露天礦臺階爆破對鄰近巷道的振動(dòng)監(jiān)測及分析

董英健，郭連軍，徐振洋，賈建軍，常 躍，寧玉瀅

(1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司，遼寧 鞍山 114051)

露天礦生產(chǎn)過程中，由于爆破效率高且經(jīng)濟(jì)效益可觀而視為礦山開采中首選的施工工藝，但臺階爆破在施工過程中產(chǎn)生振動(dòng)引起爆區(qū)周圍構(gòu)筑物的損害，因此有必要對爆區(qū)周圍環(huán)境進(jìn)行安全性監(jiān)測及分析。國內(nèi)外專家在爆破振動(dòng)危害效應(yīng)方面做了大量的研究工作，理論和成果日趨成熟完善。肖望等[1]以水電站壩基為研究對象，提出爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的公式，研究結(jié)構(gòu)面與爆破振動(dòng)速度的關(guān)系；陳思遠(yuǎn)等[2]結(jié)合大冶鐵礦露天轉(zhuǎn)地下工程，提出在深度影響下的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律；為了研究樁井爆破對周圍環(huán)境的影響，蒲傳金等[3]進(jìn)行爆破振動(dòng)速度試驗(yàn)，推導(dǎo)出高程修正公式，提高了預(yù)測精度；周俊汝等[4]運(yùn)用數(shù)值模擬方法，分析爆破振動(dòng)主頻衰減機(jī)制與規(guī)律，對爆破振動(dòng)的危害做出準(zhǔn)確的評價(jià)；針對公路隧道的圍巖由于爆破施工導(dǎo)致的穩(wěn)定性問題，江杰等[5]對廣西玉象隧道開展爆破振動(dòng)監(jiān)測試驗(yàn)，提出隧道質(zhì)點(diǎn)振速的傳播衰減規(guī)律，對鄰近巷道安全性評估具有指導(dǎo)意義。

目前大部分學(xué)者對露天礦爆破作業(yè)引起周圍環(huán)境的振動(dòng)規(guī)律做了研究，但多數(shù)爆破振動(dòng)監(jiān)測局限于地表，對地下受爆破振動(dòng)影響的巷道安全性研究還較少。鞍鋼某鐵礦-68～-84 m臺階爆破施工過程中，考慮爆破振動(dòng)對-110.2 m巷道的危害效應(yīng)，對巷道進(jìn)行監(jiān)測并分析爆破振動(dòng)波衰減規(guī)律及爆破振動(dòng)能量的分布特征，有利于巷道安全性的深入評估。

1 工程概況

監(jiān)測礦山是鞍山鋼鐵礦業(yè)主要生產(chǎn)礦石地之一，為生產(chǎn)需求準(zhǔn)備在-68～-84 m臺階進(jìn)行爆破開挖，此臺階初始設(shè)計(jì)三個(gè)爆區(qū)，其中爆區(qū)1布置36個(gè)主爆孔，炸藥類型為銨油炸藥，預(yù)裂孔24個(gè)，配合使用2號巖石乳化炸藥；爆區(qū)2布孔70個(gè)，其中主爆孔46個(gè)，孔距、排距均為4 m，孔深16～17 m，單孔最大裝藥量為150 kg，炸藥類型為銨油炸藥，預(yù)裂孔24個(gè)，孔深18 m，配合使用乳化炸藥；爆區(qū)3布置52個(gè)爆孔，其中主爆孔20個(gè)，孔深16 m,孔距、排距均為4 m，采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)；預(yù)裂炮孔32個(gè)，孔深17 m，配合使用2號巖石乳化炸藥，采用徑向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)及逐孔微差起爆方式。考慮到臺階爆破振動(dòng)對-110.2 m巷道的影響，依照《爆破振動(dòng)安全規(guī)程》(GB 6722—2014)的有關(guān)規(guī)定，對-68～-84 m臺階爆破作業(yè)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，采集振動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)一步對爆破振動(dòng)信號分析，為爆破施工現(xiàn)場提供科學(xué)的理論依據(jù)，同時(shí)有利于對巷道危害效應(yīng)的準(zhǔn)確預(yù)測。

2 臺階爆破振動(dòng)監(jiān)測內(nèi)容

2.1 爆破振動(dòng)峰值速度衰減理論

臺階爆破施工過程中，為描述爆破地震波的時(shí)頻特性及衰減規(guī)律，主要從爆破振動(dòng)速度與頻率角度方面進(jìn)行研究與分析[6-8]。該礦爆破施工在-68 m臺階位置，監(jiān)測對象巷道位于-110.2 m位置，測點(diǎn)與藥包垂直距離24 m，高程小于30 m，且高程影響不作考慮[9-10]。爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)峰值速度公式采用薩道夫斯基公式[11-12]，見下式。

式中：V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度，cm/s；K、a為與地質(zhì)條件有關(guān)的衰減系數(shù)；Q為單段最大藥量，kg。

2.2 監(jiān)測設(shè)備及測點(diǎn)布設(shè)

爆破振動(dòng)監(jiān)測儀器是中國科學(xué)院成都測控公司生產(chǎn)的TC-4850測振儀，其中，與測振儀配套使用的三向傳感器，同時(shí)能監(jiān)測到水平切向X、水平徑向Y和垂直方向Z的速度。在3個(gè)爆區(qū)中，考慮到爆區(qū)3離巷道較近，以爆區(qū)3為主要監(jiān)測對象，該爆區(qū)共布置52個(gè)鉆孔，均采用方形布孔形式，孔深13～17 m，孔距和排距均為4 m，孔徑158 mm，地表延期時(shí)間為25 ms，主爆孔使用銨油炸藥3 078 kg，而預(yù)裂孔使用乳化裝藥720 kg，采用導(dǎo)爆管雷管逐孔起爆。本次監(jiān)測共布置9個(gè)測點(diǎn)，分別編號為1#～9#，其中，1#測點(diǎn)、2#測點(diǎn)、4#測點(diǎn)、7#測點(diǎn)布置在爆區(qū)周圍的構(gòu)筑物上，為了真實(shí)反映巷道的穩(wěn)定性問題，將3#測點(diǎn)、5#測點(diǎn)、6#測點(diǎn)、8#測點(diǎn)、9#測點(diǎn)分別布置在巷道內(nèi)裂隙較為嚴(yán)重的67、65、71、66、69位置，測點(diǎn)布置見圖1。

圖1 測點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of measuring points

2.3 數(shù)據(jù)及處理分析

通過對巷道進(jìn)行爆破振動(dòng)速度實(shí)時(shí)監(jiān)測，共得到9組數(shù)據(jù)，將實(shí)測的三向速度數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選對比，發(fā)現(xiàn)垂直方向相對于水平切向、水平徑向振動(dòng)速度較大，考慮將垂直方向的振速作為研究重點(diǎn)，對9組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究爆破振動(dòng)峰值速度的衰減規(guī)律及能量的分布特征，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

由表1的爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合分析，運(yùn)用Origin軟件對以上測點(diǎn)進(jìn)行擬合，得出爆破振動(dòng)衰減系數(shù)K=141.66、a=1.74，并取相同起爆藥量中任意的一個(gè)測點(diǎn)如1#測點(diǎn)、4#測點(diǎn)、8#測點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)，將相關(guān)參數(shù)帶入理論公式，比較理論值與實(shí)測值的相對誤差，見表2。

表1 爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 1 Monitoring data of blasting vibration

表2 爆破振動(dòng)速度實(shí)測值與理論值對比Table 2 Comparison of measured values and theoretical values of blasting vibration velocity

由表1和表2可知，爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率主要集中在10～50 Hz，巷道內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度集中1～10 cm/s。由表3可知，符合爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)。其中爆破振動(dòng)實(shí)測值小于理論值，相對誤差范圍處于1.3%～3.8%之間，造成該誤差可能原因有：測點(diǎn)數(shù)目過少且由于巷道環(huán)境因素使得傳感器無法安裝在鄰近爆區(qū)的巷道壁上，巖石性質(zhì)的差異和外界條件如設(shè)備、落石的等噪聲的干擾導(dǎo)致測振儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)存在誤差。該理論公式對爆破振動(dòng)峰值速度預(yù)測具有參考價(jià)值，需要在后期逐步修正以提高其準(zhǔn)確性。

表3 爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Standard for safety control of blasting vibration

3 巷道監(jiān)測信號的處理與分析

為了準(zhǔn)確評估巷道在臺階爆破作用下的安全性，僅從質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度的角度研究缺乏說服力，難以將爆破振動(dòng)對巷道的危害效應(yīng)全面反映出來。而振動(dòng)信號體現(xiàn)了爆破振動(dòng)的本質(zhì)特征，通過對爆破振動(dòng)信號的分析來探索能量的分布規(guī)律，進(jìn)而對巷道安全性作出真實(shí)性評價(jià)。

由于在5#測點(diǎn)位置處巷道發(fā)生了小部分片幫情況，且主頻率達(dá)到55 Hz，可能是由于起爆位置位于爆區(qū)西南側(cè)，當(dāng)起爆時(shí)爆破地震波向5#測點(diǎn)方向傳播，導(dǎo)致其能量疊加。為準(zhǔn)確分析爆破振動(dòng)對巷道的影響，對5#測點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)展開研究，分析爆破振動(dòng)信號的能量、頻譜等變化規(guī)律及分布特征，可為爆破設(shè)計(jì)提供參考。5#測點(diǎn)爆破振動(dòng)監(jiān)測信號如圖2所示。

圖2 爆破振動(dòng)信號波形圖Fig.2 Waveform of blasting vibration signal

爆破振動(dòng)信號作為一個(gè)非平穩(wěn)且隨機(jī)的信號，不能按照傳統(tǒng)的方法對信號處理，為了真實(shí)反映信號的本質(zhì)特征，對巷道所監(jiān)測的5#測點(diǎn)爆破振動(dòng)信號進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，獲得12個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分量c1～c12，目的是將復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)化一系列簡單、線性信號來處理，保證信號反映的真實(shí)信息不被損失和遺漏，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果如圖3所示。

圖3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果圖Fig.3 Results of empirical mode decomposition

從圖3中可以得到爆破振動(dòng)信號經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后，信號中本征模態(tài)函數(shù)分量的高低頻率依次被分解出來，其中c1～c6中波長較為接近，相對于后幾個(gè)分量來說頻率較大，可視為爆破振動(dòng)信號的優(yōu)勢頻段。其中c1分量頻率最大，攜帶能量較低，說明在監(jiān)測的過程中外界環(huán)境的干擾噪聲摻雜于信號之中，為了準(zhǔn)確分析爆破振動(dòng)對巷道的危害效應(yīng)，優(yōu)先對信號進(jìn)行消噪處理以還原其本質(zhì)特征。c2分量分解過程中在1.3～1.5 s范圍內(nèi)出現(xiàn)了部分高頻集中情況，表明了分解初期信號的低頻率成分摻入高頻率中，導(dǎo)致了低頻率成分優(yōu)先被分解，而部分信號高頻成分在初始階段沒有完全被分解出來，造成信號處理過程中失真現(xiàn)象的發(fā)生，但從整個(gè)過程來看，爆破振動(dòng)信號在傳播過程中頻率、振幅呈衰減趨勢，符合爆破振動(dòng)波的傳播規(guī)律，部分分量c11的振幅卻有增加的變化，與爆破地震波在傳播時(shí)與周圍的質(zhì)點(diǎn)頻率相近達(dá)到共振現(xiàn)象有緊密關(guān)系。爆破振動(dòng)信號頻譜如圖4所示，從圖4中可以看到爆破振動(dòng)信號頻率大部分處50 Hz以下，爆破振動(dòng)能量集中在0～50 Hz之間，能量在低頻率段分布較為均勻，且對巷道的安全性影響較大，這與巷道發(fā)生小部分落石片幫情況相符合，但同時(shí)對優(yōu)化爆破參數(shù)、改變起爆方式等提供借鑒參考，進(jìn)而降低爆破對巷道的危害效應(yīng)。

對監(jiān)測的振動(dòng)信號做進(jìn)一步計(jì)算，從瞬時(shí)能量譜、三維能量譜、時(shí)頻譜等時(shí)頻特性角度分析鄰近巷道的安全性。從瞬時(shí)能量譜圖中觀察到信號出現(xiàn)了5個(gè)瞬時(shí)能量峰值(圖5)，這是由于爆破過程中多段雷管起爆共同作用導(dǎo)致的，此外，在0.2 s時(shí)刻的瞬時(shí)能量最大，為降低爆破振動(dòng)對巷道的危害，應(yīng)適當(dāng)增大逐孔起爆的延期時(shí)間，降低能量的疊加效應(yīng)，減少能量在0.1～0.2 s時(shí)間段的集中，而在0.6 s時(shí)刻以后爆破振動(dòng)信號的瞬時(shí)能量逐漸趨于0狀態(tài)，反映出爆破地震波的能量在傳播過程中隨著時(shí)間逐漸衰減的特征。

圖4 頻譜曲線圖Fig.4 Frequency spectrum diagram

圖5 瞬時(shí)能量譜Fig.5 Instantaneous energy spectrum

為了表明爆破振動(dòng)能量在時(shí)間、頻率的變化特征，建立能量與時(shí)間、頻率之間的關(guān)系。三維能量譜如圖6所示。從三維能量譜中分析得到，爆破振動(dòng)能量在高頻帶分布較少，且主要集中在0～50 Hz范圍內(nèi)，其中，在0～0.5 s、0～50 Hz爆破振動(dòng)能量較為集中，且在0.2 s時(shí)刻的爆破振動(dòng)能量最大，與瞬時(shí)能量譜、頻譜的分析結(jié)果相吻合，考慮巷道的安全性，在0～0.2 s時(shí)間段內(nèi)不能進(jìn)行多段雷管起爆，以達(dá)到減少能量在低頻段的集中分布的目的。

圖6 三維能量譜Fig.6 Three-dimensional energy spectrum

4 結(jié) 論

對某鐵礦-68 m臺階進(jìn)行多次爆破開挖試驗(yàn)，考慮到爆破振動(dòng)對鄰近巷道的危害效應(yīng)，在巷道內(nèi)共布置9個(gè)測點(diǎn)并進(jìn)行監(jiān)測，對爆破振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)處理以及爆破振動(dòng)信號的分析得出以下結(jié)論。

1) 巷道內(nèi)測點(diǎn)的振動(dòng)峰值速度集中于1～10 cm/s，主頻率集中分布在10～50 Hz之間，符合爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)。

2) 結(jié)合爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)并利用回歸分析得到爆破振動(dòng)衰減系數(shù)K=141.66，α=1.74，并對實(shí)測振速與理論振速對比，其相對誤差分布在1.3%～3.8%之間，為巷道安全性評價(jià)提供理論依據(jù)。

3) 對巷道監(jiān)測的爆破振動(dòng)信號進(jìn)行處理，得到了瞬時(shí)能量隨著時(shí)間變化的規(guī)律，其中爆破振動(dòng)瞬時(shí)能量出現(xiàn)5個(gè)峰值且在0.2 s時(shí)刻達(dá)到最大，為減小爆破振動(dòng)對鄰近巷道的危害，應(yīng)增大逐孔起爆延期時(shí)間，降低在0～0.2 s時(shí)間段內(nèi)爆破振動(dòng)能量的疊加效應(yīng)。

4) 由三維能量譜得出，爆破振動(dòng)能量在高頻帶分布較少，其中在0～0.5 s、0～50 Hz爆破振動(dòng)能量較為集中，且在0.2 s時(shí)刻的爆破振動(dòng)能量最大，與瞬時(shí)能量譜、頻譜的分析結(jié)果一致。