確定礦山爆破震動(dòng)危害范圍的新增因素

陳 勇

（中國(guó)非金屬材料南京礦山工程有限公司，江蘇 南京 210014）

我們?cè)谌粘氖卤谱鳂I(yè)的時(shí)候，會(huì)編制詳細(xì)的爆破方案，嚴(yán)格控制單響起爆藥量，控制單次作業(yè)起爆總藥量，從根源上最大程度降低爆破震動(dòng)，減少震動(dòng)危害。即使有這樣完善的防控措施，依然會(huì)發(fā)生因?yàn)楸普饎?dòng)的危害出現(xiàn)[1]。

1 礦山爆破振動(dòng)

結(jié)合我們每次謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)的單響起爆藥量與外圍村民構(gòu)建筑物內(nèi)感受到的震動(dòng)，我們頗有困惑，這么遠(yuǎn)的距離與位置不應(yīng)該有這么強(qiáng)烈的建筑物晃動(dòng)。當(dāng)然我們也知道最直觀的方式就是在村民住處安裝測(cè)振儀來測(cè)量震動(dòng)幅度，但條件所限，我們的測(cè)振儀布置在了礦山起爆點(diǎn)之后，或在警戒圈之外，這要比民房的位置更靠近我們起爆點(diǎn)，測(cè)出來震動(dòng)幅度按道理來說遠(yuǎn)比民房處的要大，但是我們收集了很多次的爆破震動(dòng)記錄，測(cè)出的數(shù)據(jù)均小于爆破震動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)值。

圖1 2020年爆破振動(dòng)統(tǒng)計(jì)

圖2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

2 共振破壞

針對(duì)這一現(xiàn)象我們排除人體感知強(qiáng)度與實(shí)際震感的差異以后，進(jìn)行合理推測(cè)，爆破震動(dòng)是否會(huì)引起其他因素導(dǎo)致設(shè)計(jì)警戒范圍之外的民房損壞。

推測(cè)一：共振破壞原理。

我們基于爆破震動(dòng)公式得出的安全警戒范圍，基本上只考慮震動(dòng)幅度的大小給構(gòu)筑物所造成的損害，而沒有考慮爆破產(chǎn)生的震動(dòng)頻率恰好與建筑物的固有頻率相接近時(shí)，使得建筑物發(fā)生了共振，從而出現(xiàn)共振破壞。

3 警戒范圍

在傳統(tǒng)爆破震動(dòng)公式計(jì)算出的警戒范圍區(qū)域（圖3圖4的區(qū)域二）外，可以保證爆破震動(dòng)振幅不會(huì)破壞建筑物。假設(shè)在一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)（圖3圖4的區(qū)域三），震動(dòng)頻率衰減到建筑物固有頻率，使得建筑物發(fā)生了共振破壞。因此我們應(yīng)當(dāng)考慮在劃定完爆破震動(dòng)警戒范圍后，再計(jì)算出一個(gè)爆破震動(dòng)頻率圈，對(duì)于處在這個(gè)爆破震動(dòng)頻率圈內(nèi)的建筑物給予重點(diǎn)防護(hù)。以上推測(cè)基于爆破震動(dòng)頻率衰減較慢，區(qū)域三內(nèi)建筑物建筑形式較為統(tǒng)一，共振頻率大致相同。區(qū)域三有個(gè)較為明顯的特征，在區(qū)域一，人在建筑物內(nèi)能感受到明顯的爆破震動(dòng)，在區(qū)域二和區(qū)域四人在室外和室內(nèi)都沒有感受到震動(dòng)，而在區(qū)域三內(nèi)，人在建筑物內(nèi)能明顯感受到震動(dòng)，建筑物因爆破震動(dòng)引發(fā)的因素而發(fā)生損壞的可能性加大。如何確定和找到區(qū)域三，主要可以從兩個(gè)方面入手，一是歸納爆破震動(dòng)數(shù)據(jù)，推算出爆破震動(dòng)頻率遞減公式；二是測(cè)定不同建筑類型的共振頻率，二者相結(jié)合，方能確定共振區(qū)域的大致范圍，并對(duì)共振范圍的建筑物加以保護(hù)[2]。

圖3 爆破警戒范圍示意圖

圖4 爆破警戒范圍示意圖

4 地形因素導(dǎo)致震動(dòng)放大原理

我國(guó)的露天礦大部分為山坡露天礦，開采區(qū)域海拔一般要高于當(dāng)?shù)鼐用窠ㄖ锏暮０胃叨取Ｔ谧鳂I(yè)區(qū)的爆破震動(dòng)大部分呈現(xiàn)出由高到低的傳播方向。參考任東帥《邊坡對(duì)地震動(dòng)加速度譜值影響的有限元分析》中提到，1971年的菲律賓圣費(fèi)爾南多地震時(shí)，地震研究者發(fā)現(xiàn)帕克依瑪壩的加速度記錄比其他地方要高得多，后來通過對(duì)地震響應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)建筑物的地震響應(yīng)與其所處的地形有關(guān)。這些觀測(cè)研究表明，地震發(fā)生時(shí)局部不規(guī)則地形存在局部的地震放大效應(yīng)，也就是地形放大效應(yīng)。作者為了確定邊坡最地震小櫻的放大程度以及影響范圍，進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析其加速度譜值的特征，經(jīng)研究結(jié)果表明：①地震影響系數(shù)的放大倍數(shù)與斜坡的高度、角度有密切聯(lián)系，斜坡高度越高，放大倍數(shù)也越大。②對(duì)于高度60m以內(nèi)的巖質(zhì)邊坡，水平地震影響系數(shù)的放大倍數(shù)在1.6倍以內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)位置距離坡定點(diǎn)大于8H（H為坡高）時(shí)，放大倍數(shù)均小于1.1倍，當(dāng)監(jiān)測(cè)位置距離坡定點(diǎn)大于10H時(shí)，放大倍數(shù)均小于1.03倍，可以忽略不計(jì)。③坡面形狀會(huì)影響放大效應(yīng)，凹面坡和凸面坡均會(huì)增大放大效應(yīng)等。

以上研究的都是地形對(duì)于地震波的傳播影響，且地震波的傳播方向均為由低海拔至高海拔，可以看到坡面地形會(huì)對(duì)地震波的傳播產(chǎn)生放大效應(yīng)。爆破震動(dòng)波的傳播方向雖然大部分由高海拔傳向低海拔，結(jié)合工程實(shí)際情況推測(cè)，坡面地形也會(huì)對(duì)爆破震動(dòng)產(chǎn)生震動(dòng)放大效應(yīng)。建議在沿用之前的爆破震動(dòng)經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，可新增一個(gè)地形放大效應(yīng)系數(shù)，系數(shù)的大小應(yīng)根據(jù)坡面地形的坡度的大小和爆破震動(dòng)傳播高差來確定。

我們可以從圖5中看出，在平面上的建筑物受到的爆破震動(dòng)傷害主要是爆破震動(dòng)橫波的作用，縱波的損害相對(duì)較小。但是在坡面上的建筑物則會(huì)受到爆破震動(dòng)產(chǎn)生的橫波與縱波的疊加損害，這也是從一個(gè)側(cè)面證明了地形會(huì)對(duì)爆破震動(dòng)產(chǎn)生放大效應(yīng)。

圖5 振動(dòng)波紋示意圖

5 總結(jié)

在計(jì)算爆破震動(dòng)警戒范圍時(shí)應(yīng)，應(yīng)新增共振破壞和地形放大效應(yīng)兩個(gè)因素，加強(qiáng)重點(diǎn)區(qū)域的建筑物防護(hù)等級(jí)。以上兩點(diǎn)推測(cè)還應(yīng)在以后不斷的爆破震動(dòng)檢測(cè)中積累相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)梳理出更精準(zhǔn)的公式及影響參數(shù)。