近地表井下爆破對地表建筑物穩定性影響的研究

李宇星，周 鵬

（湖南黃金洞礦業有限責任公司， 湖南岳陽市 414507）

近地表井下爆破對地表建筑物穩定性影響的研究

李宇星，周 鵬

（湖南黃金洞礦業有限責任公司， 湖南岳陽市 414507）

摘 要：礦山爆破必然引起巖體振動，當振動超過某一極限，就會使爆源附近的建筑物遭到一定程度的破壞，甚至倒塌，造成人員傷亡、設備損壞等危害。當爆破距離較近時，這一問題顯得更為突出。結合礦山爆破實際，利用相關設備測定爆破振動頻率與速度，分析爆破地震波在礦巖介質中的傳播規律，評價爆破振動對地表民房穩定性影響，并提出減震措施控制爆破振動危害，確保礦山生產和居民生活互不干擾。

關鍵詞：爆破；振速；爆破藥量；安全距離

0 前 言

某礦位于江南丘陵地區，礦區地表主要為農田，民房較少，礦山地表標高一般為70～80m，開采標高為20～-10m，區內人口分散居住，工業較發達，建筑較多。礦山主要采用房柱法開采，礦塊按劃分盤區的方式進行回采，沿礦體走向底板布置盤區沿脈平巷，礦塊尺寸為50m×50m，礦房寬6～8m，留設點柱，點柱尺寸7m×7m，通過探頂留設不小于9m厚的護頂礦柱。

礦山目前開采中段為0m中段，開采采場距地表70～80m。近地表生產爆破必然引起地表振動，對建筑物的穩定性產生不利影響。為此，礦方決定展開深入研究，通過爆破振動測試獲取現場振動信息，然后再探尋地震波在礦巖介質中的傳播規律，進而預測最大單響藥量，采取措施控制爆破振動速度，降低爆破振動的影響。

1 爆破振動現場測試

1.1采場爆破裝藥情況介紹

第一次測試的起爆點總裝藥量13.6kg（乳化炸藥），采用秒差雷管起爆，分為5段，最大單響藥量為3.0kg，共布置炮孔10個，炮孔直徑為40mm，平均孔深2.5m。第二次測試的起爆點位總裝藥量15.4kg（乳化炸藥），采用秒差雷管起爆，分為5段，最大單響藥量為3.2kg，共布置炮孔10個，炮孔直徑為40mm，平均孔深2.5m。兩次爆破裝藥情況如表1所示。兩次起爆均在地表布置4～5個測點，井下布置2個測點，爆源距地表垂直距離為75m。

表1　現場測振爆破藥量分布

1.2現場爆破振動測試

根據礦山開采現狀及爆破對房屋的影響情況，現場共進行了兩次爆破測振，井下布置2臺爆破振動測試儀器，地表房屋周圍布置了4臺爆破振動測試儀器。按爆破方案進行爆破，每次根據單段最大藥量確定最大振動數據，選取典型爆破振動測試點振速波形如圖1所示。

爆破振動實測數據顯示，各傳感器測試的最大振速對應的主頻率最小值為85.449 Hz，大于50 Hz。兩次現場爆破測振地表民房實測速度最大值為0.292 cm/s，預測速度最大值為0.198 cm/s，兩者均小于1.5 cm/s，兩次爆破結果均符合《爆破安全規程》（GB6722-2014）規定。

從爆破振動測試結果可以看出，爆破振動波具有明顯的衰減特性。兩爆破振動的持續時間很短，爆破振動速度從零開始迅速增加至峰值然后再衰減至零，整個過程在1 s內完成。爆破振動速度與爆破距離的關系密切，距離越近，振速越大；距離越遠，振速越小。此外，在3個不同方向的振動速度中，Z方向的振動速度最大，X、Y方向的振動速度相對較小。

圖1　爆破振動波形

2 地震波在礦巖介質中的傳播規律

在爆破工程中，介質質點振動速度、藥量及爆心距通常被認為是表征爆破振動衰減規律的3大要素。關于爆破振動衰減規律研究，薩道夫斯基公式給出了質點振速、藥量及爆心距之間的定量關系，并且物理意義明確，應用快捷方便，是目前運用最廣泛最成熟的爆破振動分析方法。

式中，R為爆破振動安全允許距離，m；Q為同時起爆的總藥量，kg；V為保護對象所在地質點振動速度，cm/s；K，a為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，可參考《爆破安全規程》（GB6722-2014）選取，或通過現場試驗確定。

為了更準確地回歸K值和a值，結合現場爆破測振數據，此次研究分X、Y、Z 3個方向對振動數據進行擬合，但由于Z方向振動速度最大，對地表建筑穩定性影響最為顯著，因此重點研究Z方向的振動數據。利用最小二乘法擬合Z方向數據，可得：K =323，a=1.64。分別將K值和a值代入式（1），得不同方向的振速計算公式：

通常采用線性相關系數R衡量擬合結果的準確性，R為（0，1）區間內的某一定值，一般認為當R大于0.8時，擬合函數具有較高的相關性，且R值越高，擬合數據越接近實際數據。此次數據擬合，相關系數R為0.82，說明擬合效果較好，計算所得的K值和a值準確可靠。由上述擬合公式，選取一定的爆破距離，繪出振動速度曲線，如圖2所示。

圖2　爆破振動速度與爆破距離的關系

2.1爆破藥量對振速的影響

Z方向爆破振動速度最大，分析爆破藥量時采用Z方向的擬合公式。最大允許單響藥量隨爆破距離的增大而增加。由擬合公式反算，當爆破距離為50m時，最大允許單響藥量為6.7kg；當爆破距離為70m時，最大允許單響藥量為18.4kg；當爆破距離為100m時，最大允許單響藥量為53.7kg，最大允許單響藥量與爆破距離的關系如圖3所示。

圖3　最大單響藥量與爆破距離的關系

礦山開采中段距地表較近，僅70～80m，因此，必須采用較小的單響爆破藥量控制地表振動，以上分析說明，該礦目前開采中段最大允許單響藥量為18.4kg。合理控制爆破藥量，優化爆破參數，改善爆破工藝，是礦山降震的有效方法。

2.2爆破距離對振速的影響

與單響藥量類似，爆破距離是影響爆破振動速度的另一主要因素，單響藥量增加，爆破距離必然增大，否則，地表建筑物將面臨較大的安全風險。由擬合公式反算，當單響藥量為3kg，最小允許爆破距離為38m；當單響藥量為10kg，爆破距離增大為57m；進一步增加單響藥量為20kg，則爆破距離為72m，最小爆破距離與單響藥量的關系如圖4所示。

圖4　最小允許爆破距離與單響藥量的關系

從理論上講，當單響藥量一定時，增大安全距離可降低爆破振動。但實際上這一方法并不常用，因為對于礦山生產來說，爆破地點是相對固定的，而地表建筑物同樣也是相對固定的，因此想要人為增大爆破距離，顯然不具備現實條件，在這種情況下，控制爆破單響藥量至關重要。

3 結 論

（1）爆破振動的持續時間很短，爆破振動速度從零開始迅速增加至峰值然后再衰減至零，整個過程在1 s內完成。爆破振動速度與爆破距離之間關系密切，距離越近，振速越大；距離越遠，振速越小。

（2）最大單響藥量是影響爆破振動速度的重要因素之一，最大允許單響藥量隨爆破距離的增大而增加。目前礦山開采中段距地表較近，僅70～80m，因此，必須采用較小的單響爆破藥量控制地表振動。分析表明，該礦目前開采中段最大允許單響藥量為18.4kg。

（3）由于礦山爆破地點和地表建筑物相對固定，采用增加爆破距離的方法來降低爆破振動不具備可操作性，因此，控制爆破單響藥量至關重要，合理控制爆破藥量，優化爆破參數，改善爆破工藝，是礦山降震的有效方法。

參考文獻：

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收稿日期：（2016-04-11）

作者簡介：李宇星（1987-），男，湖南岳陽人，采礦工程師，從事礦山安全開采方面的工作，Email：402624007@qq.com。