某鐵礦地下爆破作業(yè)對地表建筑物的影響研究

王小良 苗向彪 熊賢亮 高銀龍

（1.安徽金日晟礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室）

地下金屬礦山多采用爆破方式開采，且常常通過增大爆破量或爆破頻率的方式來提高產(chǎn)能［1］。然而，對于深度大、距離遠(yuǎn)的爆破作業(yè)，爆破振動所引發(fā)的危害往往很容易被忽略，有可能導(dǎo)致附近地表建（構(gòu)）筑物的損壞，造成安全事故和經(jīng)濟(jì)損失，在社會中引起負(fù)面影響，進(jìn)而也嚴(yán)重地影響礦區(qū)的正常生產(chǎn)生活秩序。

炸藥爆炸引起爆破遠(yuǎn)區(qū)的巖土介質(zhì)質(zhì)點振動，這種引起巖土介質(zhì)質(zhì)點振動的彈性波叫做地震波。爆破地震波的能量只占炸藥爆炸釋放能量的2%～6%。但是在爆區(qū)的一定范圍內(nèi)，能夠引起地表建筑物的損壞，從而產(chǎn)生安全隱患［2，3］，這種爆破地震波引起的破壞現(xiàn)象及后果稱為爆破地震效應(yīng)。為解決爆破地震效應(yīng)問題，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，主要從2 個方面入手：一方面是加強對各種爆破條件下爆破地震波的特性分析以及對建（構(gòu)）筑物危害的現(xiàn)象、破壞特征的宏觀調(diào)查；另一方面是加強對與爆破危害相對應(yīng)的爆破地震波特性參數(shù)進(jìn)行測試。爆破振動測試是研究爆破地震效應(yīng)的基本手段和方法。

1 工程背景

某鐵礦開采移動范圍內(nèi)主要分布著村莊、公路以及大片農(nóng)田等，附近村莊的地表建筑物主要為民房。礦區(qū)地表較為平坦，地表平均標(biāo)高40 m，礦山目前開采中段為-230、-290和-470 m中段，開采采場與地表垂直距離為270～510 m。采礦方法主要為中深孔分段鑿巖階段出礦嗣后充填采礦法，采用中深孔鑿巖，礦塊垂直礦體走向布置，一步采和二步采礦塊尺寸相同，分段高30 m，中段高60 m，礦塊長40～60 m，礦塊寬度為礦體厚度。

井下爆破振動在地表有明顯的感覺，地表住戶反應(yīng)強烈。為此，礦方?jīng)Q定開展深入研究，通過爆破振動測試獲取現(xiàn)場振動信息，對監(jiān)測區(qū)域的影響程度作出評估；然后再探尋地震波在礦巖介質(zhì)中的傳播規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測單段最大藥量，使爆破振動對建（構(gòu)）筑物的影響控制在安全范圍內(nèi)［4-5］。

2 爆破振動對地表構(gòu)建筑物安全影響分析

2.1 爆破振動監(jiān)測

衡量爆破地震強度的物理量有質(zhì)點振動速度、振動加速度、振動位移、譜烈度和能量比等，判定爆破地震強度是否對建（構(gòu)）筑物等造成破壞就要確定這些物理量的臨界值，超過這個臨界值，建（構(gòu)）筑物等就要遭受破壞。目前廣泛應(yīng)用質(zhì)點振動速度作為評判建（構(gòu)）筑物是否安全的方法。

《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）中詳細(xì)規(guī)定了各類別建（構(gòu)）筑物振動質(zhì)點的安全允許振速標(biāo)準(zhǔn)，見表1。本礦區(qū)周邊村莊建筑物主要為1～2層的磚混結(jié)構(gòu)民居，少量的土坯房、毛石房屋，如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場建筑物類型，以保護(hù)對象類別為土窯洞、土坯房、毛石房屋的安全允許振速作為本次爆破振動評判標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)前期對礦山采場爆破與受爆破振動影響區(qū)域民居的調(diào)研情況，在地表房屋地基上布置了5臺爆破振動測試儀器，每臺測試儀器分別監(jiān)測垂直方向、水平徑向和水平切向3 個方向上的振速。按爆破方案共進(jìn)行了8次爆破測振工作，每次根據(jù)單段最大藥量收集振動數(shù)據(jù)。

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監(jiān)測點布置原則：一要布置在爆破振動影響最直接的需保護(hù)對象（民居）的附近，二要考慮便于測試數(shù)據(jù)回歸形成合理的趨勢（衰減）規(guī)律，監(jiān)測點布置如圖1所示。

爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)由振動傳感器、爆破測振儀和計算機等組成，本次采用的是TP3V-4.5/10 型三向速度型振動傳感器和UBOX8016 型爆破振動智能監(jiān)測儀。爆破振動數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，通過測試系統(tǒng)專用軟件分析獲取32 組有效數(shù)據(jù)，每組所測不同方向振速和對應(yīng)振頻匯總結(jié)果見表2。

通過對表2測試數(shù)據(jù)整理后可以得出，所測爆破振動頻率f在10 Hz 范圍內(nèi)，且最大振動速度為0.35 m/s，小于保護(hù)對象類別為土窯洞、土坯房、毛石房屋的安全允許振速標(biāo)準(zhǔn)值0.45 m/s。因此，可判定礦山井下爆破振動對地表民房的影響在安全范圍內(nèi)。

3 基于薩道夫斯基公式參數(shù)的擬合分析

對于特定的地震波傳播條件而言，質(zhì)點振動速度主要受爆破藥量和測點與爆源距離的影響。質(zhì)點峰值振動速度v（cm/s）與裝藥量Q（kg）、距離R（m）、場地系數(shù)K和衰減指數(shù)α的數(shù)學(xué)關(guān)系用薩道夫斯基公式表示為

將公式等號兩邊取對數(shù)得到v和ρ的線性形式lgv=αlgρ+ lgK。建立以y軸為lgv、x軸為lgρ的平面直角坐標(biāo)系，將測得數(shù)據(jù)v和對應(yīng)的ρ匯入直角坐標(biāo)系。利用最小二乘法原理，對表2每組中的爆破振動最大速度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，擬合得到回歸曲線方程y=1.7x+2.6，其中擬合直線方程的截距為lgK，斜率為α，即lgK=2.6，α=1.7，計算得出場地系數(shù)K=398，衰減指數(shù)α=1.7。因此，得出礦區(qū)爆破質(zhì)點振動速度峰值預(yù)測公式為v=398×（Q1/3/R）1.7。

因為所測爆破振動頻率在10 Hz 以內(nèi)，故設(shè)定相應(yīng)安全允許速度為0.45 cm/s，將其代入爆破振動衰減擬合公式，得出在不同爆心距下所允許的單段最大藥量。

針對礦區(qū)附近居民房屋的結(jié)構(gòu)特性，對照《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合業(yè)內(nèi)相關(guān)專家意見及工程實踐，在f＜10 Hz，v=0.45 cm/s，安全系數(shù)按1.8 考慮，計算安全藥量參考值，見表3，爆破時允許的單段最大藥量隨爆心距變化曲線見圖3。

《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）指定的爆破振動衰減規(guī)律預(yù)測公式（薩道夫斯基公式）為經(jīng)驗公式，有一定的適用范圍。一般情況下，比例藥量ρ=/R值應(yīng)為0.01～0.2，超出此范圍的預(yù)測值則失去參考價值，屬無效預(yù)測。表3 中ρ=/R值為0.015～0.018，屬有效預(yù)測。

因此，礦山在開采爆破時，通過計算不同爆破位置與村莊的距離后，可以參考表3中的數(shù)據(jù)作為爆破設(shè)計的依據(jù)。同時，由于開采范圍距離地表的垂直距離為270～510 m，當(dāng)爆破藥量較大時，應(yīng)綜合考慮爆源到上方地表的距離，對上方地表加強安全觀測。

4 結(jié) 論

（1）本次爆破測試數(shù)據(jù)振動頻率在10 Hz 范圍內(nèi)，最大振速為0.35 m/s，小于安全允許振速標(biāo)準(zhǔn)值0.45 m/s，因此爆破振動對村莊民房的影響在相關(guān)規(guī)范允許范圍內(nèi)，不會對礦區(qū)村莊建筑物造成損害。

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（2）通過對測試數(shù)據(jù)的回歸擬合，得出礦區(qū)薩道夫斯基公式為v=398×（Q1/3/R）1.7。礦山在進(jìn)行爆破設(shè)計時，可參考公式計算結(jié)果，控制單段最大藥量。

（3）本次爆破振動研究對于指導(dǎo)該礦山井下爆破振動的安全距離和控制爆破單段最大裝藥量具有重要意義，同時也為情況相似的礦山提供借鑒。