金屬礦山臺階爆破振速預測研究

張光權，吳春平，施俊健，陶鐵軍

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京100083；2.北京礦冶研究總院，北京 100070)

炸藥在介質中爆炸時，其釋放出來的能量以不同的作用形式表現出來，其中沖擊波能量占2%～20%，空穴和介質隆起能量占40%，噪聲、熱量及無用能量占40%～60%，用于破碎和介質運動的能量占很少一部分，其余的無用能量中很大一部分以空氣沖擊波、飛石和爆破振動等工程災害方式表現出來[1]。在爆破有害效應中，爆破振動被認為是工程爆破中影響最大的公害之一。本文擬結合放馬峪鐵礦工程實踐對爆破振動的振速進行理論預測及實證研究。

1 爆破振動規律與預測方法

1.1 爆破地震波及其影響因素

炸藥在巖體中爆炸時，對巖體產生的擾動，這種擾動以應力波的形式傳播便形成爆破地震波，當它的強度超過一定限度時，會引起地表或附近結構物的破壞，其造成破壞的程度主要決定于裝藥量和與震源的距離[2]。 影響爆破地震波產生和傳播的因素很多，主要有爆源、距震源的距離以及爆破地震波傳播區的地質、地形情況等。

1.2 爆破振速的預測方法

1.2.1 爆破振動速度公式

爆破質點峰值振動速度V的計算由薩道夫斯基公式確定[3]：

(1)

式中：V為保護對象所在地質點振動安全允許速度，cm·s-1；Q為炸藥量，齊發爆破時為總藥量，延時爆破為最大一段藥量，kg；R為爆破振動安全允許距離，m；K、α為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，可通過現場試驗確定。

1.2.2 用最小二乘法回歸方法確定K、α值

lnV=lnK+αlnρ

(2)

設y=lnV，a=α，x=lnρ，b=lnK，則式(2)可以表示為：

y=ax+b

(3)

根據最小二乘法原理，待定參數a、b應使現場爆破試驗實測值yi=lnVi與式擬合值y′=axi+b=alnρi+b的偏差最小。因此，問題轉換為求解使殘差平方和取得最小值時的a、b值：

(4)

式中n為現場爆破試驗次數。

(5)

1.2.3 爆破振速的預測

通過現場爆破試驗得到若干組介質質點振動速度及相應炸藥量、爆源距的實測數據，利用最小二乘法回歸K、α值，再用回歸后的K、α值代入式(1)，建立礦山的爆破振動速度峰值預測公式，即可預測具體爆破工程中距爆源一定距離質點的振動速度。

2 放馬峪鐵礦爆破振速預測

2.1 爆破振動測試

本研究選用監測儀器為UBOX-20016型爆破振動記錄儀，測試中采用脫機采集數據法。首先，根據爆破現場具體的地質地形布置測線，選擇基巖作為傳感器的布置點，測點呈直線形分布。在選定的監測地點安裝傳感器之前，清除地表浮土、浮石、疏松物，以及各種不利于黏接的物質，然后用強力快黏粉將傳感器與基巖進行良好的耦合黏接；最后，將爆破振動記錄儀與傳感器連接，爆破前開機并調試。爆破完成后，將爆破振動記錄儀帶回與計算機連接讀取數據。

2.2 測試數據處理

為盡量消除誤差，取得較好的擬合效果，在密云縣放馬峪鐵礦爆破現場測得了100多組數據。其中包含了3種不同地表、地形條件下所測得的數據，具體情況如表1所示。

表1 不同地表介質下的數據樣本數

為了分析比較的公平性和真實性，在實際處理時剔除差異大的和不同地表介質條件下的監測數據。本研究分別從垂直向、水平切向、水平徑向和振動速度矢量和4個途徑，對處理后的原始數據進行分析，求出各自的K、α值，并據此擬合出相應的爆破振動速度預測公式。

2.2.1 垂直向振動速度分析

剔除在浮石上測得的數據點，以垂直振動速度Vc作為爆破振動速度回歸結果，見圖1。

圖1 以垂直振動速度為準計算的回歸結果

依據回歸原理可得：

K=eb=e4.266=71.24，α=a=1.58。線性相關系數γ=0.808。

據此可得垂直向振動速度預測公式：

(6)

2.2.2 水平徑向振動速度分析

以水平徑向振動速度作為爆破振動速度回歸結果，見圖2。

圖2 以水平徑向振動速度為準計算的回歸結果

依據回歸原理可得：

K=eb=e4.85711=129，α=B=1.7。線性相關系數γ=0.9。

則水平徑向振動速度預測公式如下：

(7)

2.2.3 水平切向振動速度分析

以水平切向振動速度作為爆破振動速度回歸結果，見圖3。

圖3 以水平切向振動速度為準計算的回歸結果

依據回歸原理可得：

K=eb=e4. 66813=106，α=B=1.8。線性相關系數γ=0.892。

于是得出水平切向振動速度預測公式：

(8)

2.2.4 振動速度矢量和分析

圖4 以矢量振動速度為準計算的回歸結果

依據回歸原理可得：

K=eb=e4.643=103.855，α=a=1.465。線性相關系數γ=0.913。

據此可得出爆破振動速度矢量和預測公式：

(9)

3 爆破振速預測公式的應用

3.1 爆破振動速度最大值預測

根據回歸公式，可以對不同藥量、不同距離處爆破振動速度進行預測。根據試驗鐵礦目前實際情況，計算當最大單響藥量Q=200 kg、250 kg、300 kg，R=50 m、80 m、100 m、150 m時的爆破振動速度，如表2所示。

表2 爆破振動速度計算預測值

由表2可以看出，爆破引起的質點振動速度在量值上，垂直振動速度居于中間，而徑向振動速度最大。即使藥量增大到300 kg，在120 m、200 m處的振動速度也遠遠滿足《爆破安全規程》的相關要求。實際最大藥量為250 kg時，在120 m、200 m處的振動速度預測值分別為0.86 cm·s-1、0.36 cm·s-1，與《爆破安全規程》要求的2 cm·s-1相比還有很大的安全富余量。

3.2 居民區建(構)筑物振速預測

根據放馬峪鐵礦采礦爆破安全設計方案，可以得到鞍子溝采場、四和采場、蘿卜峪采場的最大一段起爆藥量Q。依據放馬峪采場現狀平面圖，可以計算出鞍子溝采場、四和采場、蘿卜峪采場離最近民房的距離R。在實際最大單響藥量Q和各采場最近民房的距離R基礎上，計算各采場離最近民房的工作面爆破作業時民房處產生的振動速度V。

由上述分析可知，垂直向振速預測公式在68.1m以外預測精度最高，因此用垂直向振速預測公式分別預測實驗所在礦山3個采場最近居民區的振動速度。同時為了便于比較，也計算了矢量和振速。計算結果見表3。

從計算結果可以看出，無論是垂直振速還是矢量和振速，最近民房處產生的振動速度均小于《爆破安全規程》規定的2cm·s-1，故設計裝藥量可行。

3.3 公式預測結果與實測值對比分析

計算基于最大單響藥量Q=248.4 kg，爆破振動實際監測與回歸公式計算預測對比分析結果見表4。

表3 居民區民房的振速計算值

表4 爆破振動實測值與計算值比較表

注：本表中誤差為相對誤差，取絕對值。

爆破振動實際監測值與回歸公式計算值的對比分析表明，在較遠距離68.1m以外，其振動速度預測精度較高，最大誤差為9.3%，說明用其對68.1 m以外的振動速度進行預測，結果是可信的。而在近距離31.7 m附近振動速度預測的結果誤差較大，誤差最大達到59.5%，需在預測時結合實際采用適當的修正系數予以修正。

4 結 論

1)通過對放馬峪鐵礦爆破振動實測的120組數據進行分析，分別得出垂直向、水平切向、水平徑向和振動速度矢量和的K、α值，由此得出了該礦各速度分量的4個爆破振動預測公式。

2)通過多次現場監測和對大量的實測數據分析發現，垂直振動速度回歸公式能夠反映放馬峪鐵礦爆破振動的實際情況，尤其適用于距爆源較遠處垂直爆破振動速度的預測。

3)在對爆破區域附近居民區的爆破振動進行預測時發現，無論是垂直向振動速度還是矢量和振動速度，其預測值均不超過2 cm·s-1，表明最近民房處產生的振動速度是安全可靠的。

4)由薩道夫斯基公式經線形回歸分析得出的爆破振速預測公式，對距爆源較近處質點振動速度預測誤差較大，可在預測中結合實際情況用適當的修正系數予以修正。

[1] 楊小林, 侯愛軍. 巖溶隧道掘進爆破的地震效應和安全標準[J]. 洛陽工業高等專科學校學報, 2007,17(1):1-5.

[2] 張立國. 爆破振動強度預測及其控制的研究[D].北京:北京科技大學, 2005.

[3] 汪旭光,于亞倫,劉殿中.爆破安全規程實施手冊[M].北京:人民交通出版社,2004.