剛果(金)某礦山預裂爆破減震效果實例分析

張懷東,馬 恒(中鐵資源集團有限公司,北京100039)

1 前言

礦山生產需要進行大量的爆破施工作業,炸藥爆炸產生脈沖壓力對巖體做功,通過介質向周圍以波的形式傳播[1]。爆破震動對近礦區的建筑物及生產生活造成干擾,是影響礦山安全生產的危害因素之一[2-4]。爆破施工前一般采用薩道夫公式為參考對震動峰值核算[5-6],以確定爆破震動值符合標準,計算時考慮的k、α等是與巖性地質環境等相關的參數,通用的取值范圍見表1,而對受保護建筑物進行質點震動實測是確定爆破震動影響的最直接方法[7-8]。在爆破周圍巖體中,爆炸所產生的地震波遇到裂隙或結構面時會產生波的反射等能量耗散現象,在爆破時有減震溝或預裂孔會降低爆破震動[9]。王和平等[10]通過數值模擬對爆破參數進行優化并通過現場實驗驗證,得出有利于保護邊幫的爆破參數。同時鉆孔直徑、微差時間、炸藥單耗等參數對震動也有影響,相同裝藥量時孔徑大爆破震動明顯增大[11]。目前主要有三種方式控制爆破震動影響[12-15]:一是控制爆炸源,主要是控制最大段裝藥量,孔間微差起爆等;二是對受保護對象采取措施;三是對震動傳播過程中采取的措施,采用減震溝爆破,干擾爆破等。另外建筑物對爆破震動的積累也應值得注意[16-17]。對于爆破震動已經有了大量研究,但關于預裂爆破減震作用的研究較少,將對礦坑爆破數據分析,并對比無保護措施、減震溝爆破、預裂爆破的震動值,提出適合該礦減震的爆破施工措施。

表1 薩道夫公式參數與巖性關系

2 工程背景分析

在爆破施工對建筑物保護時,一般考慮被保護建筑物在振動波到達時的震動速度峰值、加速度、主頻率等參數,工程中一般采用震動峰值作為安全性的主要判據,即采用薩道夫公式在爆破前對爆破震動速度最大值進行驗證

式中:v——爆破震動速度;

Q——最大段起爆藥量,kg;

R——爆心與測點距離,m;

k、α——與巖性、地質工況等條件相關。

為了在爆破前核算爆破震動峰值,對該礦大量爆破數據進行薩道夫曲線回歸,具體如圖1所示。得出k=116.574、α=1.495,由表1 可知該礦巖石屬于較堅硬巖石,與爆破施工水平以上從上至下屬表土、松散巖層、泥巖、炭質板巖的巖性有差異,而與現場情況開采水平標高以下白云巖大理巖巖性指標相符,推斷為爆破震動到目標質點不僅從爆心點到測點直線傳達,同時也來自圍巖各個方向。因此,在具體施工中不應僅按爆區水平標高以上巖性及節理等來參考計算爆破震動速度,應該同時將標高以下巖性地質構造等條件考慮在內,該礦地層巖性及振動波數據采集儀器安置點剖面圖如圖2所示。

圖1 薩道夫回歸曲線

圖2 地質剖面圖

3 爆破實驗方案

為驗證預裂爆破、減震溝爆破的減震作用,選取綠紗礦業礦坑為實驗地點,在同一區域分別采用1#無減震措施、2#預裂爆破、3#減震溝爆破進行爆破施工,爆破區域及儀器布置如圖3所示。鉆孔施工使用阿特拉斯沖擊型潛孔鉆機,鉆孔直徑115 mm,成孔直徑為114～118 mm,孔距4.7 m,排距2.3 m,孔深8 m,部分鉆孔因所在位置含氧化性質礦石呈現土狀且含水,巖屑在孔內難以由壓縮空氣吹至孔外,導致三個爆破區域孔數及個別孔孔深有微小差異,在實驗數據分析中忽略。采用17 ms、25 ms、42 ms三種地表延期雷管對孔間微差爆破時間進行控制,孔內均選用500 ms 延期雷管。考慮位置及爆破量問題,三種方案孔數都在70 左右,每孔裝藥量均為56 kg,填塞高度約為3.3 m,采用相同的連線方式,三個爆破區域相鄰,可忽略爆區間地質環境變化。預裂爆破與主爆區相隔2 m,孔間距為1.2 m,采用導爆索傳爆,使用2#巖石乳化藥卷,徑向不耦合裝藥的方式,線裝藥密度為0.6 kg/m。采用TC-4850爆破測振儀分別對爆破震動數據進行采集,為自動觸發式,為了保證觸發前的信號頭不丟失,本次實驗振動信號采集預留100 ms 的信號頭,即從觸發點向前預保留100 ms 的數據,對2～300 Hz 頻帶振動波采集。將1、2 號測點距離分別布置在離爆心180 m、120 m 處,記錄三種方案震動信息繪制震動時程曲線進行對比。

圖3 實驗爆區布置

4 數據處理與分析

對采集數據處理1 號測點如圖4所示。方案一、二、三震動速度峰值分別為0.332、0.286、0.240 cm/s;2 號測點如圖5所示,方案一、二、三震動速度峰值分別為0.995、0.615、0.516 cm/s。根據兩個測點震動速度曲線可知,未采取減震措施時震動速度最大,采用預裂爆破時次之,有減震溝時振動值最小。由爆破振動波傳達到1 號測點的數據不采取措施與減震溝爆破最大震動速度分別為預裂爆破的116.08%、83.92%,而2 號測點分別為161.79%、83.90%,可推斷爆炸源距受保護體越近,采取減震措施相比無措施減小震動作用越明顯,而減震溝與預裂爆破減震效果比值一樣,在有條件時采用減震溝效果最佳。在有保護要求建筑物周圍爆破施工時,在靠受保護建筑物邊幫位置施工預裂爆破,為后續爆破施工提前形成減震溝,預裂爆破一方面可起到減小爆破對邊幫擾動,同時形成的減震溝減小后續爆破施工產生較大震動速度對受保護建筑的擾動。

圖4 1 號測點震速時程曲線

圖5 2 號測點震速時程曲線

將實驗爆區與測點距離帶入薩道夫公式中,得到1、2 號測點震速0.368、0.675 cm/s,與實際有一定偏差,已有研究提出通過公式計算值與實際振動值會有一定偏差[18],所以在實際工程應用時,應將受保護建筑物震速控制在合理范圍,避免實際震速超標。

圖4 b 中震動時程曲線形成一小段波峰后形成較大波峰,前段波峰為預裂爆破振動波,由于預裂爆破需要小孔距大量鉆孔同時起爆,在計算爆破震動速度時應將預裂爆破產生的震動考慮進來。形成的預裂爆破斷面如圖6所示,由圖可見基本未形成半壁孔,但預裂爆破對于減震作用已經顯現出來。形成半壁孔需要合理的爆破參數與巖性等因素[19-20],本次試驗未形成半壁孔分析有三點原因:一是巖石較為破碎,節理裂隙發育且巖層傾向與預裂孔斷面相交;二是預裂爆破裝藥過程中出現藥卷貼在孔壁上;三是應對裝藥參數及布控參數進行優化。

圖6 預裂爆破斷面

5 結論

(1)采用預裂爆破可減小振動危害,阻隔或減小爆破震動傳遞。爆破施工位置離受保護建筑物越近,預裂爆破降低震動效果越明顯。

(2)爆破作業先施工靠邊幫一側,可減小后續爆破擾動次數,相當于為后續施工制作減震溝,且避免因減震每次施工都使用預裂爆破而增加的工程成本。