某地下礦山大直徑中深孔爆破振動衰減規律分析

王雨波 汪為平 劉海林

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室）

地下采礦采用大直徑中深孔爆破，在很大程度上能提高安全和生產效率，同時節約采礦成本，目前已被具備條件的礦企廣泛采用。鑒于地下中深孔爆破單段起爆藥量大，爆破振動傳播到地表表現為振速大，頻率低，易造成礦區附近地表建（構）筑物的損壞。為減小地下爆破振動對地表的影響，往往需對爆破工藝進行優化調整。工藝優化調整之前，需對現爆破參數條件下的爆破振動進行監測分析，明確當前條件下的爆破振動傳播規律。目前國內比較通用的是前蘇聯的M.A 薩道夫斯基公式［1］，分析現狀地質條件下的場地系數K和爆破振動衰減系數α，得到爆破振動沿同一傳播方向的衰減規律。根據現場監測數據發現，近爆心的場地系數K和衰減系數α均較遠爆心大［2］，表明近爆心和遠爆心的衰減規律是不同的［3］，場地系數K越大，表明相同條件下，爆破振速越大；而衰減系數α越大，表明相同條件下，爆破振動衰減越快。對此，通過對某礦大直徑中深孔落礦爆破振動地表監測，分別從近爆心和遠爆心分析其爆破振動衰減規律，可更好地指導礦企爆破減振作業。

1 工程概況及爆破振動監測數據

1.1 工程概況

某磁鐵礦礦石賦于巨厚第四系蓋層之下，第四系底部為薄層鈣土、礫石層，結構松散，穩定性極差，第四系松散巖厚度為140～223 m。巖性主要為黏土。礦帶巖組由各種黑云、二云片巖及磁鐵礦層等組成，為堅硬巖，呈似層狀，近南北向分布，傾向為西或北西西。一般傾角為45°左右，斜深達700 m 左右。巖石致密，裂隙不甚發育。地層及爆破監測布置見圖1。

某礦落礦采用大直徑中深孔爆破法施工，采用倒臺階后退式側向崩礦方法爆破，每次爆破2排，前2排超前后2 排25 m 左右，倒臺階高度為25 m 左右，每排炮孔分2次爆破，第一次爆破25 m，第二次破頂，一次成孔，分段爆破。單次爆破段高25 m，爆破2排，采用逐孔起爆方式，一般主爆孔為8 個，設計單段藥量為252 kg。實際裝藥根據孔眼位置以及礦巖情況略有增減。

1.2 爆破振動監測原始數據

在落礦過程中，針對同一方向后退式側向大直徑中深孔爆破崩礦進行了7次爆破振動地表監測，得到同一方向34個爆破振動數據。由于各測點最大單向振動速度均為垂向振動速度，在此，僅列出垂向速度（Z向）以及其相應的頻率、爆心距離和單段藥量，見表1。

2 爆破振動衰減規律分析

根據《爆破振動監測技術規范》（T/CSEB 0008—2019），將相同地形、地質及爆破條件下測得的最大單向爆破振動速度峰值、監測點距離、振動速度峰值時刻對應的單段爆破藥量按薩道夫斯基公式（式（1））采用最小二乘法回歸擬合［4］，求得場地系數K和衰減系數α。

式中，V為質點單向峰值振速，cm/s；K為與地質、爆破方法等因素有關的系數；α為與地質條件、地形有關的地震波衰減系數；R為測點與爆心之間的距離，m；Q為與最大單向爆破振速V值相對應的最大一段起爆藥量，kg。

根據表1可知，所有測點最大單向爆破振動速度均為垂向振速，采用最小二乘法取垂向速度進行線性回歸分析。一般回歸分析步驟如下。

（1）對式（1）兩邊取對數，使之線性化，得到

（2）令y=lnV，，則式（2）變為y=αx+lnK，可分別求得該線性方程的斜率α和截距lnK。

（3）把求得的K和α代入式（1），便得到該方向的爆破振動衰減規律公式。

根據上述原理，對垂向振速進行線性回歸，得到統一回歸的爆破振動衰減規律，見式（3）。

線性擬合見圖2。

為得到爆破振動衰減規律，常用的做法是通過實測數據回歸出一個綜合的衰減規律［5］。由于近爆心地震波波體成份復雜，相互干擾較大，用近爆心的監測數據回歸，其場地系數K值和衰減系數α均較大；而在中、遠區，地震波主要以表面波為主，波體成分相對簡單，其場地系數K值和衰減系數α均較小。從回歸結果發現，采用統一回歸，場地系數K值為809.095 7，α值為1.760，均偏大，明顯不能代表中、遠爆區衰減規律。同時，參考《爆破安全規程》（GB 6722—2014）［6］，回歸系數與規程中對于不同爆區巖性的K、α值也有較大出入，見表2。

因此，在前人研究基礎上，按遠爆心和近爆心監測數據分別進行統計回歸。根據數據分布特點，以爆心距離地表監測點300～400 m 范圍內的數據歸為近爆心數據，以爆心距離地表監測點在400 m 以上的數據歸為遠爆心數據，分別得到遠爆心和近爆心的爆破振動衰減規律，見式（4）和式（5），線性擬合圖見圖3和圖4。

近爆心衰減規律：

遠爆心衰減規律：

按統一線性回歸，計算相關度為0.945，按遠爆心和近爆心監測數據各自單獨回歸分析，近爆心數據計算相關度為0.938，遠爆心的計算相關度為0.972，數據均具有較高的關聯度，但是，二者相關度又存在明顯的差別，說明按遠爆心和近爆心分別回歸分析，更符合實際爆破振動衰減規律。

3 振速預測分析

根據回歸公式式（3）、式（4）和式（5），按同一單段起爆藥量252 kg考慮，可得到不同爆心距下的爆破預測振動速度，見表3。

從表3可以得出如下結論：

（1）通過實際監測振速與預測對比，可以看出（圖5），采用遠爆心和近爆心數據分別回歸分析，其預測值與實際監測數據的偏差更小，衰減趨勢更加貼合。

（2）采用近爆心傳播規律用于振速預測時，比統一回歸預測振速大，衰減快；采用遠爆心預測振速時，比統一回歸預測振速小，衰減慢。在實際生產中，可根據遠、近爆心不同的衰減規律運用于不同的生產礦房，避免因近爆區預測振速比實際小而損壞建筑（尤其土坯類），或在遠爆區因預測振速比實際大，生產中降低起爆藥量，影響生產效能。

（3）振速預測數據在遠爆心和近爆心分界線附近出現了一定的不連續性，分析原因，主要為近爆心一側第四系覆蓋層相對較厚，而遠爆心一側第四系覆蓋層相對較薄，地震波在傳播過程中遇不同介質折射與反射造成。

4 結論

通過對遠爆心和近爆心數據分別回歸擬合，其結果更符合實際爆破振動傳播規律。采用近爆心衰減規律用于振速預測時，比統一回歸預測振速大，衰減快；采用遠爆心預測振速時，比統一回歸預測振速小，衰減慢。在實際生產中，可根據遠、近爆心不同的衰減規律運用于不同的生產礦房，避免因近爆區預測振速比實際小而損壞地表建筑（尤其土坯類），或在遠爆區因預測振速比實際大，生產中降低起爆藥量，影響生產效能。