露天礦山爆破振動影響因素及控制措施的研究

莫 豹

（保利新聯爆破工程集團有限公司，貴州 貴陽 550002）

隨著社會的不斷發展以及人民生活水平的日益提高，我國對礦產資源的需求也在日益增加。爆破作業是露天礦山開采的重要組成部分，然而爆破振動不僅會對周邊構建筑物、設施設備產生破壞，還會導致礦坑的邊坡失穩、滑坡等災害發生[1]。只有嚴格控制爆破振動帶來的負面影響，才能減少露天礦山爆破施工中安全事故的發生，切實保障人民的生命和財產安全。

1 爆破地震波的產生

露天礦山爆破振動效應主要是指炸藥爆炸所產生的能量絕大部分用于藥包周邊巖石的壓碎和破壞，所剩的爆炸能量不會再對巖石產生更大的破壞，但是它會使得巖石質點發生彈性振動，這種彈性振動會以地震波的形式不斷向外擴散，從而對周邊環境造成不同程度的影響或破壞。地震波由若干種波組成，根據波傳播的途徑不同，波可以分為體積波和表面波兩類。體積波會使介質產生拉伸和壓縮變形，因此藥包周圍巖石產生爆破破壞主要是體波造成的；而表面波的主要特點為振幅較大、頻率較低、衰減較慢、振動的時間較為持久、攜帶的能量較大，表面波是爆破地震形成的主要影響因素。

2 爆破地震影響因素分析

露天礦山爆破振動可控影響因素主要是指爆破中炮孔直徑、炸藥單耗、孔網參數、裝藥結構、起爆方式以及間隔時間等，根據現場施工情況，針對這些因素進行合理控制，從而有效降低露天礦山爆破振動所帶來的影響[2]。露天礦山爆破振動不可控影響因素主要是指爆破過程中的一些無法預測的意外狀況，主要包括爆破現場的地質環境以及地形變化。施工現場地質環境的巖石空隙、紋理構造以及風化程度都會對爆破后的巖石破碎產生不同程度的影響，同時爆破現場地形的高低起伏也會對露天礦山爆破施工中的振動波主頻、幅值以及頻率范圍等造成較大的變化。

2.1 炸藥類型的影響

炸藥屬性與介質中沖擊波的衰減之間存在著十分緊密的聯系，當炸藥所產生的沖擊波壓力大于巖石抗壓強度的10倍以上時，其爆破地震波在傳播過程中會出現大量的損耗，從而使得沖擊波的衰減更加迅速。試驗表明：當炸藥波阻抗值與巖體的波阻抗值接近時，炸藥的爆炸能量有效利用率越大，即可引起更大的爆破振動。故當爆破工程對爆破振動有要求時，應選擇與巖體的波阻抗相差大的炸藥[3]。

2.2 炮孔直徑的影響

爆破時炮孔的孔徑對爆破振動強度會產生一定的影響，即使它們具有相同的爆破藥量，其爆破振動也會隨著場地系數和衰減指數的不同而發生變化。根據相關數據表明，炮孔直徑和測點的爆心距是決定爆破振動強度的關鍵因素。與大孔徑爆破相比，采用小孔徑爆破時質點振動時的衰減速度更快，且炮孔直徑越大時，爆破振動的強度也會更大，這種振動強度的增長速率與比例藥量也有著很大的關系，它會隨著比例藥量的減少而呈現出爆破強度增大的趨勢[4]。

2.3 爆破段數的影響

爆破段數對爆破地震波的延時長度和微差時間有著很大的影響，工作人員如果可以選擇合理的微差間隔時間，那么不同時間起爆所產生的地震波就會在空間上和時間上存在先后順序，也就是地震波的主振會相互錯開，這是控制地震效應幅值的重要方式，實踐表明微差爆破比普通爆破可降低振速30%～50%。除此之外，爆破振動還與爆破場地的地質環境具息息相關，其地質狀態越堅硬，爆破振動的幅值就會更低。主頻就會更高，而振動持續時間也更為短暫。

2.4 最小抵抗線的影響

根據相關實驗顯示，當最小抵抗線越小時，炸藥爆炸能的釋放時間就會越短，爆破地震波所產生的能量也會更少，爆破地震波的強度也會更弱。根據應力波的傳播理論，當最小抵抗線較小時，炸藥爆炸所產生的能量首先會在抵抗線小的一側形成破碎帶，進而轉化為空氣沖擊波，這也是爆破地震波強度減弱的重要原因之一。

2.5 起爆方式的影響

起爆方式對爆破振動強度的影響較大，當其他爆破條件相同時，不同起爆方式所產生的爆破振動強度之間會存在很大的差異。其根本原因在于不同的起爆方向可以充分利用自由面的減振作用，從而使得抵抗線減小且炮孔臨近系數增大，巖石在破碎和拋擲的過程中會損耗大量向自由面傳播的能量，從而使得爆破振動強度出現一定程度的下降。根據相關數據顯示，齊發爆破的振動頻率相對較小，而微差爆破的振動頻率則相對較高。當起爆網絡被改變時，爆破振動的頻率特性也會隨之發生變化。在相同地質條件下，V型起爆與地表延期分區起爆二者相比，地表延期分區起爆的主頻明顯升高，且出現多個峰值，這在很大程度上表面地表延期分區起爆的振動能量更為分散[5]。

2.6 阻尼的影響

露天礦山爆破過程中的介質系統主要包括巖體性質的改變，內含裂隙、節理的狀況等，該介質系統與爆破地震波傳播過程中的衰減規律存在著較大的聯系。在自由振動過程中，如果振動的振幅可以保持不變，那么振動就會無休止的繼續下去。但在露天礦山的實際爆破過程中，這種現象是不會發生的，其根本原因在于爆破地震波在傳播過程中會出現阻力，這種阻力被稱之為阻尼，阻尼會使得爆破地震波的振幅在傳播過程中逐漸減小直至為0。在露天礦山開采過程，爆破振動在介質內部中進行傳播時，會產生不同程度的內部摩擦，這種內部摩擦會消耗振動所需的能量；加之振動會在傳播過程中也會出現能量損耗，因而爆破震動中振幅會越來越小。

3 爆破振動控制措施分析

爆破振動危害控制的方法大致可以分為三種：首先針對爆源所采取控制措施從根源上施減小振動；其次對保護對象自身采取減振措施和加固措施；最后切斷爆破地震波的傳播路徑。通過利用合理的微差時間進行干擾降振、嚴格控制最大藥量（延期爆破時為同時起爆的最大藥量）、改變爆破參數等有效措施來減小爆破振動效應，實現降低爆破振動的目的是較為常見且比較有效的控制手段。

3.1 采用微差爆破

微差爆破又被稱為毫秒爆破，它主要根據起爆時間的不同，將待起爆的炸藥分成幾個部分。這種起爆方式往往以毫秒級的時間作為差別，使待起爆炸藥按照先后順序依次爆炸，它可以有效增加自由面的個數，從而加大爆破振動傳播過程中的能量損耗，并且其應力波的疊加也會切實減小爆破振動。當其余爆破參數選擇合理時，其爆破效果也會得到進一步的改善。

3.2 控制單段爆破的最大裝藥量

由于爆破振動強度的影響因素比較多，想找到非常具體的數學函數表達式來得出爆破震動強度難度非常大，目前國內使用最廣的爆破振動強度的經驗公式為薩道夫斯基經驗公式：

式中：V—峰值質點振動速度，cm/s；

Q—裝藥量（延期爆破時為單段最大裝藥量，齊發爆破時則為總藥量），kg；

R—測點距爆源的距離，m；

K，a—與爆破條件、介質有關的系數。

確定被保護建筑物的允許臨界振動速度[v]后，根據薩道夫斯基經驗公式可得到一次爆破的最大用藥量，即：

如若一次爆破設計藥量大于該計算值但又無其他降振方法時，就只能采用分段爆破，減少單段爆破的炸藥量。

3.3 采用預裂爆破形成隔離帶

當需要保護的對象距爆源很近時，在爆源周邊介質中可以設置一條預裂隔振帶，或者也可以鉆鑿出不裝藥的單排或雙排防振孔，也可以起到減振作用。如若介質為土層，可直接開挖減振溝，減振溝的寬度主要是以施工方便為原則，并需要盡量深一些，最好能夠超過藥包位置。預裂炮孔可以是單排，也可是雙排，這樣便可以降低爆破地震效應，但需要考慮預裂爆破時所產生的地震效應。用作減振的溝、縫與孔，需采取保護措施，防止充水，否則會降低降振效果。

3.4 在爆破設計中可采取的技術措施

由于沿著最小抵抗線方向上的爆破振動強度最小，側向居中，反向最大，同時最小抵抗線方向又是主拋方向，考慮到振動和飛石危害，通常將被保護對象置于最小抵抗線位置的兩側。

增加布置藥量時的臨空面和分散性，能夠有效地減小振動速度公式中的K和值，從而有效控制爆破振動強度。

實踐證明，如若選取低密度、低爆速的炸藥，或減小裝藥直徑，采用空腔條形和不耦合的藥包，能夠降低爆壓峰值并且延長作用于介質的時間。當其它條件相同時，爆破振動的峰值便可得到有效控制[6]。

3.5 進行爆破振動監測

爆破作業過程中，需要進行爆破振動監測，以了解建筑物、設施設備和邊坡坡面在爆破振動的作用下的動力響應，為安全分析提供較為準確的依據，有助于及時采取技術措施，確保被保護對象的安全。

4 結語

爆破作業是露天礦山開采順利實施的前提條件，它將施工現場的整體礦巖進行松動和分離，為后續礦山開采的順利進行奠定夯實的基礎。但爆破振動也會對周圍環境造成一定程度的影響或破壞，因此爆破作業時要結合施工現場的實際情況，選擇合理的炸藥類型，設置合理的孔網參數、單段最大藥量、起爆方式、間隔時間和裝藥結構等，采取開挖減振溝和對重點部位進行加固保護措施，從而切實減少爆破振動給周圍環境帶來的不利影響，同時也為露天礦山開采效率的提升提供良好的保障。