近城鎮(zhèn)礦山爆破振動(dòng)與環(huán)境振動(dòng)相關(guān)性研究

張書榮 陳能革 唐阿敏 楊 劍

（1.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)桃沖礦業(yè)有限公司；2.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)有限公司）

礦山爆破危害一直是制約礦山高效生產(chǎn)的不利因素，其中尤以爆破振動(dòng)危害最大。然而以往的研究重點(diǎn)主要集中在爆破振動(dòng)對(duì)建（構(gòu)）筑物安全性影響及控制方面［1-3］，忽略了爆破振動(dòng)的環(huán)境效應(yīng)，即以人在振動(dòng)環(huán)境下的感受和心理承受能力為出發(fā)點(diǎn)，判斷振動(dòng)對(duì)環(huán)境的危害程度。隨著人們的環(huán)保意識(shí)和維權(quán)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，以環(huán)境振動(dòng)危害為訴求的案例逐漸增多，成為制約礦山生產(chǎn)的新因素。1990年，國(guó)家環(huán)境保護(hù)局頒布了《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—88）［4］，該標(biāo)準(zhǔn)明確了城市區(qū)域范圍內(nèi)各種環(huán)境振動(dòng)所允許的范圍，成為指導(dǎo)城市區(qū)域范圍內(nèi)環(huán)境振動(dòng)控制的權(quán)威依據(jù)。因此，礦山爆破危害控制中，爆破振動(dòng)的環(huán)境效應(yīng)逐漸受到重視。

環(huán)境振動(dòng)是爆破振動(dòng)的另外一種表現(xiàn)形式。環(huán)境振動(dòng)表現(xiàn)為位移幅值從千分之幾微米到幾微米，頻帶為0.1~100 HZ。環(huán)境振動(dòng)對(duì)人體的影響與振動(dòng)的加速度有效值、頻率特性、作用時(shí)間、振動(dòng)方向和部位等因素有關(guān)。張婧等［5］對(duì)地鐵運(yùn)動(dòng)造成的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行了探究，通過數(shù)值模擬和分析比較的手段得出了可以在室內(nèi)鋪設(shè)減振墊，來降低環(huán)境振動(dòng)的影響；杜陽(yáng)陽(yáng)［6］根據(jù)環(huán)境振動(dòng)下的人體動(dòng)力特性，結(jié)合數(shù)學(xué)方法，建立起了環(huán)境振動(dòng)下人體舒適度評(píng)價(jià)模型；武志剛等［7］對(duì)某拱壩泄洪和非泄洪時(shí)的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析，結(jié)果表明環(huán)境振動(dòng)幅值在時(shí)空分布上具有一定的隨機(jī)性，不泄洪時(shí)的環(huán)境振動(dòng)顯著小于泄洪時(shí)。

某露天礦山地理位置復(fù)雜，緊鄰城鎮(zhèn)，且礦區(qū)附近分布有數(shù)個(gè)自然村、學(xué)校等對(duì)環(huán)境要求較高的對(duì)象。長(zhǎng)期以來，礦山高度重視礦區(qū)附近爆破振動(dòng)危害的控制，但仍不時(shí)有居民反映爆破振動(dòng)較大，影響了居民的正常生產(chǎn)生活。為了探究礦山爆破作業(yè)在礦區(qū)附近產(chǎn)生的爆破振動(dòng)和環(huán)境振動(dòng)的實(shí)際情況，選擇3個(gè)敏感測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行了6炮次的雙振動(dòng)監(jiān)測(cè)。同時(shí)利用數(shù)據(jù)歸一化處理的方法，根據(jù)雙振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)爆破振動(dòng)和環(huán)境振動(dòng)的相關(guān)性進(jìn)行了初步探究。

1 雙振動(dòng)測(cè)試

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇

礦區(qū)周邊村莊分布星羅棋布，無法進(jìn)行全覆蓋監(jiān)測(cè)。本次監(jiān)測(cè)選擇距礦區(qū)較近的、對(duì)爆破振動(dòng)危害反映較強(qiáng)烈的2個(gè)居民點(diǎn)（1#和2#）和礦區(qū)辦公樓共3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。各測(cè)點(diǎn)距采區(qū)距離及方位見表1。

?

1.2 監(jiān)測(cè)儀器選擇

根據(jù)《環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ 918—2017）［8］的規(guī)定，環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)滿足：①拾振器電壓靈敏度應(yīng)大于400 mV/g；②儀器的測(cè)量下限應(yīng)不高于50 dB，測(cè)量上限應(yīng)不低于100 dB；③測(cè)量應(yīng)包含等效連續(xù)Z振級(jí)、最大Z振級(jí)、累積百分Z振級(jí)等。本次監(jiān)測(cè)選擇AWA6256B+型環(huán)境振動(dòng)分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器選擇范圍較多，本次監(jiān)測(cè)選用礦山自有經(jīng)過標(biāo)定的TC 3850型爆破振動(dòng)記錄儀。考慮到礦區(qū)辦公樓測(cè)點(diǎn)距采區(qū)較遠(yuǎn)，觸發(fā)值設(shè)置為0.05 cm/s。

1.3 監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀與環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的安裝方式類似，將拾振器平穩(wěn)地放在混凝土地面上，用石膏粉將兩者粘結(jié)牢固，再連接傳輸數(shù)據(jù)線，完成布設(shè)（圖1）。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

本次共監(jiān)測(cè)6炮次，測(cè)得有效數(shù)據(jù)32組，見表2。

注：“—”表示儀器未觸發(fā)。

典型監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖2~圖3。圖2為第5炮次中2#居民點(diǎn)環(huán)境振動(dòng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖3為第6炮次中1#居民點(diǎn)爆破振動(dòng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)選擇

根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—88）的相關(guān)規(guī)定，礦區(qū)辦公樓、1#居民點(diǎn)、2#居民點(diǎn)均屬于“居民、文教區(qū)”一類，該類城市區(qū)域范圍內(nèi)允許的最大環(huán)境振動(dòng)值為80 dB。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014）［9］的相關(guān)規(guī)定，礦區(qū)辦公樓、1#居民點(diǎn)、2#居民點(diǎn)的主要建（構(gòu)）筑物均為“一般民用建筑物”，其允許的爆破振動(dòng)范圍為1.5~2.0 cm/s（f≤10 Hz）、2.0~2.5 cm/s（10 Hz＜f≤50 Hz）、2.5~3.0 cm/s（f＞50 Hz）。

2.3 結(jié)果分析

參照各測(cè)點(diǎn)處允許的爆破振動(dòng)和環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合表2的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，目前礦山生產(chǎn)爆破在各測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生的爆破振動(dòng)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且遠(yuǎn)小于臨界值。然而礦山生產(chǎn)爆破在各測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)值較大，部分?jǐn)?shù)據(jù)接近或略超出臨界值。居民主要依靠個(gè)體感覺判斷振動(dòng)大小，對(duì)應(yīng)的是環(huán)境振動(dòng)，這就合理解釋了礦山爆破振動(dòng)控制效果較好，然而居民仍有不適反應(yīng)的現(xiàn)象。因此，在以后的礦山生產(chǎn)過程中，應(yīng)充分重視對(duì)環(huán)境振動(dòng)的控制。

3 雙振動(dòng)相關(guān)性研究

爆破振動(dòng)與環(huán)境振動(dòng)本質(zhì)上是同一種能量的2種不同表現(xiàn)形式。爆破振動(dòng)主要關(guān)注建（構(gòu)）筑物在爆破振動(dòng)影響下的安全性，而環(huán)境振動(dòng)主要研究振動(dòng)環(huán)境中人體的感受和舒適性。兩者執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)也不相同。爆破振動(dòng)執(zhí)行的是《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014），而環(huán)境振動(dòng)則以《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—88）為指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。以往的研究中，往往將二者分別考察、獨(dú)立研究。但是，從本質(zhì)上來說，爆破振動(dòng)和環(huán)境振動(dòng)同是由爆破作業(yè)引起的，二者之間理應(yīng)存在一定的關(guān)系。以此為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)1#居民點(diǎn)和2#居民點(diǎn)處爆破振動(dòng)和環(huán)境振動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性研究。

3.1 數(shù)據(jù)處理

由于爆破振動(dòng)和環(huán)境振動(dòng)的單位不一致，無法直接進(jìn)行分析，首先需要對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，即通過數(shù)學(xué)方法，消除數(shù)據(jù)之間的量綱差異，以便能夠?qū)⒉煌烤V的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析［10-11］。常用的數(shù)據(jù)歸一化處理方式有Min-max標(biāo)準(zhǔn)化、Zscore標(biāo)準(zhǔn)化等，根據(jù)待處理的數(shù)據(jù)特征，選擇使用Zscore對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

Z-score標(biāo)準(zhǔn)化是以原始數(shù)據(jù)組的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。其處理函數(shù)為

使用處理函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的結(jié)果見表3。

?

3.2 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)行相關(guān)性分析。2個(gè)測(cè)點(diǎn)經(jīng)過Z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)相關(guān)性圖見圖4。

由圖4可以看出，爆破振動(dòng)與環(huán)境振動(dòng)的變化趨勢(shì)相當(dāng)一致，亦步亦趨，可以得出二者呈正相關(guān)的基本結(jié)論。但是由于環(huán)境振動(dòng)相關(guān)研究的缺失，加之影響環(huán)境振動(dòng)的因素眾多，環(huán)境振動(dòng)與爆破振動(dòng)之間的壁壘較深，目前尚無法具體分析環(huán)境振動(dòng)與爆破振動(dòng)之間的具體關(guān)系。只能得出二者呈正相關(guān)的基本結(jié)論。雖然二者的具體關(guān)系目前尚無法探明，但從二者正相關(guān)這一基本點(diǎn)出發(fā)，可以推斷出目前常用的控制爆破振動(dòng)的方法（如減小藥量等）也可以在一定程度上控制環(huán)境振動(dòng)，有針對(duì)性的、高效地環(huán)境振動(dòng)控制方法尚需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

（1）爆破振動(dòng)與環(huán)境振動(dòng)的適用標(biāo)準(zhǔn)不同，鄰近城市區(qū)域的礦山不能忽視對(duì)環(huán)境振動(dòng)危害的控制。

（2）爆破振動(dòng)與環(huán)境振動(dòng)基本呈正相關(guān)關(guān)系，但二者的具體關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

（3）控制爆破振動(dòng)的基本方法同樣適用于控制環(huán)境振動(dòng)，但缺乏針對(duì)性，環(huán)境振動(dòng)的高效控制方法應(yīng)進(jìn)行專門研究。