露天煤礦超高臺階拋擲爆破振動效應評價

楊茂森，陳永祥，郝潤華

(1.內蒙古自治區公安廳，呼和浩特 010051；2.中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京100083；3.國家能源集團準能集團有限責任公司，鄂爾多斯 準格爾旗 010300；4.鄂爾多斯市公安局，鄂爾多斯 017010)

我國是能源消耗大國，礦石資源豐富，但開發儲存量有限。露天礦開采具有生產規模大、開采效率髙、成本低等優點，在我國的礦石資源開采中占據主要地位。目前露天礦開采主要采用爆破技術，相關研究表明：由于露天礦開采爆破藥量一般較大，引發的爆破振動效應較為顯著，容易對周圍建(構)筑物的穩定性造成不利影響[1-7]。因此，開展露天礦爆破作用下臨近建(構)筑物的爆破振動效應分析與評估研究，對于保證施工安全十分重要[8-10]。

近年來，關于露天礦爆破振動效應分析與評估，相關學者開展了大量研究。孫豁然等結合現場爆破振動監測數據，通過分析露天礦爆破地震強度、地震頻譜以及振動持續時間的特點，對露天礦爆破臨近建(構)筑物的安全性進行了評估[11]。郝全明等通過研究露天礦邊幫最大振動速度、爆心距以及最大單段藥量的關系,提出了露天礦近幫爆破振動控制最大單段藥量[12]。王莉莉通過爆破振動監測結果發現，采用薩道夫斯基公式可較準確地對露天礦爆破振動速度衰減規律進行預測[13]。付曉強等針對露天礦爆破開采實際工程，在對現場爆破振動信號分析的基礎上，研究分析了不同地形條件下的爆破振動信號傳播規律和衰減特性[14]。費志超采用應用層次分析法等對露天礦爆破震動危害效應進行分析比較，得到了孔網參數、爆破藥量等因素對爆破振動的影響大小，提出了爆破振動安全控制的建議[15]。綜上所述，以往研究大多針對一般露天礦爆破作用下振動信號的傳播以及衰減特征進行研究分析，對于臺階高達50 m的超深孔拋擲大爆破產生的爆破振動特點及其振動效應的研究還較少涉及。

由于高臺階拋擲爆破炮孔超深、單次規模大、持續時間長，爆破振動對周邊環境造成的影響與一般爆破相比會更大。為此，結合我國特大露天煤礦國家能源集團準能集團黑岱溝露天煤礦超高臺階拋擲大爆破生產實際，通過現場爆破振動監測與分析，對露天礦爆破作用下臨近建(構)筑物爆破振動效應進行研究，并結合相關規范從爆破振動強度、振動頻率兩方面對建(構)筑物爆破振動安全性進行評估，具有重要的應用與參考價值。

1 工程背景

準能黑岱溝露天礦位于內蒙古準格爾煤田南部，煤層上覆蓋巖層是沉積巖，主要巖石品種有：細(粉)砂巖、中砂巖、粗砂巖、砂頁巖、泥(頁)巖和高嶺土，具體巖性見表1，基本呈緩傾斜層狀分布。拋擲爆破區基本上不賦存細(粉)砂巖等較硬巖石，一般不存在拋擲爆破存在大塊、根底等爆破質量問題。

表 1 黑岱溝露天煤礦巖石種類Table 1 Rock types of Heidaigou open-pit mine

采用高臺階拋擲爆破技術進行剝離，一般臺階高度在50 m左右。結合黑岱溝露天礦一次典型的拋擲大爆破(爆破編號：18北2次拋擲爆破)工程實際及其周邊環境特點展開討論。

18北2次拋擲爆區位于1095～1130水平北部，爆區長度為500 m，寬度為85 m，臺階高度為42～46 m，爆區位置見圖1所示。爆破采用數碼雷管孔內延時起爆方式，炮孔深度為46～51 m，總開挖量為1 721 411 m3。

18北2次爆破時，臨近爆區周邊存在新建涵洞、破碎站以及信號塔等構筑物，為評價爆破振動是否對這些設施造成破壞影響，爆破過程中在上述構筑物地面分別布置了6個測點進行了爆破振動監測，周邊環境及測點布置見圖2。

圖 1 爆區位置實際拍攝照片Fig.1 Site photos of blasting area

本次爆破總炮孔數量為685個，其中493個拋擲爆破孔、192個預裂爆破孔，總裝藥量為1304 t，最大單段藥量為8.99 t。拋擲爆破孔分為12排布置，炮孔間距為12 m，排距為6～7 m。預裂孔包括161個后排預裂孔以及31個北端預裂孔，先于主拋渣孔起爆，炮孔間距為3 m。爆破炮孔布置如圖3所示，主要爆破參數見表2。

圖 2 爆區周邊環境及測點布置示意圖(單位：m)Fig.2 Layout of surrounding environment and measuring points of blasting area(unit:m)

圖 3 黑岱溝露天礦18北2次爆區炮孔布置平面示意圖Fig.3 Blastholes layout of No.18 North 2nd blasting area in Heidaigou open pit mine

表 2 黑岱溝露天礦18北2次爆區主要爆破參數

2 爆破振動監測與分析

2.1 現場爆破振動監測

為分析此次爆破振動對爆區臨近建(構)筑物的影響，爆破過程中進行了現場爆破振動監測。通過現場踏勘，將破碎站以及新建涵洞等6個建(構)筑物作為監測對象，在每個監測對象附近布置爆破振動監測點，如圖2。爆破振動測試儀采用TC-4850爆破測振儀，對每個測點X方向(指向振動來波方向)、Y方向(水平垂直來波方向)以及Z方向(垂直地表向上)的爆破振動數據進行監測記錄。為保證監測數據的準確、可靠，爆破振動測試前對所有儀器進行系統標定。現場爆破振動監測數據結果見表3，圖4為測點3處的典型振動波形圖。

圖 4 爆破振動測試典型波形圖Fig.4 Typical waveform of blasting vibration monitoring

2.2 爆破振動特征分析

基于3.1節現場爆破振動監測結果，以下從爆破振動強度、振動頻率以及持續時間三個方面分析露天礦爆破開采作用下臨界建(構)筑物爆破振動效應。

(1)爆破振動強度衰減特征

目前國內外學者普遍采用薩道夫斯基公式對爆破振動速度衰減預測。薩道夫斯基公式通過將測點振速、爆心距與最大單段藥量建立關系，對測點爆破振動速度衰減規律進行回歸分析，具體表達式為

(1)

式中：K為場地系數；α為衰減系數；Q為最大單段藥量，kg；R為爆心距，m。采用式(3)對表2各監測點不同方向爆破振動速度進行回歸分析，得到本次爆破各方向振動速度衰減公式，見表4。由表4可以看出，X方向爆破振動速度衰減最快，其次為Z方向，Y方向爆破振動速度衰減最慢。

表 3 現場爆破振動監測數據Table 3 Field blasting vibration monitoring data

(2)爆破振動主頻特征

爆破振動主頻率對建(構)筑物爆破振動效應起著重要作用，當建(構)筑物自振頻率與地表振動頻率接近時，容易產生共振現象，破壞力極大。分析表3監測數據發現，各監測點X、Y、Z三個方向爆破振動主頻均在3～11 Hz范圍內，主要集中在3～6 Hz左右，爆破振動主頻最大值出現在測點3位置X方向上，為10.99 Hz。總體上看，本次所測爆破振動頻率范圍較窄，振動主頻較低，基本無高頻成分。

(3)爆破振動持續時間

爆破振動作用時間通常指自爆破振動記錄中開始有幅值的零點開始至爆破振動記錄最后無幅值的零點止的時間。對微差爆破而言，震動持續時間還應考慮微差間隔時間與延期段數的影響。根據表3監測數據以及圖3振動波形可以看出，各監測點不同方向爆破振動速度最大值出現時間并不相同，考慮是由于露天礦采取孔內微差起爆的方式，各方向爆破振動速度最大值由不同起爆段別引起。由于爆區規律較大，炮孔數量較多，雷管起爆間隔時間較長，因此，本次爆破各監測點振動持續時間較長，分布在7～9 s范圍內。

表 4 薩道夫斯基公式回歸分析結果Table 4 Regression analysis results by Sadovsky formula

2.3 爆破振動效應評價

在建(構)筑物爆破振動安全評估方面，早期大多數學者采用單一強度參數峰值作為評價爆破振動作用下建筑物安全性的唯一指標。我國舊版規范《爆破安全規程》(GB6722—86)，瑞典、美國礦務局等早期使用的安全控制標準，也都是采用質點振動加速度或速度作為獨立閾值判據。隨著人們對爆破震害的深入研究發現，采用單一強度參數進行爆破振動安全評估具有很大局限性，爆破振動頻率也是在建(構)筑物地震破壞中起主導作用的一個重要因素[16-19]。因此，本文從爆破振動強度、振動頻率兩個方面綜合考慮，對監測對象爆破振動安全性進行評估。

我國爆破安全規程規定(GB6722—2014)[20]，當礦山巷道爆破振動主頻小于10Hz時，質點安全振動速度為15～18 cm/s。根據現場爆破振動監測結果，各監測點爆破振動速度最大值基本均發生在X方向，表明X方向爆破振動速度對本次爆破振動效應起控制作用，可將X方向爆破振速作為評價本次爆破振動強度的物理量。根據以上分析，現場各監測點爆破振動主頻基本小于10 Hz，X方向爆破振動速度最大值為7.83 cm/s，在上述安全振動速度范圍內。根據陳世海等人的研究[21]，對于不考慮累積爆破破壞的結構，振動頻率和幅值相同時，不同的爆破振動持續時間引起的結構應力響應最大值相同。由于本文不考慮后續爆破對結構的影響，盡管各監測點爆破振動持續時間較長，仍可得到各監測對象在本次爆破作用下均處于安全狀態的結論。

3 結論

結合黑岱溝露天礦爆破開采實際工程背景，通過分析現場爆破振動監測數據，在結合相關規范的基礎上，對爆區臨近建(構)筑物爆破振動效應進行分析與評估，主要結論如下：

(1)結合黑岱溝露天礦生產實際，分析并獲得了高臺階深孔大爆破的振動強度預測公式，揭示了其爆破振動的主振頻率及作用時間等參量特征，此類爆破的爆破振動速度回歸公式場地系數與衰減系數均較大。

(2)現場爆破作用下，各方向爆破振動速度衰減大小表現為X方向>Z方向>Y方向。其中，X方向爆破振動速度最大，對爆破振動效應起控制作用。

(3)本次爆破條件下，各監測點爆破振動頻率范圍較窄且較低，主要集中在3～6 Hz范圍內。由于爆區規模較大，炮孔起爆延期時間較長，各監測點爆破振動持續時間均較長，分布在7～9 s范圍內。

(4)在不考慮后續爆破對結構造成累積破壞的前提下，各監測對象在本次爆破作用下均處于安全狀態。