張莊鐵礦爆破振動規律和振速安全性研究

汪文良 王南南

（安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司）

張莊鐵礦為大型鞍山式沉積變質鐵礦床，礦體埋藏在厚146～196 m的第四系覆蓋層之下，屬隱伏礦床。礦山生產規模為500萬t/a，采用大直徑深孔階段空場嗣后充填法，階段高度為85 m，采場寬度為15～20 m，采場長度為礦體厚度。礦山目前回采-390 m中段（-385～-300 m水平），在-385 m水平布置受礦巷，在受礦巷中施工上向扇形深孔，拉底爆破形成采場底部塹溝；在-300 m水平布置鑿巖巷，在鑿巖巷中施工下向垂直深孔，落礦采用VCR爆破法。

礦區地表分布有數個村莊，其中張莊村位于礦區工業場地的西北側，與1#副井的最短水平距離約75 m，村莊內房屋建筑大多數為磚混結構的一般民用建筑。為降低礦山生產爆破對村莊的影響，采用薩道夫斯基公式對爆破振動傳播規律進行回歸分析，判斷礦山生產時，不同爆破規模和位置對村莊的影響程度，從而計算最大單段藥量［1-5］。

1 礦山測振期間的生產爆破方案

1.1 上向扇形深孔爆破

底部上向扇形孔孔徑為80 mm，最小抵抗線為1.8～2.5 m。按炸藥能在待爆巖體內平均分配的原則布孔，采用散裝乳化炸藥耦合裝藥；扇形孔孔底距a=2.1～2.4 m、孔口距b=0.2～0.4 m。起爆時先起爆中間孔，后起爆邊孔，每排6個段發，一般最大單響不超過220 kg。

1.2 下向垂直深孔爆破

下向垂直深孔孔徑為165 mm，孔深為52 m，每排布置4個主爆孔和2個邊孔，排距為3.5 m，邊孔間距為1.5 m。主爆孔裝140 mm藥卷乳化炸藥，邊孔裝70 mm藥卷乳化炸藥，每2個或3個藥卷間隔1 m。采用倒臺階后退式側向崩礦爆破，每次爆破2排，每排炮孔分2次爆破，第一次爆破25 m，第二次破頂，采用孔間微差起爆方式，相鄰2孔微差間隔時間為25 ms，一般最大單響藥量不超過270 kg。

2 測點布置

爆破振動傳播（衰減）規律與震動波傳播途經的地質條件有關，根據監測期間地下采場爆破位置及張莊村民房位置，為了更準確地預測-390 m中段生產爆破振動對張莊村房屋建筑的影響，本次爆破振動監測總體以張莊村為中心，沿礦體走向的北線和西、南線布置測點，使測點數據更好地反映爆破振動傳播（衰減）規律。

根據測振期間的生產采場位置，采場主要分布在張莊村的北側和中南側，因較遠的爆區振動傳播至民房位置時振動信號微弱，儀器難以檢測，因此僅對民房1 km以內的爆區進行測振，實際現場測線總長度一般控制在350～600 m。測點布置在爆區地表與民房之間（測線），每次爆破布置測點4～5個。根據采場爆心分布，在單次監測過程中利用遠端測點得到了補充數據。按測振爆破的時間順序，對爆區中心（以BX開頭）和測點（以CD開頭）進行編號。礦山與周邊建筑物位置如圖1所示。

3 爆破振動監測數據處理及分析

爆破振動強度受裝藥量、爆心距、高程差、巖性、爆破方法、穿爆參數、爆破地形和方向等諸多因素的影響，對于該礦的生產爆破，與地層巖性相關的地質影響因素以及爆破地震波的衰減系數在一定范圍內基本保持不變或變動不大，而藥量、爆心距等因素幾乎每一炮都在變動。為確定爆破振動傳播規律，通過統計實測數據，依據薩道夫斯基經驗公式，采用線性回歸分析方法對數據進行分析處理。

3.1 爆破振動監測原始數據

爆破振動監測共得到58條監測數據，其中可用于回歸預測分析的有效數據及波形有52條，按北線和西、南線對數據進行歸類統計，分別進行線性擬合分析，北線和西、南線的數據相關度均大于0.9、F檢驗值均大于50，擬合優度均大于80%，符合相關要求。其中北線和西、南線的爆破振動測試原始數據（部分展示）見表1和表2。

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3.2 爆破振動傳播規律

基于薩道夫斯基公式，應用線性回歸分析法對52個相關數據進行擬合，其中北線統計有效數據有18條，西、南線統計有34條。從統計的數據來看，所有的監測數據其豎向振動速度均為最大單向振速，根據《爆破振動監測技術規范》，選擇豎向單向振速進行擬合分析。

擬合得出北線的場地系數K=383.48，衰減系數α=1.7297，即北線振動傳播（衰減）規律為

式中，V為振動速度，m/s；Q為一次起爆最大藥量，kg；R為裝藥中心至目標距離，m。

西、南線的場地系數K=390.91，衰減系數α=1.621 3。即西、南線振動傳播（衰減）規律為

從擬合得出的爆破振動衰減公式中看出，北線和西、南線的場地系數和衰減系數基本一致。西、南方向的場地系數K值較北線略大，說明正對村莊聚居地的正西和偏南方向的采場爆破時，在一定裝藥量的前提下，近爆區的質點振速相對較大；西、南線衰減系數α較小，說明正西和偏南方向的采場爆破時，其振動波衰減相對較小。總體而言，相比其它礦山，該礦爆破振動沿爆區至民房方向的傳播特點是場地系數K值偏大，說明在一定的最大段裝藥量的前提下，近爆區處的質點振速幅值相對較大；衰減系數α較小，表明振動衰減較慢。

3.3 相關性檢驗

對北線振動回歸分析數據進行相關性檢驗，北線回歸計算的相關系數r為0.932 5，顯著程度F檢驗值為106.666 4，標準差為0.145 2，說明擬合數據相關度高，回歸結果可靠。

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對于西、南線振動回歸分析數據進行相關性檢驗，西、南線回歸計算的相關系數r為0.903 2，顯著程度F檢驗值為141.738 9，標準差為0.234 0，說明說明擬合數據相關度高，回歸結果可靠。

3.4 爆破振動速度預測及分析

根據礦山實際生產情況，一般單個礦房在垂直方向按上、中、下3個分層進行爆破落礦，最上分層為垂直深孔破頂落礦、中間分層為垂直深孔側崩落礦、下分層為扇形孔落礦形成集礦塹溝。為便于計算，取各個分層的中心位置為爆心位置。針對-390 m中段生產爆破，取礦房上分層爆心標高為-315 m，中間分層爆心標高為-345 m，下分層的爆心標高為-375 m。根據張莊礦爆破生產現狀，對各起爆部位的設計裝藥量進行統計，見表3。

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根據統計可知，扇形孔最大單段藥量為246 kg，垂直深孔最大單段藥量為288 kg。按現狀爆破最大單段裝藥量以及對應的爆心位置，在-390 m中段正常生產時對村莊聚居地的振動速度進行預測。根據測振期間垂直向最大峰值振速的頻率分布，多在10～50 Hz，對于張莊村的一般民用建筑，取下限值2.0 cm/s為質點安全振速，張莊村地表標高統一按+34 m考慮。

針對北線采場，以距離張莊村聚居地最近的301X礦房為界，二者之間的最短平面距離為139 m，分別對扇形孔、垂直深孔、切割天井以及擴槽孔爆破進行振速預測，按照各生產工序最大單段藥量進行計算。對于張莊村聚居地一般民用建筑而言，其預測振動速度均不超過《爆破安全規程》規定。結果詳見表4。

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針對西、南線方向采場，以距離張莊村聚居地最近的103X礦房為界，二者之間的最短平面距離為113 m，分別對扇形孔、垂直深孔、切割天井以及擴槽孔爆破進行振速預測，對于張莊村聚居地一般民用建筑而言，其預測振動速度均不超過《爆破安全規程》規定。結果詳見表5。

4 結論

（1）基于薩道夫斯基公式，使用線性回歸法對爆破振動監測數據進行回歸分析，得到了適用于該礦地下爆破至村莊聚居地方向的爆破振動傳播規律，通過相關性檢驗，擬合相關度高，回歸結果可靠。

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（2）預測結果顯示，北線振動速度最大為0.38 cm/s、最小為0.16 cm/s；西、南線振動速度最大為0.62 cm/s，最小為0.27 cm/s，振動速度均不超過《爆破安全規程》中對于一般民用建筑安全允許振速規定。

（3）考慮農村民房建筑結構存在一定的差異性，從安全角度考慮，在后續生產爆破過程中，實際最大單段裝藥量應不超過監測期間的最大段藥量288 kg，生產過程中應嚴格按爆破設計裝藥連線起爆。