黑岱溝露天煤礦拋擲爆破振動規律研究

唐曉騫

（神華準格爾能源有限責任公司 黑岱溝露天煤礦，內蒙古 準格爾 010300）

對露天礦山大型拋擲爆破來說，危害最大的是爆破引起的地震。爆破地震的主要危害在以下幾個方面：影響到邊坡的穩定性、對周圍附近的建筑物的安全性產生影響。在工程實際應用之中，人們經常運用經驗公式進行相關爆破地震大小的計算，不過爆破地震波的影響因素很多，如：巖層地質結構、爆破地震波傳播介質、爆破方案等。爆破振動強度的預測有2 個主要的目的：一是對爆破振動效應的研究，二是對爆破振動災害的控制。對于爆破振動規律的研究問題，各國學者已經取得了顯著的成果，在理論分析與經驗公式等角度展開了大量的研究，得到了一系列的振動強度衰減規律經驗公式[1-5]。

為了提高對衰減規律研究的精準度，能夠更好的指導實際工程項目，在礦山工程中根據控制爆破地震的需要，很多學者進行了深入的研究。周傳波[6]通過測定數據的回歸分析，得出了能描述該礦深孔爆破地震波衰減規律的表達式，為該礦預測生產爆破地震強度和采取降震、減震措施提供了理論依據；費志超[7]根據工程實踐和實測得到的速度峰值，分析了相同地質條件下不同爆破震動峰值速度衰減公式的關聯，證明了在同一地區，應用不同的衰減公式指導爆破設計和施工時，會有不同的結論；殷延軍[8]通過爆破震動測試，研究爆破質點峰值震速與主震頻率的關系，找出適合露天礦爆破安全允許的爆破藥量和安全距離，并指導生產爆破設計；鄭炳旭[9]對監測數據進行了統計回歸分析，歸納出爆破地震頻率的總體規律。

1 工程概況

黑岱溝露天煤礦使用拋擲爆破技術在國內數首家，自2007 年3 月，露天煤礦成功進行了國內首次拋擲爆破，至今已成功實施了180 多次拋擲爆破，爆破的規模達到每次爆破量170 萬m3，消耗炸藥為1 300 t，相關技術經驗在國內首屈一指，填補了國內拋擲爆破技術空白。拋擲炮區周圍的南側為空曠場地；北側為3#、4#破碎站橋涵；東側為空曠待開采區，西側為煤炭開采區，有各種生產設備、設施。爆破周圍環境相對空曠；該區域為丘陵山區的地質地貌，表層為10～40 m 的風化土所覆蓋，風化土以下是水平產狀厚層砂巖。

2 爆破振動測試系統

考慮到地震波的主振頻率在200 以內，并且要滿足GB 6722—2014 國家安全規程的要求，因此黑岱溝露天煤礦采用的是中科測控研發的便攜式智能爆破測振儀TC-4850，其相應頻率為5～500 Hz，可以在現場直接設置觸發電平、記錄精度、采集持時等采集參數，并且可以通過儀器自帶的液晶顯示屏實時顯示出振動波形、峰值振速、振動頻率等參數。因此可以滿足黑岱溝露天煤礦的現場測試要求。TC-4850 爆破測振儀工作原理如圖1。

圖1 爆破振動測試系統工作原理

3 爆破設計參數

主要針對2018 年南區第5 次和第6 次拋擲爆破，孔深46～51 m，采用連續裝藥結構，主要采用現場混裝銨油炸藥。孔距為12 m，排間距為6～7 m，因為每一次爆破的總爆量都不同，所以每一次爆破孔數并不是都相同，而是根據需要進行設計，爆破設計參數見表1，采用逐孔起爆技術，孔間延期時間為9 ms，排間延期時間由前排往后依次為330、330、280、280、220、220、220、220、220、180、180 ms。

表1 爆破設計參數

4 黑岱溝露天礦振動規律

4.1 現場測試方案和振動監測數據

為記錄爆破振動的全部歷程，達到監測目的，按照測點布置原則，根據爆破的特點及爆區實際地質地形條件確定爆破地震測試方案如下：

1）在爆區北側布置1 號側線，并且保證測點在同一臺階上，測點編號為1#、2#、3#、4#。

2）為了分析在有預裂縫的前提下，爆區的震動對正后方的震動傳播規律，在爆區正后方布置2 號測線，測點編號為5#、6#、7#、8#。

3）為了監測爆區南側爆破地震波傳播規律布置3 號測線，從而為處在爆區南側的邊坡穩定性作出判斷，測點編號為9#、10#、11#、12#。

通過專業的數據軟件處理，可以將時間振動數據以曲線的形式展示，拋擲爆破振速監測數據見表2。

4.2 爆破振動規律

經過對表2 中振動數據的整理匯總和處理，按薩達夫斯基速度公式，擬合計算出3 條測線上各個方向上的振速隨比例距離的回歸曲線及衰減公式。

1 號測線、2 號測線、3 號測線方向振動速度衰減擬合回歸曲線對比圖如圖2～圖4。

1 號測線水平徑向振動速度Vx傳播規律為：

1 號測線水平切向振動速度Vy傳播規律為：

1 號測線垂向振動速度Vz傳播規律為：

2 號測線水平徑向振動速度Vx傳播規律為：

表2 拋擲爆破振速監測數據

圖2 1 號測線3 方向振動速度衰減擬合回歸曲線對比圖

2 號測線水平切向振動速度Vy傳播規律為：

2 號測線垂向振動速度Vz傳播規律為：

圖3 2 號測線3 方向振動速度衰減擬合回歸曲線對比圖

3 號測線水平徑向振動速度Vx傳播規律為：

3 號測線水平切向振動速度Vy傳播規律為：

3 號測線垂向振動速度Vz傳播規律為：

圖4 3 號測線3 方向振動速度衰減擬合回歸曲線對比圖

上述3 個測線所回歸的規律，相關系數r 均在90%以上。

為對比分析不同爆破場地條件及地震波在不同方向上的傳播規律，列出3 條測線薩道夫斯基公式中的K，α 值，3 個方向測線3 分量振速衰減回歸K值見表3，3 個方向測線3 分量振速衰減回歸α 值見表4。

表3 3 個方向測線3 分量振速衰減回歸K 值

表4 3 個方向測線3 分量振速衰減回歸α 值

對于同1 條測線的3 方向振速而言，垂直方向的K 值明顯高于水平徑向與水平切向的K 值，這表明3 分量振速中垂直方向上的振速最大。

對于3 個不同的測線方向而言，2 號測線所擬合參數值的絕對值明顯低于1 號測線和3 號測線所擬合得到α 值的絕對值，這表明爆源后側的振速的衰減速度要大于爆源兩側的地震波的衰減速度，說明爆破振動波穿過預裂爆破帶振動強度減小明顯，預裂爆破帶起到了重要的減震作用。

4.3 爆破振動主頻分析

根據表2 爆破振動主振頻率的規律可知，水平徑向爆破振動峰值振速比較大，主振頻率相對較小，因此本節有必要對3 條測線上測點的水平徑向爆破振動信號進行分析。

根據地震波在黏彈性介質中的傳播理論，孟海利[10]通過量綱理論推導得到爆破振動主頻率可以表示為：

式中：f 為主振頻率，Hz；Q 為總裝藥量，kg；R 為爆心距，m；a1、a2為待定常數。

為了能夠采用最小二乘法對公式進行線性回歸，令：

利用式（1）對3 條測線所測振動主頻進行非線性回歸分析，鑒于振動3 方向所獲取的主頻衰減規律相類似，僅從水平徑向方面研究主頻衰減規律。

1 號測線水平徑向的主振頻率衰減規律為：

同樣獲得2 號、3 號測線水平徑向的主振頻率衰減規律為：

經過分析得出當測點距離爆源比較近的時候，3個方向的主振頻率差距比較大，其中z 向頻率最大，x 向頻率和y 向頻率數值比較接近；隨著測點與爆源距離變大，3 個方向的主振頻率趨于相同。

對于同一條測線上的數據，隨著測點距離爆源的距離增大，各個方向的主振頻率有減小的趨勢。

振動主頻分析：黑岱溝露天煤礦爆破振動的主頻在3～30 Hz，在振動主頻的衰減趨勢上，隨著爆心距的增大，主震頻率有衰減的趨勢。

由3 條測線振動主頻與藥量、距離的關系得出隨著單段藥量增加，拋擲爆破振動的主振頻率有往低頻發展的趨勢，由于爆區附近建筑物主頻較低，因此在爆區距離建筑較近時應采取措施，避免爆破主頻與建筑物主頻相近，如可采取減少單段起爆藥量等方式。

5 結語

1）黑岱溝露天煤礦爆破時，質點3 方向的峰值振速有如下規律：水平徑向X 方向的振速比水平切向Y 方向與垂直方向Z 方向的振速大。且3 方向峰值振速和爆心距成反比，和單段最大藥量成正比。

2）根據薩道夫公式對爆破振動數據擬合回歸，得到3 條測線爆破振動速度預測公式。

3）黑岱溝露天煤礦南區爆破振動主頻在3～30 Hz，在振動主頻的衰減趨勢上，隨著爆心距的增大，主震頻率有衰減的趨勢，并得到爆破振動水平方向主振頻率預測公式。