地下采礦爆破振動對地面環境影響的監測與分析*

楊 凱呂淑然董華興

（1.首都經濟貿易大學安全與環境工程學院；2.河北省國控礦業開發投資有限公司）

地下采礦爆破振動對地面環境影響的監測與分析*

楊 凱1呂淑然1董華興2

（1.首都經濟貿易大學安全與環境工程學院；2.河北省國控礦業開發投資有限公司）

金屬地下礦山在采礦過程中，大多數礦山采用炸藥爆破進行開采，爆破產生的地震波將會傳播到地面，對地面建筑設施的安全產生影響。針對此問題，開展了采場爆破振動對地面環境影響的現場監測，得到了爆破振動的監測數據。選取了質點峰值振動速度評價方法對影響后果進行分析，通過利用最小二乘法原理對數據進行線性回歸，得到地下采場爆破振動的薩道夫斯基公式。利用該公式對不同藥量、不同距離的爆破振動速度進行預測，并就振動速度、頻率、持續時間3個參數與火車通行振動產生的相應數據進行了對比，通過對比分析，就采場爆破振動提出藥量控制標準。

爆破振動 地下礦山 安全影響 監測

地下礦山開采過程中，多數使用爆破法崩落礦巖。爆破時，炸藥的一部分能量會轉換為地震波，從爆源以波的形式向外傳播，經過介質達到地表，引起地表的震動。這種震動的強度，隨著爆心距的增加而減弱。在爆區的一定范圍內，當地震動達到一定的強度時，會引起地表和建筑物、構筑物不同程度的破壞［1］。張世雄等人對大冶鐵礦尖林山礦體無底柱分段崩落法回采進路采礦爆破振動速度的測試與研究表明，質點爆破振動速度與單響最大爆破藥量和測點到爆心的距離密切相關，符合《爆破安全規程》［2］。但他并沒有分析地下爆破振動對地面建筑安全的影響。因此本研究以某礦山的實際采礦情況為背景，對其進行了地面地震波的監測分析，以此為礦山安全生產提供技術支撐。

1 礦區地面環境與采場概況

1.1 地面環境

某礦山2005年建設時地表情況簡單，周圍沒有任何建筑物以及鐵路、公路等設施。2007年在礦區南側約100 m處修建了京通鐵路，之后又陸續建設了鄉村公路、公園、礦區辦公室、職工宿舍、村文化活動中心、賓館、小學等公共設施，這些建筑距離礦區井口均在100 m范圍以內，使該采區的地面環境十分復雜，其中公園、礦區辦公室、職工宿舍、村文化活動中心、賓館、小學等建筑在采空區巖石移動監測范圍內，采空區充填后對這些建筑物的影響將會消除。礦區東側有相鄰采區開采，且部分巷道相通，相鄰采區目前已經停產。

1.2 采礦方法

該礦山礦體厚度8.37～10.16 m，礦體傾角80°，礦巖穩固，由于地面分布著很多建筑和基礎設施，地表不允許塌陷，因此選用平底結構淺孔留礦全尾砂嗣后膠結充填采礦法。

礦山采用YT28鑿巖機鉆孔，炮孔孔徑42 mm，孔深4 m，孔距1.3～1.5 m，排拒0.8 m。一般鉆鑿1～2排，呈梅花形布孔。

爆破所用炸藥為巖石膨化硝銨炸藥，裝藥結構為孔內連續一段裝藥。采用普通導爆管雷管的爆破網路，其聯接方法也比較簡單，單孔裝藥14～15卷，即2.1～3 kg。一般布置1～2排炮孔，以1～3孔為一段，共10個段位。段與段間用半秒延時導爆管雷管串聯，以實現分段爆破，一段最大起爆藥量為6.3～9 kg。每天1班作業，1次爆破作業。

2 監測系統及監測方案

2.1 監測儀器

本次測定爆破質點振動速度采用成都中科測控有限公司生產的TC－4850型爆破振動記錄儀以及配套的爆破振動分析軟件，簡稱BVA（Blasting Vibration Analysis）。現場爆破振動速度測試傳感器采用與TC－4850數據采集設備配套的速度傳感器為DX3型，其主要技術指標：頻響5～500 Hz；自然頻率（2.9± 10%）Hz；測速范圍0.1～40 cm／s；失真≤0.2%。

2.2 監測方法

本次監測參數為垂直振動速度，爆破振動監測方法是在礦區地表建（構）筑物附近不同位置呈直線狀態設置垂直振動速度傳感器，為了使傳感器能與大地耦合良好，將傳感器用快黏粉黏結于地面。然后把傳感器與地震儀相連，當爆破振動信號傳遞到測點時，DX3型速度傳感器會采集測點的信號，并轉換成電信號傳遞給TC－4850地震儀。然后回到室內把地震儀與計算機連接，運用配套爆破振動分析軟件進行數據分析和存儲處理［3-4］。整個信號檢測系統如圖1。

圖1 信號檢測系統

2.3 監測方案

爆破點位于地下，爆破產生的地震波對地面建筑物的影響主要來源于振動信號的垂直分量；同時，由于本次爆破時藥量小，爆破振動波的3個分量以垂直分量為主，其余2個方向上振動信號十分微弱，儀器不能采集；在《爆破安全規程》中規定的各項數值標準也主要以爆破振動垂直分量作為判斷依據。因此本次監測數據只布置了垂直速度傳感器。

測點沿著采空區及建筑物附近呈直線布置在地表。具體為沿著地下采空區，把測點布置在活動中心前面廣場上，小學前面的公路上，居民樓附近的公園。每一測點布置速度傳感器，共15個傳感器。為了準確測試礦巖體爆破振動，把傳感器用快黏粉與地表相連。

同時，由于在距居民區100 m附近修建了鐵路，火車經過時，產生的振動對樓內的居民也會產生一定的影響。為了對比地下礦山爆破開采所產生的地震波和火車經過的振動波，本次監測同時記錄火車經過時的振動信號。

3 監測結果與分析

3.1 分析方法

通常對爆破振動危害的主要分析方法是爆破地震烈度和質點峰值振動速度2種，而實踐證明，質點峰值振動速度與建筑物的破壞程度具有較好的相關性，因此本次采用質點峰值振動速度對現場振動危害進行分析。

質點峰值振動速度的計算用下式［5-7］：

式中，v為質點峰值振動速度，cm／s；n為藥包形狀系數，歐美等國家的n值通常取1／2，我國和前蘇聯一般取1／3；Q為最大單響段藥量，kg；R為爆心距，即測點至爆源中心距離，m；K、α為與地質條件、爆破類型及爆破參數有關的系數。

通常是通過現場試驗來確定K、α值的大小。在沒有現場試驗資料的情況下，不同巖石的K、α值，可參考表1確定［8］。

表1 不同巖性的K、α值

我國目前評價爆破振動對建（構）筑物的危害，主要依據《GB6722—2003 爆破安全規程》規定的允許振動速度作為安全判據，該判據既考慮了爆破垂直振動速度的大小，又考慮了爆破振動主振頻率的作用，各保護對象安全允許振速見文獻［8］。

3.2 監測結果與規律分析

對礦山采場正常生產爆破進行監測，對不同爆破規模的3次正常采礦生產爆破進行了監測，測得了41組垂直振動速度有效數據，典型的數據見表2。

表2 爆破振動測試結果

對時域內的爆破振動信號進行FFT變換得到爆破振動頻域圖，分析表明，逐族爆破時，實際監測爆破振動的主頻基本分布在10～90 Hz。

3.3 環境影響分析與討論

地下爆破振動對地面建筑物影響的因素較多，從表2可以看出，地下工程爆破振動有其自身的規律。

（1）地面振動速度和單響藥量Q有關。與露天爆破振動相似，地下爆破振動對地面振動速度的影響與單響最大藥量有關，與總藥量無關，當直線距離幾乎不變的情況下，單響藥量增加時，振動速度也相應的增加，如在Q＝4.2 kg時，距離66 m的振動速度為0.044 cm／s；Q＝9 kg時，距離為65 m的振動

利用ORIGIN軟件中的最小二乘法原理對41組有效數據進行線性回歸，得到爆破振動傳播的規律性。對41個樣本點進行線性回歸分析得出：場地系數K值為174.16，地震波衰減指數α值為2.01，將線性回歸分析得到的K值和α值分別代入式（1），可得質點垂直振動速度預測式。回歸式基本能夠反映其爆破振動傳播的規律性。質點垂直振動速度峰值的預測式為速度為0.119 cm／s。

（2）地面振動速度還與爆心距R有關。當單響藥量相同的時，地面測點振動速度距爆點越近，其振動速度越大。如表中Q＝9 kg時，爆心距為65 m時，振動速度為0.119 cm／s，爆心距為169 m時，振動速度為0.018 cm／s。

（3）利用式（2）分別對最大單響藥量為4.2 kg和9 kg時的爆破振動進行預測，在對比的41組數據中，有23組數據的實測值大于預測值，平均誤差值為0.039 cm／s。有18組數據的預測值大于實測值，平均誤差值為0.018 cm／s，監測值與預測值十分接近，這也意味著預測值安全可靠。

按照式（2）預測采場生產爆破最大單響藥量9 kg時，在距爆點水平距離最近40 m的活動中心處和最近距離為52 m的村民小區的爆破振動預測速度值分別為0.062 cm／s和0.034 cm／s。完全滿足《GB6722—2003 爆破安全規程》的規定：對于土窯洞、土坯房、毛石房屋，當10～50 Hz時，爆破振動速度為0.7～1.2 cm／s的允許值［3］。爆破振動速度遠遠小于允許速度值的下限，并且分別保留11.3～19.4倍和20.6～35.3倍的富余量。

（4）盡管國內外都有專家倡導用加速度值或速度值作為安全判據，但我們的意見是采用質點振動速度值與振動頻率以及振動持續時間相結合來作為安全判據更好［9］。因此本研究將火車通行與爆破振動的這3方面相應參數進行對比。利用式（2），采用Q＝9 kg對爆破振動速度進行預測。預測結果與火車通過產生的振動速度進行對比，在當前爆破水平及爆破規模下，采礦爆破所產生的爆破振動相比于礦區鐵路上行駛的火車來說，采礦爆破振動效應比火車行駛產生的振動速度更大。對比結果見表3，振動頻譜對比見圖2。

表3 火車與爆破振動速度對比

從圖2中可以看出爆破振動頻率較高，范圍較廣，在25～100 Hz。而火車通行產生的振動頻率在10～20 Hz，頻率低，范圍窄。由于建筑物的自然頻率一般都比較低，當持續時間和振動速度都相同的情況下，低頻波的危害比高頻波的危害大，因為當爆破振動主頻率接近或等于建筑物結構主頻率時，容易產生共振。因此火車振動頻率對建筑物危害大。

從圖3（a）可以看出，爆破震動波形持續時間較短，一般在1 s內，持續時間較短，而火車通行產生的振動持續時間與火車長度、鐵軌長度、通行速度有關持續時間一般在90 s左右，見圖3（b）。振動頻率和幅值相同時，不同的爆破震動持續時間引起的結構應力響應最大值是相同的，但對考慮累積損傷的結構來說，結構產生的塑性應變隨震動持續時間的增加而增大［10］。因此火車經過的持續時間將會對建筑結構的塑性應變產生一定的影響。

由此，說明地下采區采礦爆破振動在頻率和持續時間上比火車小。振動速度與火車振動速度相當，均在毫米級，采用正常的爆破規模不會對其附近的建（構）筑物造成不利影響。

圖2 振動頻譜圖

4 結 論

對于進行爆破開采的地下礦山，其爆破振動對地表環境的影響可以采用分析質點峰值振動速度方法來評價其危害后果。

以上分析表明，目前礦山正常生產爆破，最大單響藥量9 kg時，爆破產生的爆破振動對距采場四周的建（構）筑物不會造成不利影響。其振動速度比火車振動速度稍大，但在毫米級，且相對于爆破安全規程中規定的安全限值，留有足夠的富余量。爆破振動頻率比火車通行頻率高和持續時間比火車通行時短，因此可以認為其危害不及火車行駛振動。

圖3 振動持續時間

［1］田東勝，王云海.地下開采爆破地震動安全評價［J］.中國職業安全衛生管理體系認證，2004（6）：13-14.

［2］張世雄，胡建華，等.地下工程爆破振動監測與分析［J］.爆破，2001，18（2）：49-52.

［3］吳德倫，葉曉明.工程爆破安全振動速度綜合研究［J］.巖石力學與工程學報，1997，16（3）：266-273.

［4］李慶利.放馬峪鐵礦爆破振動預測分析［J］.工程爆破，2009，15（1）：13-15.

［5］鄭晉溪.薩道夫斯基公式在隧道中夾巖爆破振速分析中的適用性研究［J］.福建建設科技，2011（5）：68-70.

［6］易長平，趙明生，崔正榮.基于獨立分量分析的爆破振動信號分離仿真試驗［J］.爆破，2010，27（1）：31-36.

［7］朱傳統，劉宏根，梅錦煜.地震波參數沿邊坡坡面傳播規律公式的選擇［J］.爆破，1988（2）：30-31.

［8］GB 6722—2003 爆破安全規程［S］.北京：中國標準出版社，2004：42-43.

［9］林世雄.爆破測振技術有關問題的探討［J］.爆破，2009，26（2）：105-107.

［10］陳士海，魏海霞，錢七虎.爆破震動持續時間對結構震動響應影響研究［C］∥現代爆破理論與技術：第十屆全國煤炭爆破學術會議論文集.北京：煤炭工業出版社，2008：11-18.

Yang Kai1Lu Shuran1Dong Huaxing2
（1.School of Safety and Environment Engineering，Capital University of Economics and Business；2.Hebei State-owed Minerals Development＆Investment Co．，Ltd．）

In themining process，themajority of underground metalmines adopted explosive blasting.Seismic waves produced by blasting spread to the ground surface，which have an impact on the safety of the buildings and facilities on the ground.For this problem，the on-sitemonitoring of the impact of the stope blasting vibration on the ground environment is carried out，thus obtaining blasting vibration monitoring data.Peak particle velocity evaluationmethod is selected to analyze the impact ofblasting vibration.By linear regression of the data using the leastsquaresmethod，Sadov＇s Vibration Formula about underground stope is gained.Through the formula，blasting vibration velocitywith differentdoses and different distances are predicted，and three parameters of vibration velocity and frequency，duration were compared with the corresponding data generated by train traffic vibration.Then，the dose control standards for stope blasting vibration are proposed.

Blasting vibration，Underground mine，Safety impact，Monitor

2013-08-11）

*2011年度北京市屬高等學校人才強教深化計劃人才創新團隊項目（編號：PHR201107143）。

楊 凱（1986—），男，博士研究生，100070北京市豐臺區花鄉張家路口121號。

M onitoring and Analysis of Im pact of Blast Vibration on Ground Environment in Underground M ining