減振孔在緬甸某露天礦區(qū)爆破振動(dòng)控制中的應(yīng)用

孫 琰，劉敬智，李吉楊芙

(萬寶礦產(chǎn)有限公司，北京 100053)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程爆破施工得到越來越廣泛的應(yīng)用。相較于爆破產(chǎn)生的粉塵和噪聲，爆破振動(dòng)效應(yīng)的危害尤為突出。 當(dāng)爆破引起的振動(dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成如山地滑坡、建筑物坍塌等災(zāi)害[1]，為避免引起礦山的正常生產(chǎn)和附近居民的恐慌，及時(shí)采取得當(dāng)?shù)恼駝?dòng)控制措施十分必要。

緬甸某露天銅礦礦區(qū)北側(cè)230 m處有一佛教寺廟，是周邊村民禮佛的重要場所。寺廟處爆破振動(dòng)振速限值為5 mm/s，隨著礦坑采掘深度的逐漸增加，爆破振動(dòng)高程放大效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，寺廟處爆破振動(dòng)振速數(shù)次接近5 mm/s。我國《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)對(duì)一般古建筑與古跡的最大安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度規(guī)定為0.5 cm/s，緬甸相關(guān)法律法規(guī)雖未在此方面作出明確規(guī)定，但《緬甸礦業(yè)法》要求礦山企業(yè)必須對(duì)開采過程中存在的安全隱患采取相應(yīng)措施，以減少對(duì)安全和環(huán)保的危害。因此，為有效降低礦山爆破對(duì)周邊建筑物的影響，遵守中國和緬甸相關(guān)法律法規(guī)，開展相應(yīng)的爆破振動(dòng)控制研究十分必要。本文以此為背景，開展減振孔減振機(jī)理研究，通過測(cè)量寺廟附近的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度對(duì)減振孔減振效果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

1 研究現(xiàn)狀

目前的工程實(shí)踐中降低爆破振動(dòng)的技術(shù)措施主要有2方面[1]：①爆源控制方面：采用毫秒延期爆破，限制最大單響藥量，增加布藥的分散性和臨空面，采用低爆速、低密度炸藥；②傳播控制方面：采用預(yù)裂爆破或施工減振溝、孔，進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

此前已有許多學(xué)者對(duì)減振孔的減振機(jī)理和作用效果進(jìn)行了研究。惠峰等[2]通過數(shù)值模擬得出減振孔距爆源越近減振效果越好；孫金山等[3]通過相似材料模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了地震波穿越軟弱夾層時(shí)的衰減特征；鄒紹明[4]介紹了控制爆破技術(shù)在地下大斷面輕軌施工中的應(yīng)用；蔣蘭英[5]對(duì)地鐵車站施工爆破進(jìn)行了有無減振孔的對(duì)比試驗(yàn)，得出有無減振孔的振動(dòng)差值比例。

2 減振孔減振機(jī)理

炸藥在巖體中爆炸后，一部分能量以波的形式向外傳播，在藥包半徑的10～15倍范圍內(nèi)，傳播形式為沖擊波；在藥包半徑的15～400倍范圍內(nèi)，傳播形式為應(yīng)力波，在遠(yuǎn)區(qū)則衰減為地震波。在一個(gè)近地表的爆破中，會(huì)存在縱向壓力波(P波)、縱向稀疏波(N波)、瑞利表明波(R波)和剪切波(S波)，其中P波傳播速度最快，本文按照入射地震波所穿越的介質(zhì)形態(tài)分別討論預(yù)裂縫及減振孔的減振機(jī)理。

2.1 透射介質(zhì)為預(yù)裂縫或裂隙

為了便于研究，本文將縫面兩側(cè)的界面看作是非完全固結(jié)界面，研究地震波與界面之間的相互作用。當(dāng)一種波入射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與入射波不同類型的透射波或反射波，P波垂直入射時(shí)無轉(zhuǎn)換波，P波非垂直入射時(shí)有轉(zhuǎn)換波[6]。為了簡化研究，本文僅考慮P波垂直入射的情況，此時(shí)僅有透射P波和反射P波存在，無其他非同類型波產(chǎn)生(圖1)。

圖1 地震波入射縫隙示意圖Fig.1 Schematic diagram of seismic wave incidence gap

在此模型中，邊界條件如下所述。

應(yīng)力連續(xù)條件見式(1)和式(2)。

σzz(I)=σzz(T)

(1)

σzx(I)=σzx(T)

(2)

位移不連續(xù)條件見式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：σ和u分別為應(yīng)力和位移；z和x分別為坐標(biāo)方向；I、T為減振孔兩側(cè)巖體，其中，I為入射側(cè)，T為透射側(cè)；Kn和Ks分別為法向節(jié)理剛度和切向節(jié)理剛度。

節(jié)理剛度表示界面上的應(yīng)力與界面兩側(cè)位移間斷值的比值。根據(jù)彈性介質(zhì)的幾何方程和胡克定律，計(jì)算公式見式(5)和式(6)。

(5)

(6)

對(duì)于入射空間和投射空間，界面處的位移關(guān)系應(yīng)該滿足式(7)和式(8)。

UI=(HI+HR)f(t)

(7)

UT=HTf(t)

(8)

式中：U、H分別為位移和幅值；I、R和T分別為入射波、反射波和透射波。

將應(yīng)力波位移函數(shù)代入式(5)和式(6)，聯(lián)立式(7)和式(8)，可以得出式(9)和式(10)。

(9)

(10)

由式(10)可知，透射波幅值與縫面節(jié)理剛度有關(guān)，節(jié)理剛度為零時(shí)，相當(dāng)于縫面具有足夠?qū)挾龋藭r(shí)透射波消失；當(dāng)節(jié)理剛度無窮大時(shí)，相當(dāng)于縫面閉合，此時(shí)應(yīng)力波完全透射。透射應(yīng)力波的幅值與縫兩側(cè)巖體的波阻抗有關(guān)，波阻抗越大，反射幅值越大，透射幅值越小。若想取得一定的隔振效果，必須使得裂縫具有一定的寬度。理論上隔振效果與縫寬是正相關(guān)的。

2.2 透射介質(zhì)為軟弱夾層或鉆孔區(qū)域

減振孔或軟弱夾層的存在改變了波傳遞介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)，增大了介質(zhì)的不均勻性，減小了鉆孔附近區(qū)域巖體的波阻抗。此類情況可以視為波從一種介質(zhì)傳播到另一種波阻抗不同的介質(zhì)中，僅考慮波的垂直入射，兩種介質(zhì)在界面處保持接觸，滿足界面兩側(cè)應(yīng)力和位移連續(xù)的邊界條件，據(jù)此可以得到式(11)～式(13)。

(11)

(12)

(13)

式中：Nσ、Nv和Nu分別為應(yīng)力透射系數(shù)、速度透射系數(shù)和位移透射系數(shù)；n為入射介質(zhì)波阻抗與透射介質(zhì)波阻抗之比。由式(11)～式(13)可知，入射介質(zhì)波阻抗與透射介質(zhì)波阻抗之比越大，透射波幅值越小，隔振效果越好。

3 減振孔施工及振速監(jiān)測(cè)方案

3.1 減振孔施工方案

寺廟距露天礦坑北側(cè)最近距離為230 m，如圖2所示。為了控制爆破振動(dòng)振速，在寺廟外圍增加3排大直徑減振孔，孔內(nèi)放置具有一定強(qiáng)度的橡膠管(HDPE管)以防止孔內(nèi)充水，保證減振效果。橡膠管兩端封閉，露出孔口1 m左右，露出段設(shè)置數(shù)個(gè)透氣小孔。

選用現(xiàn)場鉆孔設(shè)備DML250型鉆機(jī)鉆垂直孔。孔徑為250 mm，孔深為18.5 m，孔網(wǎng)設(shè)計(jì)為2 m×2 m，三角形布孔，相鄰排對(duì)應(yīng)孔水平方向錯(cuò)開0.66 m，如圖3所示。

圖3 減振孔孔網(wǎng)參數(shù)Fig.3 Mesh parameters of shock absorbing holes

每根HDPE管長為19.5 m，外徑為200 mm，管壁厚為15 mm，內(nèi)徑為170 mm，如圖4所示。

根據(jù)《3～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》DL/T 584-2007 和《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置整定計(jì)算》可以發(fā)現(xiàn)，考慮到保護(hù)動(dòng)作時(shí)間、斷路器動(dòng)作時(shí)間以及斷路器斷口熄弧特性相對(duì)固定，10 kV配電網(wǎng)線路重合閘時(shí)間主要與故障點(diǎn)斷電熄弧去游離時(shí)間緊密相關(guān)。如果在斷路器重合前，非永久性故障點(diǎn)已經(jīng)成功熄弧，重合閘操作即可成功，否則重合閘將失敗。

圖4 HDPE管布置示意圖Fig.4 HDPE pipe layout diagram

寺廟基座尺寸為58 m×51.4 m，距圍墻外道路北側(cè)距離為22.5 m，距圍墻最近距離為18.9 m，圍墻外道路寬為6 m，距道路南側(cè)5.2 m處有1個(gè)水文觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)東南角5 m處有1排水溝，基本平行于道路方向。根據(jù)減振孔減振作用范圍及寺廟寬度，取寺廟寬度對(duì)應(yīng)兩側(cè)各延伸20 m作為減振孔鉆孔區(qū)域，鉆孔區(qū)域總長度為94 m，對(duì)應(yīng)寺廟基座西南側(cè)張角為26°，東南側(cè)張角為39°，如圖5所示。

圖5 減振孔鉆孔范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of shock absorbing holes

3.2 振速監(jiān)測(cè)方案

利用TC-4850爆破測(cè)振儀監(jiān)測(cè)寺廟所控區(qū)域質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度。該測(cè)振儀通過三分量速度傳感器可以測(cè)得某點(diǎn)相互垂直的三個(gè)方向(X、Y和Z)上的振動(dòng)速度，通過波形分析軟件可以對(duì)三個(gè)方向的速度進(jìn)行矢量合成。矢量合成遵循平行四邊形法則，見式(14)。

三矢量合成值=

(14)

在寺廟周圍沿著垂直于減振孔方向布置A、B、C、D四個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中，A測(cè)點(diǎn)位于3排減振孔南側(cè)(靠近礦區(qū)爆源)，B測(cè)點(diǎn)、C測(cè)點(diǎn)、D測(cè)點(diǎn)位于3排減振孔北側(cè)(靠近寺廟區(qū)域)，沿著平行減振孔方向布置E測(cè)點(diǎn)和F測(cè)點(diǎn)，線段EF和線段AD相互垂直且相交于測(cè)點(diǎn)C處，測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 寺廟周邊振速測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.6 Layout diagram of vibration velocity measuring points around the temple

4 減振效果分析

收集2018年11月26日—2019年6月4日期間測(cè)振儀所采集的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)將鉆鑿減振孔作為唯一變量，其他工程條件保持不變。通過對(duì)比施工減振孔前和施工不同排數(shù)減振孔后的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度來對(duì)減振效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，每個(gè)階段分別取兩組對(duì)比數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。各測(cè)點(diǎn)振速值均為三矢量合成最大值，振速變化反映了孔后各有效點(diǎn)振速平均值相較于測(cè)點(diǎn)A振速的變化百分比，負(fù)值代表下降。

由表1可知，未施工減振孔時(shí)，各測(cè)點(diǎn)振速值變化不大，施工減振孔后，減振孔后各測(cè)點(diǎn)(震源異側(cè))振速較減振孔前的測(cè)點(diǎn)A(震源同側(cè))均有所下降，降幅在17%～58%之間。對(duì)比3號(hào)和4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)及7號(hào)和8號(hào)這3組數(shù)據(jù)可知，孔后各點(diǎn)振速的降幅不僅與減振孔排數(shù)有關(guān)，且與測(cè)點(diǎn)A的振速有關(guān)，即與入射地震波的振速有關(guān)，入射地震波的振速越大，降幅越明顯。

表1 各測(cè)點(diǎn)有效振動(dòng)速度數(shù)據(jù)表Table 1 Effective vibration velocity data table of each measuring point

根據(jù)薩道夫斯基公式及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度與單響藥量、測(cè)點(diǎn)到爆源的距離、測(cè)點(diǎn)與爆源的高程差以及測(cè)點(diǎn)至爆源間的地形地質(zhì)條件有關(guān)。受限于此，本試驗(yàn)無法通過固定A點(diǎn)的振動(dòng)速度來觀察減振孔后各點(diǎn)振速隨著減振孔排數(shù)增加的變化情況。但是，對(duì)比3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)3組數(shù)據(jù)可知，這三組數(shù)據(jù)中測(cè)點(diǎn)A的振速值相差不大，隨著減振孔排數(shù)的增加，減振孔后各點(diǎn)振速降幅也隨之增加。

相關(guān)研究和現(xiàn)場工程實(shí)踐表明，高程對(duì)爆破振動(dòng)存在放大效應(yīng)，測(cè)點(diǎn)與爆源高程差越大，振動(dòng)速率也越大，利用原有的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式并不能準(zhǔn)確地計(jì)算寺廟附近測(cè)點(diǎn)振速，可用改進(jìn)的薩道夫斯基公式進(jìn)行計(jì)算，見式(15)。

(15)

式中：K′為作用系數(shù)；β為高差作用指數(shù)；Q為最大單響藥量；R為測(cè)點(diǎn)距炮區(qū)的距離；H為爆破質(zhì)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)的高程差。

根據(jù)施工3排減振孔后的測(cè)點(diǎn)C爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)及爆區(qū)裝藥記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，可以得到測(cè)點(diǎn)C振速擬合公式，見式(16)。

(16)

設(shè)定v值后，可通過式(16)計(jì)算得到各臺(tái)階單孔最大允許爆破裝藥量，對(duì)爆破作業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)。實(shí)踐結(jié)果表明，施工減振孔后，可以適當(dāng)提高單孔裝藥量，從而減小孔距或排距，降低了礦山穿爆成本，提升了經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)控制措施切實(shí)降低了礦山爆破振動(dòng)對(duì)臨近寺廟的影響，加強(qiáng)了當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)礦山企業(yè)的信任，有助于“一帶一路”倡議相關(guān)項(xiàng)目的深入進(jìn)行。

5 結(jié) 論

1) 入射地震波穿越預(yù)裂縫或裂隙時(shí)，透射波幅值與縫面節(jié)理剛度和縫面兩側(cè)巖體波阻抗有關(guān)，節(jié)理剛度越小，透射幅值越小；縫面兩側(cè)巖體波阻抗越大，透射幅值越小。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過增加減振區(qū)域的寬度來提高減振效果。

2) 入射地震波穿越軟弱夾層或減振孔區(qū)域時(shí)，透射波幅值與兩側(cè)巖體和夾層區(qū)域的波阻抗比值有關(guān)，比值越大，地震波衰減程度越高。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過減小減振孔距或加密減振孔來提高減振效果。

3) 緬甸某礦附近寺廟外圍施工的減振孔可以有效降低入射地震波的振速，減少對(duì)被保護(hù)對(duì)象的振動(dòng)危害，振速降幅為17%～58%。入射爆炸地震波振速越大，減振孔的減振效果越明顯。利用考慮高程放大效應(yīng)的振速計(jì)算公式可以計(jì)算得到該礦山各臺(tái)階單孔最大允許爆破裝藥量，對(duì)爆破作業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)。該結(jié)論可以為今后萊比塘礦區(qū)附近的爆破振動(dòng)控制提供一定參考。

4) 施工減振孔可以適當(dāng)降低穿爆成本，化解部分社區(qū)風(fēng)險(xiǎn)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。