的震动幅值大于一定的

数值时,会引起目标物的损坏。 生产爆破震动是引起地下矿山巷道破坏的重要原因,也是诱发岩爆的主要因素之一。由 于其地质条件的复杂性、多变性,一直是都是研究的重点难点。频繁的爆破或大爆破会 造成地下建筑物的破坏(破裂、塌陷、冒顶等) ,同时会导致矿山地压的变化,从而诱 发岩爆发生,会影响企业的生产安全,降低生产能力,给工作人员人身安全造成重大伤 害。通过对爆破震动的监测,得出可供分析的数据,以便进行研究,来优化爆破设计方 案,减小生产爆破的破坏性。 保国铁矿铁蛋山矿区位于辽宁省西北部北票市境内,属露天转地下开采,选用无底 柱分段崩落法开采,下盘围岩较破碎,在矿石回采过程中地压显现明显,尤其处于下盘 围岩之中的沿脉运输道,顶板下沉、开裂,帮壁开裂现象严重。加上保国铁矿单次爆破 药量较大,进路回采爆破频繁,不可避免的对下盘运输道的稳定性造成干扰。虽然保国 铁矿对下盘运输道采用了锚杆、金属网、钢拱架及喷射混凝土联合支护,但在爆破震动 的扰动及自然形变作用下,地压问题仍然很突出。

(a)顶板冒落 图 1.1 +50 水平的冒落、片帮现象

(b)两帮片落

因此对铁蛋山矿进行爆破震动监测,研究破碎岩体中爆破震动的传播规律,爆破震

动对围岩、巷道稳定性的影响,以及各种爆破参数和传播介质对爆破震动信号特征的影 响,从而对铁蛋山矿爆破震动产生的危害进行控制,对其爆破参数进行调整,为矿山安 全高效生产提供有效指导。

1.2 国内外相关领域的研究及现状
1.2.1 爆破震动传播规律
爆破地震波是一种弹性波, 它包括在介质内部传播的体波和沿分层岩石层面传播的 面波。震动区的能量仅占爆炸总能量的很小部分,在岩石和干土中约为 2%~6%,在湿 土中约为 5%~6%,在水中约为 20%。但是,震动区内的应力波虽然已经大大衰减, 这些具有一定强度的小震幅震动仍足以使结构发生轻微破坏及发生不同程度的损伤破 坏。由于近年来爆破震动事故频繁,使得对爆破震动区的研究越来越多。爆炸波从介质 中的震源出发向外传播,将在各向同性介质中产生一个球面波。它的波阵面面积随 r2 而增加,流过单位面积的能量随 r2 而降低,从能量损耗的角度考虑,地震波强度应该随 产 r2 或 r 的增大而衰减。同时,岩土介质中存在大量微观裂隙,客观上使地震波随传播 距离的增大而不断呈指数形式衰减。 根据我国《爆破安全规程》 (GB6722-86)及国内外的一些研究成果,在中国和前苏 联爆普遍采用的萨道夫斯基公式来研究爆破震动的传播规律[1-3],由于地震波在传播的 过程中,地形的变化对爆破震动效应的影响是很明显的;当出现河沟、山谷、巷道、采 空区、断层、裂隙时,震动效应明显减弱;当出现山坡、岩柱时,震动效应增强,称之 为高程放大效应。于亚伦[4]指出萨道夫斯基公式仅适用于地势平坦的情况,对于高差较 大的部位,还应考虑爆破地震波传播的高程效应。黄树棠、张雪亮[5]认为,不论地形多 么复杂,地形的变化可以用高程的变化 ( 高程差 ) 近似表示,并且发现,高程差值为 25~105m 时,岩石中的水平方向的质点速度增大 1.23~3.04 倍,垂直方向增大 3.26~3.80 倍;在表土中水平方向增大 1.18~1.53 倍,垂直方向增大 1.32~1.79 倍。刘美山等[6]、周 同龄等[7]、宋光明等[8]、徐海亮等[9]、Ghosh 等[10]及前苏联学者分别提出放映高程的震 动速度传播规律预测。 震动波的强度随药包埋置深度的不同而变化[11],随着深度增加,爆破震动波在地下 向周围扩散时,能量损耗也逐渐增大,由于表面波和反射波的影响,地表测点震动大、 衰减快,地下测点与地表测点相比,震动小、衰减慢。实际测量与研究发现[12],地下某

一深度的爆破在地表产生的诱导震动,以垂直爆破点上方的竖直速度最大,而水平速度 较小;离该点越远竖直速度减小;水平震速随水平距离的增大,先是增大到某一峰值后 再逐步衰减。 远近区传播规律的不同,戈鹤川、杨年华建议将近距离震动衰减规律和远距离衰减 规律分开考虑,当比例距离 R1=R/Q2≤10,认为近距离震动;R1=R/Q2>10 认为是远距 离。近距离震动 K 值较大,可达 500 以上,α 值较大,可取 2.0~3.0;远距离爆破震动, 衰减指数 K=130~500,α=1.3~2.0。G.L.Yang[13]、张庆松[14]、傅洪贤[15]等研究了爆破 震动近区的传播规律与远区的规律不同,对近区震动危害控制提供有力指导。 炸药性能对爆破震动波幅值也有显着影响[16],通过近地表同药量的燃料空气炸药 FAE 和 TNT 爆炸震动对比试验,发现炸药性能对震动波峰值有显着影响,对震动波频 则影响不大,距爆心等距离处 FAE 表现出峰值速度比 TNT 高的特性。众多文献研究表 明,相同条件下同性能炸药爆炸,药量越大,震速越大;爆速越高,相同条件下产生的 震动强度也越大。 经过大量的研究成果显示, 爆破震动强度不仅与爆破设计参数如药量、 段间隔时间、 爆源距等有关,还与爆破场地的地质条件如地形地貌引起的高程差、岩性和岩体结构等 有关[17,18],其影响因素众多,起到的作用也不同。李洪涛[19]总结爆破介质夹制作用、孔 径、爆源深度、装药结构、岩体条件、场地条件、与爆源相对位置等因素影响着爆破震 动的传播规律。 K、α 值与爆区地形、地质条件和爆破自身情况都相关,但 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。爆破临空条件好,夹制作用小时 K 值 就小,反之 K 值大;地形平坦、岩体完整、坚硬,α 值趋小;反之破碎、软弱岩体、起 伏地形,α 值趋大。K 取值范围大部分在 50~1000 之内,α 取值在 1.3~3.0 之间。 根据[20]经验总结 K,α 值与之对应的岩性特征如表 1.1 所示
表 1.1 不同岩石性质对应的 K,α 值 岩石性质 坚硬岩石 中硬岩石 软岩 K 50~150 150~250 250~350 α 1.3~1.5 1.5~1.8 1.8~2.0

杨志强[21]在其硕士论文中总结了各种因素对爆破震动的影响, 并指出其主要因素有: 地形条件、爆心距、被保护体结构、段药量、微差时间、起爆顺序、最小抵抗线、不耦

合系数八大因素;同时指出炸药种类、装药长径比、超深、填塞材料、填塞长度、炮孔 倾角等,这些因素较上述八种因素对爆破震动影响要小。 史秀志[22]通过灰色关联分析得出影响峰值质点震动速度因素的敏感性由强到弱依 次为传播介质 f 值、总药量、最大段药量、炸药爆速、完整性系数、微差时间、前排抵 抗线、测点与最小抵抗线方向夹角、高差、水平距离和预裂缝穿透率;张艺峰[23]得出爆 破参数特别是钻孔超深、排距、孔距对爆破地震效应影响最大,是影响爆破地震效应的 主控因素,高程差、超深、最大一段药量对爆破震速的影响最大;田建军[24]得出,影响 爆破震动速度的各因素与震动速度幅值的关联度有单段最大药量>爆心距>总装药量>孔 数目;沈蔚、徐全军[25]分析高度、最大段药量、距离、段数、总药量,其中高度、距离 和最大段药量起着主要的作用;范磊、沈蔚[26]分析得出最大段药量影响较总药量大,高 程影响是一个不容忽视的因素。并指出一般情况下,微差时间一般没有变化,孔距、排 距、孔深、孔径、填塞长度、炸药种类、和装药结构,这些参数一方面对爆破地震波参 数的影响不大,另一方面这些参数受块度要求等制约条件影响的变化不大。范孝锋,周 传波[27]通过实例分析得出各种参数对不同矿山爆破震动的影响程度不同, 不同类型和力 学性质的岩体爆破中,存在着不同的影响爆破震动的优势因素。

1.2.2 爆破震动的影响因素
爆破震动是一个相当复杂的过程,其影响因素很多,但由于受理论分析、实验条件 以及其它客观因素的影响, 现阶段不可能将爆破地震波的所有影响因素一一做定量分析, 而只需抓住主要因素而加以控制,以期达到增强或减弱爆破地震波的目的。郑峰等人根 据可控制性将影响爆破震动的因素分为两类[28]:一是人为不可控制因素,如地形地质条 件、 地质结构、 传播途径等因素; 二是人为可控制因素, 即爆破参数。 他们从微差爆破、 药包埋深和装药形式三方面阐述了爆破地震的影响因素, 总结出通过控制爆破参数这一 主要因素来控制爆破震动的结论。 承前所述,爆破地震是一个多因素的复杂系统,其中有很多尚未清楚的灰色信息。 随着交叉学科的发展,有人将灰色理论运用到爆破地震效应分析。指出最大段药量对爆 破地震波的振动峰值和主频有着主要影响,而总药量对爆破震动的影响作用相对较弱, 影响爆破震动持续时间的主要因素为段数,其次才是总药量。爆破点到测点的高度差对 爆破振动峰值和主频亦有很大的影响。水平和垂直方向的振速与药量、炮孔深度、测点 距离有密切关系, 其关联顺序为药量>炮孔深度>测点距离, 说明药量在爆破中影响最大。

1.2.3 爆破震动的安全判据
为了保持围岩顶板稳定性和地下结构的安全性, 科学工作者对爆破震动理论做了大 量研究。发现爆破震动破坏效应实际上是结构体动态破坏问题,但人们对爆破震动的破 坏机理有不同的认识,采用的结构体抗震设计方法也不相同,相应的抗震效果也就有所 不同。众多研究表明爆破震动对结构体的损伤破坏与震动幅值、震动频率、震动持续时 间以及结构体自身特性紧密相关[5,29,30,31,32]。而震动幅值是震动强度的主观体现,由此人 们将震动强度、震动频率、震动持续时间称为爆破震动的三要素。 国内外对爆破地震效应的研究广泛采用以衡量爆破振动强度的物理量 (质点振动速 度、加速度或位移)作为爆破振动安全的控制参量。但是,在这些物理量中,以哪一种 物理量作为衡量标准最合适,各国研究人员有着不同的观点和选择。国外曾先后采用过 质点振动的最大位移、最大加速度、最大速度和能量比作为控制标准[33]。在对爆破地震 效应研究的过程中,大量的测试资料和工程实践表明,地面质点振动速度与建(构)筑物 破坏的相关性最好,因此,各国都逐渐采用质点振动速度作为衡量爆破振动强度的物理 量[5,34] 阳生权等[35]通过理论分析和爆破安全判据的应用分析,得出结论:应把地震幅值、 频谱和持续时间三者同时纳入爆破地震安全判据,建立多参数安全判据,以提高评估爆 破地震安全的准确度和合理性。并重视爆破地震累积效应。 汪旭光[36]在分析了我国采用振速 - 频率作为震动强度指标的必要性与可能性之后 , 提出了在制定我国新的统一的《爆破安全规程》时,应考虑振速与频率综合影响的建议, 即将振动速度和主振频率两个指标作为爆破震动安全判据。同时指出,在目前尚无一个 理想的、被普遍接受的振动频率计算公式的条件下 ,根据我国已有的实测数据制定出不 同地面建筑物和隧道的保护对象所在地的质点峰值振动速度和对应的频率 ,以经验数据 代替计算公式,是目前唯一可行的方法。

1.2.5 爆破震动的控制措施
爆破震动危害控制一直是国内外爆破安全技术的重大研究课题, 亦是一些学者致力 于解决的难题。从以往对爆破震动危害控制的研究看,爆破震动危害控制的方法大致有 三种:是针对爆源采取的措施;是针对所控对象采取的措施;是针对爆破地震波传播过 程中采取的措施。 目前在工程实际中应用最多的或者说是各国学者重点研究的是针对于

爆源采取的降震措施,其中干扰降震法、控制最大段药量、改变爆炸参数是较为常用的 手段。 (1) 干扰降震法 干扰降震法的原理主要是将大爆破药量通过微差爆破, 分段起爆已减弱单个震动波 对结构物的破坏作用,如能合理的选择微差时间使多个震动波达到干涉降震,则能控制 爆破震动的产生的破坏效应。 (2) 控制最大段药量 爆破震动的强度主要与找药量、爆心距、传播介质有关,在这些影响因素中认为控 制最有效的是炸药量。研究成果表明,爆破震动强度主要取决于最大段药量,通过多段 微差起爆方式,控制最大段药量,从而控制爆破震动峰值速度,从而既提高爆破生产规 模,又能降低爆破产生的震动效应。 (3) 改变爆炸参数 大量的实践表明,爆破震动强度与采用的爆破参数有关系,如炮孔直径、最小抵抗 线、炸药性能、孔间距、排间距、起爆顺序和起爆方向等。如何通过改变爆破参数来达 到降低震动效应在生产中受到一定的限制。 工程实践表明,微差爆破技术已经成为降低震动效应,合理利用爆炸能的最主要的 手段。确定微差延时时间是实现微差爆破的核心和焦点。然而,由于炸药性能、装药结 构、介质性质、地质条件等所因素的复杂性,特别是实现微差爆破时中起决定最用的起 爆器材的精度问题,使得微差延时时间的确定式中成为困扰工程爆破界的焦点难题。因 此,需要根据一定的理论指导,从实际的爆破资料着手,如何精确确定合理的微差延时 时间已成为是否能真正实现降震的关键。

1.3 研究内容、方法及技术路线图
爆破震动效应一直以来是广大学者和工程技术人员研究的重点和难点,至今为止, 仍然有许多问题需要研究。 本文结合铁蛋山矿实际生产情况, 对矿区生产爆破进行监测, 对监测所的信号进行分析,研究爆破震动速度的传播规律及其影响因素,为矿山爆破设 计提供参考指导,为安全生产提供保障,具体研究内容如下: (1)通过现场调研,掌握铁蛋山矿区的地质资料、支护措施、采矿方法、爆破参 数及地压分布规律等相关概况,为爆破震动监测方案的选择确定,提供资料与依据; (2)选择合理的爆破震动监测位置,制定详细的监测方案,选择合适的监测设备

布设在监测位置,开展回采过程中巷道及沿脉巷道的围岩震动监测测试; (3)通过对爆破震动波相关参数的分析,研究最大振速、主振频率等相关参数与 爆破参数之间的关系及变化规律。 (4)基于最小二乘法原理,得出爆破震动峰值速度预测模型,从而得出 K、α 值, 在此基础上,对矿山炸药使用情况提出改进建议,并提出合理的降振措施。
现 场 调 研 地质资料 采矿方法 支护措施

地压分布规律

爆破参数 文献 查阅

爆破 震动 监测 系统 建立

监测方案制定

监测设备选择与布置

监测位置选择

进行爆破震动监测 最小比例 距离法

爆破震动信号 的时频分析 距离、最大段药量

爆破震动的 控制措施 建立振速峰值预测模型

质点最大振速 与主振频率

最大段药量控制 其它辅助控制措施

3.3 铁蛋山爆破震动监测方案的建立
保国铁矿下盘围岩较破碎,在矿石回采过程中地压显现明显,尤其处于下盘围岩之 中的沿脉运输道,顶板下沉、开裂,帮壁开裂现象严重。加上保国铁矿单次爆破药量较 大,进路回采爆破频繁,不可避免的对下盘运输道的稳定性造成干扰。虽然保国铁矿对 下盘运输道采用了锚杆、金属网、钢拱架及喷射混凝土联合支护,但地压问题仍然很突

出。影响爆破振动的因素有很多,最大单段药量、装药结构、段间时间间隔、爆心距、 排数等。结合保国铁矿工程布置,拟在收敛变形监测区域 A、B 中采取以下爆破振动测 点布置方案分析进路回采爆破对下盘沿脉运输道的影响。

图 3.2 监测点布置剖面示意图(4 月 27 日) 表 3.1 监测点坐标 监测点 BP1 BP2 BP3 BP4 BP5 BP6 X 坐标 5820.27 5801.02 5786.09 5801.33 5788.99 5777.73 Y 坐标 2541.81 2542.88 2555.13 2535.18 2536.24 2539.96 Z 坐标 20 20 20 35 35 35

3.3.1 +20m 水平巷道的爆破震动监测方案
+20 水平主要在进行采切作业, 为了分析上部岩体爆破对分段沿脉运输巷道的影响, 在该分段共布置 3 个爆破振动监测点, 如图 3.3 图 3.4 所示。 3 个监测点按照垂直矿体走 向方向,沿 2210 进路方向布置,该布置方式主要用来监测垂直矿体走向方向上质点振 动强度, 用以分析矿体的回采过程在垂直走向方向上的爆破振动波传播衰减规律及主要 影响因素。

监测区域

图 3.3 +20 水平(A 区)爆破震动监测点(BP 点)布置图

图 3.4 +20 水平(A 区)爆破振动监测点(BP 点)布置放大图

3.3.2 +35m 水平巷道的爆破震动监测方案
+35m 水平为主要回采生产水平,为了分析上部岩体对分段沿脉运输巷道的影响, 在该分段共布置 3 个爆破振动监测点, 如图 3.5 图 3.6 所示。 3 个监测点按照垂直矿体走 向方向,沿 2113 进路方向布置,该布置方式主要用来监测垂直矿体走向方向上质点振 动强度, 用以分析矿体的回采过程在垂直走向方向上的爆破振动波传播衰减规律及主要 影响因素。

3.3.3 爆破震动监测系统
本次监测使用四川拓普测控科技有限公司生产的 NUBOX-6016 型智能振动监测仪, NUBOX-6016 便携式数据采集设备是针对现场爆破、震动、冲击、噪声等测试而专门优 化设计的,用于信号记录和分析的小型仪器。该仪器能对传感器(包括速度、加速度、 压力、应变、温度等)产生的动态、静态模拟信号进行数字转换、存储,并有触发机制 保证只对关心特征的信号进行正确记录;最多 2048 段分段采集,实现多段振动信号的 连续自动记录;配套提供 BM View 爆破振动专用测试分析软件;TDEC API 动态链接库 支持二次开发,并支持 VC、VB、BCB、CVI、LabView 等多种开发平台。 本设备配套的 TP3V-4.5 三维速度型传感器是一款实用的振动速度测量传感器,可 以同时测量水平 X 向、水平 Y 向和垂直 Z 向三个方向的速度。广泛应用于机械振动、 接触式位移、地震波、动平衡等多种测试领域。该型传感器具有安装简便、坚固可靠、 体积小、测量精度高、抗干扰强等特点。

其设备(图 3.5) 、BM View 爆破振动监测系统(图 3.6) 、性能参数(表 3.2) 、传感 器技术指标(表 3.3) 、设备原理图(图 3.7)如下所示。

监测区域

图 3.5 +35 水平(B 区)爆破震动监测点(BP 点)布置图

图 3.6 +35 水平(B 区)爆破振动监测点(BP 点)布置放大图

(a)NUBOX6016数据采集设备 (b)TP3V-4.5 三维速度型传感器 图3.7 NUBOX-6016型智能振动监测仪

图3.8 BM View爆破振动监测系统

图3.9

BM Ana爆破振动分析系统

表3.2 NUBOX-6016性能参数 名称 最高采样率 量程 数据存储深度 数据记录方式 储存段数 分辨率 直流精度 参数 200KSps ± 300mm/s 8G 字节/台 自动记录 最大 2048 段 16Bit 误差小于± 0.5% 输入信号带宽 信噪比 0Hz-40KHz ≥62dB 触发方式 手动触发;出窗触发; 入窗触发;外触发 名称 供电方式 参数 充电电池、外部直流电源

表3.3 传感器主要技术指标 垂直向 阻尼系数 频响 自然频率 测速范围 灵敏度 线圈电阻 失真 最大位移 0.60± 20% 5-500Hz 4.5± 10% Hz 0.1-30cm/s 28.8± 10%V/m/s 375±5%Ω ≤0.2% 4mm 水平向 0.60± 5%

开机

安装连接传感器

开机

运行设备嵌 入式软件

开机

运行 BM View

现场参数设置 设置采集参数 启动、等待触发 进行工程标定 触发采集结束

联机读取数据

分析、存储、 报告

退出软件 关机 查看波形及测振结果

关机

关机 参数准备 现场测试 数据回放

图3.10 设备原理图

3.3.4 震动监测的内容
目前在工程上应用最多的仍是爆破震动速度测试。我国新的(爆破安全规程)中, 评估爆破安全距离时,就是采用考虑频率影响的质点峰值震速。因此本次测试采用质点 峰值测试。爆破后用 U 盘导出数据,导入计算机,运用 BM View 回放功能,可读出整 个爆破过程中的振动信号,并提供频谱分析、矢量合成等处理功能。 爆破震动监测的内容主要包括: (1)对爆破震动主振频率的监测。得出爆破震动主振频率的变化范围,研究爆破 过程频率的变化规律,降低共振对沿脉运输巷道的破坏作用。 (2)对爆破质点最大振速的监测。研究最大装药量与距离对沿脉运输巷道的振速 影响的关系。

3.3.5 传感器的安装
爆破震动传感器的安装一直是测试关键问题,由于生产现场条件较复杂,巷道布置 错综复杂,在布置传感器的时候需要严格应尽量避免隔空区,传感器应布置在围岩比较 坚固的地方。在综合考虑现场因素以及不妨碍矿山生产顺利进行的情况下,利用围岩上

原有的台面,用石膏将传感器固定在岩石上,围岩无合适台面的巷道,可下挖至基岩, 然后浇筑水泥,形成有外露面的水泥台,使用速凝石膏来固定传感器。在布置测点前, 对测试设备进行统一的计时调整,使得设备计时时间统一为实际北京时间。 传感器布置的要求:X 放向将其指向爆心;水平方向的传感器的气泡要保持水平状 态;固定基岩上。 铁蛋山矿区支护良好,巷道平整,几乎没有合适的台面,所以采取开挖浇筑水泥台 的方式,形成连接基岩的面。

(a)现场用速凝石膏安装仪器 图3.4现场安装照片

(b)安装完毕等待触发

第 5 章 爆破震动控制措施
通过监测所得波形的分析,得到了距离、最大段药量对爆破震动波振速大小及频率 分布的影响。 本章中, 我们将继续通过监测数据, 找到最小比例距离, 并结合经验公式, 来建立铁蛋山矿的爆破震动峰值预测模型, 从而得出铁蛋山矿安全爆破生产所允许的最

大段药量。最终,结合矿山实际生产情况,对铁蛋山矿爆破生产过程中存在或潜在的危 害提出有效的解决措施。

5.1 爆破震动信号的安全评价
针对铁蛋山矿巷道围岩的不稳定问题,为了探究爆破生产对沿脉运输巷道的影响, 本文利用迄今监测到的爆破震动监测数据, 从最大振速及主振频率两个方面对铁蛋山矿 的爆破生产进行安全评价。

5.1.1 最大振速方面
大量的现场试验和观测表明, 爆破震动的破坏程度与质点峰值速度的大小较好的相 关性,以质点峰值震速作为安全判据在世界各国得到广泛采用,因此本文先从最大振速 方面来对爆破生产的安全性进行评价。 根据表 4.3 现场的爆破监测结果,可得出其最大振速的统计表,如表 5.1。
表 5.1 爆破震动监测最大振速整理 日期 2014.4.30 最大振速(cm/s) 7.544 6.38 4.814 4.353 6.696 5.717 3.254 2.534 0.221 0.217 3.945 3.876 2.91 1.01 0.187 3.821 3.523 0.044 0.081 9.216 6.05 0.352 0.411 日期 2014.5.22 最大振速(cm/s) 4.634 4.264 0.167 13.524 0.251 0.29 0.314 8.367 6.421 0.182 0.227 8.364 6.593 4.538 0.242 0.267 5.446 4.216 2.837 0.25 0.287 0.287 3.05

2014.5.1

2014.5.23

2014.5.2

2014.5.24

2014.5.3

2014.5.25

2014.5.12

2014.5.26

2014.5.13

2014.5.28

2014.5.14

2014.5.21

2.313 2.19 0.338 0.08 0.051 7.408 5.69 3.549

2014.5.29

3.05 3.05 0.305 0.305 7.32 6.1 6.1

从表 4.3 中可以看出五月份铁蛋山矿爆破生产中震动波传递至监测点的最大振速范 围为 0.44cm/s~13.524cm/s,根据我国爆破震动安全标准(GB6722-1986) ,如表 5.2。
表 5.2 我国爆破震动安全标准(GB6722-1986) 建筑物分类 土洞窑,土坯房,毛石房 一般砖房,非抗震性大型砌块建筑物 钢筋混凝土框架房屋 钢筋混凝土水工隧道 钢筋混凝土交通隧道 围岩不稳固但有良好支护的矿山巷道 围岩中等稳固但有良好支护的矿山巷道 围岩坚固无支护的矿山巷道 爆破安全震动速度/(mm/s) 10 20~30 50 100 150 100 200 300

铁蛋山矿沿脉运输巷道属围岩不稳固但有良好支护的矿山巷道,爆破安全振速为 10cm/s,表明绝大多数爆破作业对沿脉运输巷道监测点产生的振速都是安全的,但也存 在极少数超出标准的爆破点,需总结经验,采用适当的爆破震动控制措施,进一步增强 爆破的安全性,对于远距离的单段爆破可适当增加崩矿步距和最大段药量,以提高生产 效率。但因监测时间有限,监测点固定的限制,以及短期矿山开采计划中开采区域的局 限性,监测得到的数据完整性连续性有待提高。随着生产及爆破震动监测的逐步有序进 行,监测到的信号数据的完整性将进一步增强,能够得到更好地更准确地分析。

5.1.2 主振频率方面
国内外的研究者法发现单一峰值评判标准存在很大的局限性, 有时候震速超过安全 值,建筑物无损害,峰值在安全标准范围内,建筑物反而发生不同程度的破坏,随着爆 破理论及技术的发展,国内外的学者发现爆破震动的频率对设施物破坏也有影响,尤其 是建筑物频率接近爆破震动的频率是,容易发生共振现象,加剧构建物的损害。因此一 些关于震动-频率的安全判据开始结合。如瑞士,德国,美国等。其中著名的是德国的 DIN4150 爆破震动标准[68,69],如表 5.3 所示。

表 5.3 德国爆破震动安全判据 建筑物类型 工业建筑及商 业建筑 频率范围/Hz 10 10~50 50~100 10 10~50 50~100 10 10~50 50~100 合速度/(mm/s) 20 20~40 40~50 5 5~15 15~20 3 3~8 8~12

民用建筑

重点保护建筑

国内汪旭光等也建议将振动速度和主振频率两个指标作为爆破震动安全的判据, 在 我国新实施的《爆破安全规程》 (GB6722-2003)中[70],也考虑了的频率的影响,对原 有的安全判据进行修改,如表 5.4 所示
表 5.4 我国新的爆破震动安全标准 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 保护对象类别 土窑洞,土坯房, 毛石房屋 一般砖房,非抗震 大型的砌块建筑物 钢筋混凝土 结构房屋 一般古建筑与古迹 水工隧道 交通隧道 矿山隧道 水电站及发电厂中心控制室设备 新浇大体积混凝土 9 初凝~3d; 3~7d; 7~28d 3 3.0~7.0 7.0~12 安全允许震速/(cm/s) <10Hz 0.5~1.0 2.0~2.5 3.0~4.0 0.1~0.3 10Hz~ 0.7~1.2 2.3~2.8 3.5~4.5 0.2~0.4 7~15 10~20 15~30 0.5 50Hz 50Hz~100Hz 0.1~1.5 2.7~3.0 4.2~5.0 0.3~0.5

根据在铁蛋山矿五月份的爆破震动监测数据,整理得出其爆破主振频率的统计表, 如表 5.5。
表 5.5 爆破震动监测主振频率整理 日期 2014.4.30 主频(Hz) 3.05 日期 2014.5.22 主频(Hz) 1.53

2014.5.1

2014.5.2

2014.5.3

2014.5.12

2014.5.13

2014.5.14

2014.5.21

3.05 3.05 3.66 3.66 3.66 8.54 6.1 3.05 3.05 3.05 3.05 6.1 3.05 3.05 3.05 3.05 63.48 3.05 7.93 7.32 3.05 3.05 51.88 51.88 51.88 7.63 13.73 7.32 7.32 8.54

2014.5.23

2014.5.24

2014.5.25

2014.5.26

2014.5.28

2014.5.29

12.21 1.53 8.54 6.1 1.53 6.1 13.43 1.53 6.1 1.53 7.32 1.53 6.1 6.1 1.53 6.1 2.14 6.1 6.1 1.53 6.1 3.05 3.05 3.05 3.05 3.05 12.507 4.322 5.194

主振频率基本位于 1.5~65 之间, 说明爆破震动波都是低频振动波, 低频振动波的频 率接近巷道固有频率,当靠近或达到固有频率时会发生共振现象,增加对巷道的损害, 该次监测部分主振频率比较接近巷道的固有频率,应引起高度重视。

5.2 爆破震动峰值速度预测模型
5.2.1 模型的提出
由于加速度、速度、位移都可以表征爆破震动强度,因此,爆破震动强度的预测相应 的有不同的预测模型,这些形式各异的预测模型可由式来统一表示。 影响爆破震动的因素 极为复杂,要将所有因素都考虑进去来建立预测模型的话是非常困难的。 爆破震动监测资

料表明,影响爆破震动强度的主要因素是炸药量、爆心距。因此 ,如果爆破震动的强度是 以震动的最大幅值来衡量的话,则可以有下面的函数形式: A=KQnR-m (5-1)

式中,A 为爆破产生震动的最大幅值;Q 为药量;R 为爆心距;K、m、n 为常数, 这些常数与场地条件有关。 目前开展研究最多的是峰值震速的预测。 在峰值震速预测的模型中,应用最广的是萨 道夫斯基公式:

?3Q? V ? K? ? R ? ? ? ?

?

(5-2)

式中,V 为质点振动速度(cm/s) ;Q 为单段最大炸药量(Kg) ;R 为观测点到爆源 的距离;K 为与介质性质相关的系数;α 是振动波随距离衰减的系数。 R / 3 Q 称为比例 距离。而 V 和 R 分别表示为
2 2 2 ? ?V ? Vx ? V y ? VZ ? 2 2 2 ? ?R ? X ? Y ? Z

(5-3)

其中 Vx 、Vy 和 Vz 分别为质点沿 x、y 和 z 三个方向的振动速度分量;X、Y 和 Z 分 别为测点和爆源间距离分量。

5.2.2 模型的建立
本次研究,我们以质点振速和比例距离为变量,根据萨道夫斯基经验公式,利用回 归原理找出合速度 V 与比例距离 R / 3 Q 之间的关系, 得出 K、 α 值, 进而进行安全分析。 本次测试中我们采用了最小二乘法回归原理。对公式 V=K(Q1/3/R)?运用最小二乘法 原理进行转化换算,得出了 K、?、R2 的计算公式分别如下:

??

? ?x
n i ?1 n

i

? x yi ? y
i

??

?
(5.4)

? ?x
i ?1

?x

?

2

? K ? ln ?1 ? ? y ? ? x?

(5.5)

R ?
2

? ? x ? x ?? y ? y ?
n i ?1 i i

? n ? ? xi ? x ? i ?1

?

? ?? y ? y? ? ? ?
2 n 2 i ?1 i
i

1 2

(5.6)

将表 3.4 中的数字带入到上述公式中,其中 xi=ln(Q1/3/R),yi=lnV,计算得到:
?? ? ?? ? x ? x? ? y ? y?
i ?1 i n

α ?

? xi ? x ? ? ? ? i ?1

n

2

? 1.830

? K ? ln ?1 ? ? y ? ? x ? ? 208.169

R ?
2 n

? ? x ? x ?? y ? y ?
n i ?1 i i

? ? ? xi ? x ? i ?1

?

? ?? y ? y? ? ? ?
2 n 2 i ?1 i

1 2

? 0.8084

所以可得本次爆破振动测试三维合成速度的衰减方程为:

?3Q? v ? 208.169 ? ? R ? ? ? ?

1.830

(5.7)

整理表 4.3 数据,得出峰值震速随比例距离变化关系拟合图如图 5.1 地震波的衰减规律对于预测爆破工程中质点震速以及标定爆破地震波作用下地下 结构的首超破坏临界值都有非常重要的作用 ,亦可以用来指导爆破工程中安全药量和安 全距离的确定。

图 5.1 峰值振速随比例距离变化关系图

5.2.3 最大段药量的控制
尽管控制爆破振动有多种方案,但是现阶段研究成果中显示,影响爆破震动的主要 因素是最大段药量,随着最大段药量的增加,沿脉巷道的质点振动速度增加。因此,如 何在生产爆破过程中控制最大段药量,就成为控制爆破震动危害的关键。 为了保护铁蛋山矿既有的沿脉运输巷道, 根据铁蛋山矿地下结构以及萨道夫斯基经 验公式,我们得到了距离与最大同段药量之间的关系,运用到铁蛋山矿实际生产的爆破 设计中,通过式(5.7)与表 5.4 我国新实施的《爆破安全规程》 (GB6722-2003)对允许 的最大同段药量做出估算,以此为基础制定爆破方案,从而有效的提高生产的安全性, 保护沿脉运输巷道不受爆破震动的损害。矿体与沿脉运输巷道位置图如图 5.2、5.3。 主开采水平+35 水平矿体距下盘沿脉巷道最近距离 4.23 米,最远 232.57 米,+20 水 平矿体距下盘沿脉巷道最近距离 11.62 米,最远 231.29 米,矿体呈不规则脉状,沿脉运 输巷道岩体破碎,支护良好。沿脉巷与矿体距离主要集中在 35-150m 之间,根据经验公 式计算,计算出相应的最大段药量,详情如表 5.6。距离 35m 时,允许的最大段药量为 574.83kg,略高于铁蛋山矿现阶段爆破生产实际单排最大段药量。距离 40m 时,允许的 最大段药量为 858.06kg, 距离 50m 时, 允许的最大段药量为 1675.89kg。 均属安全爆破。

图 5.2 +20 水平沿脉运输巷道与矿体位置图 表 5.6 各距离对应的安全的最大段药量 距离(m) 4 5 10 15 20 25 30 最大段药量(kg) 0.86 1.68 13.41 45.25 107.26 209.49 361.99 距离(m) 35 40 45 50 55 60 最大段药量(kg) 574.83 858.06 1221.73 1675.89 2230.61 2895.94

图 5.3 +35 水平沿脉运输巷道与矿体位置图

从表 5.6 中可以看出,矿体与沿脉巷道距离太近的点对应的最大段药量很小,但这 些短距离的大都集中在矿体北部,可在分段开采最后阶段单独利用多级微差爆破,降低 最大段药量进行开采。 相距距离主要仍在 35m 以上, 现阶段铁蛋山矿生产一般最大段药 量为 500-600kg。因此在生产中,在铲运机及提升运输设备能满足生产的情况下,可适 当增大崩矿步距,以增加生产效率。尤其是距离沿脉巷道 50m 以上的爆破点,安全的最 大段药量已达到 1.5t 以上,合理增加崩矿步距,增加产能效率,显得尤为必要。

5.3 其他辅助控制措施
除了在安全的前提下,对最大段药量的控制外,还可以采用其他的辅助措施来减少 爆破震动带来的危害。

(1)增加爆破间隔的段数 目前铁蛋山爆破采用每段 25 毫秒的微差爆破, 一般间隔为 1-2 段, 间隔时间较短, 由于微差爆破以及爆破点至巷道的距离差, 爆破震动波会不可避免的在传递过程中产生 叠加。现多进路均采取 2 段的时间间隔,加之不同进路爆破点距巷道距离不同,爆破微 差间隔时间很可能会与距离差导致的传播时间差相消减甚至抵消, 从而产生震动波叠加, 减弱了微差爆破降振的效果。因此可在计算的基础上,按需适当增加 1-2 段,以使信号 分离,使微差爆破真正发挥出应有的效果。 (2)微差干扰降振 微差爆破降振原理实质是通过控制起爆各段药量单独作用来减少爆破震动振幅增 加的可能性,从而降低震动强度,在单纯靠控制比例药量或段最大药量不能满足要求时 一般应当结合微差爆破来干扰降振。该方法关键是控制段微差时间。由于普通雷管误差 较大, 微差干扰降震需采用高精度雷管。 在铁蛋山矿多进路爆破中, 需进行精确地计算。 因此,采用高精度雷管进行爆破作业是控制爆破震动的有效途径。 (3)控制爆破的段数 在保证安全的前提下,可适度减少爆破的段数,过多的段数会使爆破震动持续时间 增长,进而危害巷道安全。

5.4 本章小结
(1)本章通过对铁蛋山矿的爆破震动监测信号的分析,从最大振速和主振频率两 方面得出了铁蛋山矿现生产阶段的安全评价; (2)通过对铁蛋山矿爆破震动测试结果的分析,建立了爆破震动速度峰值预测模 型,得出了得到计算铁蛋山矿爆破震动速度的萨道夫斯基经验公式:

?3Q? v ? 208.169 ? ? R ? ? ? ?

1.830

(3)根据我国爆破震动安全标准(GB6722-1986) ,通过对经验公式的分析计算, 得出了各距离所对应的安全的最大段药量, 并对现阶段爆破生产所采用最大段药量进行 了分析, 得出在距离 35m 以上的爆破点可适度加大崩矿步距与最大段药量以提高产能的 建议; (4) 为降低爆破作业对沿脉巷道的危害, 提出了其他辅助控制措施以增强安全性。

第 6 章 结论及展望
6.1 结论
本文通过对铁蛋山矿生产爆破震动进行了为期一个月的现场监测, 根据测试 结果, 采用爆破震动波的时频分析技术和经验公式法分别对结果进行了分析,得 出如下结论: (1)针对多点爆破监测的数据不便分析的问题,通过实例的验证,采用最 小比例距离具有可行性,能比较成功的解决此类问题; (2)当爆破震动测试点与爆源之间的距离增大时,质点的最大振速、爆破 震动波的主振频率有降低的趋势;当爆破时的最大段药量增加时,质点最大振速 有增加的趋势, 信号能量的分布越来越倾向低频带,即信号的主振频率有降低趋 势; (3)适用于铁蛋山矿的萨道夫斯基公式中系数 K 和α 值分别是 208.169.26

?3Q? 和 1.830,其经验公式为: v ? 208.169 ? ? R ? ? ? ?
采距离沿脉巷

1.830

经分析,认为铁蛋山矿在开 ,

35m 以上的矿体时,可适当增大崩矿步距和最大段药量以增加产 能。 (4)铁蛋山矿在多点爆破时,应计算各点至沿脉巷道的距离范围及传播时 间, 并据此来决定是否在 2 段微差爆破的基础上再增加 1-2 段毫秒导爆雷管以发 挥出微差爆破真正的效果,提高矿山的安全性。


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