爆破地震波傳播規律試驗研究*

安勝杰，易吉祥，池恩安，于海闊，歐陽天云,4

(1.保利久聯控股集團有限責任公司，貴陽 550002；2.安順新聯爆破工程有限公司，安順 561000；3.保利新聯爆破工程集團有限公司，貴陽 550002；4.保利民爆哈密有限公司，哈密 839200)

1 工程概況

新疆別斯庫都克露天煤礦(以下簡稱“別礦”)年產煤2×106t、年石方剝離量1.8×106m3，平均每天爆破巖石5×104m3、消耗炸藥20 t。其開采形式采用工作幫梯級放坡，開采現狀見圖1。非工作幫位于西幫和南幫，經過長年的風化，有小型崩塌的風險，為解決底部平臺爆破產生的振動對非工作幫的動力穩定性影響問題，需對底部平臺爆破產生的地震波的動力響應規律進行試驗研究，進而在爆破振動預測的基礎上對底部平臺的爆破參數進行調整，降低爆破振動危害。

圖 1 露天煤礦開采現場示意圖Fig. 1 Diagram of mining site of open pit coal mine

2 爆破振動試驗研究

2.1 爆破振動試驗方案

本次爆破振動試驗主要是研究爆破地震波在邊坡巖體中的傳播衰減規律[1,2]，進而分析別礦露天邊坡爆破動力響應特征規律，并通過大量振動測試數據回歸薩道夫斯基方程中的參數K、α。根據對礦山地質調查，本次試驗的臺階邊坡巖性主要為砂巖，質地較硬，屬于中硬巖，臺階邊坡保存完好，有利于試驗進行，現場臺階邊坡狀況見圖2。

試驗方案如下:

(1)現場振動監測點的布置

根據礦山實際生產情況和測點布置目的，選取巖體構造比較單一且地質條件相對較差的剖面進行爆破振動監測試驗，在爆破區域的上部平臺由近到遠依次布置4個振動測試點:A、B、C、D，見圖3。

圖 2 臺階邊坡現狀圖Fig. 2 Present situation map of step slope

圖 3 測點布置示意圖(單位:m)Fig. 3 Schematic diagram of measuring point layout(unit:m)

(2)現場傳感器安裝

在邊坡巖體上找到合適的基巖，并將傳感器用石膏固定在清理后的基巖上[3]。傳感器X軸方向指向爆源，Y軸方向與爆源方向垂直，Z軸方向豎直向上。現場儀器布置，見圖4所示。

圖 4 現場儀器布置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of field instrument layout

別斯庫都克露天煤礦爆破采用電子雷管微差起爆網路，孔排間采用毫秒微差延時網路來控制最大單響藥量，采用三角形布孔方式[4]。爆破孔網參數見表1。

表1 爆破孔網參數表Table 1 Blasting hole network parameter table

2.2 爆破振動試驗結果及分析

本次爆破振動試驗共進行了7次，每次測得4組振動數據，其中除去2次異樣數據后，還剩5次有效數據，包括有效測點數據共20組，60個爆破振動信號。爆破工藝參數見表2，爆破振動實測數據見表3。

表2 爆破工藝參數表Table 2 Blasting process parameter table

表3 爆破振動試驗實測數據Table 3 Measured data of blasting vibration test

通過對表3中爆破振動實測數據進行分析，得出別礦臺階邊坡爆破振動的響應特征[5]:

(1)整體數據顯示，隨著爆破振動在邊坡上傳播時間和距離的增加，三個方向上的振動峰值速度不斷衰減，監測點距爆源的距離對爆破振動峰值速度的影響要遠大于高程[6]。

(2)水平徑向質點振動的峰值速度最大，水平切向次之，垂直向最小[7]。水平徑向質點振動峰值范圍為0.75～5.66 cm/s、水平切向為1.12～5.11 cm/s、垂直方向為0.72～3.82 cm/s，爆破振動合速度為2.053～8.392 cm/s。

3 爆破振動公式回歸擬合

利用薩道夫斯基經驗公式研究測點振速與爆心距和最大單響藥量之間的關系[8-11]，利用MATLAB軟件線性回歸分析得到與傳播地質條件和爆破方式有關的衰減系數K、α值，進而得到別礦爆破地震波的傳播規律公式[8]。對薩道夫斯基公式兩邊取對數進行變形可得

(1)

則有線性回歸方程

y=ax+b

(2)

利用MATLAB軟件對采集到的振動數據進行擬合處理，得到符合現場實際工程影響爆破振動的相關參數K、α，三個方向速度及合速度擬合結果分別見式(3)、(4)、(5)、(6)。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，X方向和合速度方向擬合曲線結果見圖5、圖6。

圖 5 水平徑向速度線性擬合曲線圖Fig. 5 Linear fitting curve of horizontal radial velocity

圖 6 合速度線性擬合曲線圖Fig. 6 Linear fitting curve of combined velocity

相關性系數R是評價線性關系的密切程度，即衡量回歸分析值與真實值的相似度，R的值大于0.8且與1越接近，線性相關程度越高。三個方向速度及合速度擬合結果相關性系數均大于0.8，說明該測振結果具有一定的參考價值。

4 振動預測軟件研發

當監測點距離爆源較遠時，將整個爆區看作一個參考點O，該點的坐標O(x0,y,z0)計算公式見式(7)

(7)

式中:Xmin、Ymin、Zmin為所有炮孔X、Y、Z坐標中最小值；Xmax、Ymax、Zmax為所有炮孔X、Y、Z坐標中最大值。

監測點至爆源中心距離R的計算公式見式(8)

(8)

式中，x、y、z分別為監測點的GPS坐標。

當給定場地系數K，衰減系數α，最大單響藥量和監測點的坐標后，便可根據薩道夫斯基經驗公式預測該點的質點振動速度峰值，經過公式的相關變換，可實現校核最大單段起爆藥量、校核振動安全距離。如圖7所示。

圖 7 爆破振動預測的軟件界面Fig. 7 Software interface for blasting vibration prediction

5 結論

(1)別礦的爆破振動監測結果顯示，隨著爆心距的增大，邊坡質點振動速度不斷衰減，三個方向中水平徑向峰值振速最大，水平切向次之，垂直方向最小，爆心距對爆破振動速度的影響要遠大于高程。

(2)利用MATLAB軟件結合薩道夫斯基經驗公式對其進行線性擬合回歸計算，獲取了與傳播地質條件和爆破方式有關的系數K、α值，其中水平徑向K=276.99、α=1.074，水平切向K=94.07、α=1.355，垂直方向K=104.48、α=1.504，合速度方向K=227.47、α=1.48。

(3)結合試驗的結果，編制爆破振動預測軟件，實現了對測點位置振動峰值的預測、校核最大單段起爆藥量、校核爆破振動的安全距離。