新城金礦主井附近工程爆破振動對其穩定性影響分析

羅文俊，關 凱，朱萬成，劉洪磊，劉曉光，劉 濱

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819； 2.山東黃金礦業股份有限公司新城金礦，山東 煙臺 261438)

爆破技術在礦山開采中應用廣泛，其成本低廉、適應性強、效率高，極大地提高了礦山經濟效益，給國家經濟建設帶來便利。然而，爆破也帶來了不同程度上的問題，其中以爆破振動最為嚴重。近年來，爆破振動影響的研究發展較快。譚忠盛等[1]分析了復線隧道施工爆破對既有隧道的影響因素，由數值分析得出危險區域分布；畢繼紅等[2]對既有隧道受鄰近隧道爆破振動影響進行了研究，指出隧道體系的振動速度是監測的一個重要指標；閆長斌等[3]采用FLAC3D數值模擬研究爆破振動作用對采空區的影響，發現爆破振動作用會改變圍巖應力場的分布形式和范圍，并增大了圍巖最大位移量，導致塑性區會擴大，其擴大幅度與動載荷幅值成正比，因而提出減少最大段藥量，以及微差爆破和加固支護等減災措施；姚東[4]研究了露天開采爆破振動對鄰近臺階邊坡穩定性影響，基于爆破振動監測數據，通過回歸分析法擬合得到邊坡質點振動速度和主頻計算公式，從而優化了爆破炸藥量；李懷賓等[5]基于爆破振動監測數據和薩道夫斯基經驗公式，研究了地下洞庫在開挖過程中，爆破振動對圍巖及支護工程的影響，對支護結構安全距離進行了確認；閆奇等[6]采用FLAC3D數值模擬研究了爆破振動以及靜載荷對大跨度鑿巖硐室穩定的影響，分析了靜載荷作用下的應力集中區域，進而優化爆破振動參數，減少爆破振動的影響；黃鵬睿[7]以爆破振動速度和頻率為重點，采用現場監測、數值模擬以及理論分析等多種手段，研究了露天礦山采場爆破對臨近黏土壩穩定性影響；邊境等[8]以云南某地下金屬礦為背景，利用薩道夫斯基公式回歸得到了爆破振動衰減規律，并分析了爆破振動對重要硐室的影響；李光全等[9]在某礦山中利用現場爆破振動監測試驗數據，基于膠結充填體振動安全設計了大爆破最大單發藥量，減小了爆破振動對充填體的影響；張金等[10]采用現場監測與數值模擬相結合的手段，使用薩道夫斯基公式回歸得到采場與充填體之間的爆破振動衰減規律，進而研究了采場深孔爆破對附近充填體穩定性的影響，以及優化的爆破參數，使爆破能量得到充分利用并保證了充填體的穩定性；俞祥杰等[11]等結合FLAC3D數值模擬與三維重構技術，更加直觀地展示出爆破對鄰近巷道的影響，并通過監測數據進行了驗證，進而研究發現了巷道迎爆側的損傷較為嚴重。

為了在得到更多回收礦石的同時保證永久性工程的穩定性，新城金礦擬在距主豎井50 m外進行礦體回采，并對距其39 m的盲豎井進行斷面刷大作業，以提高溜礦生產效率。主豎井作為新城金礦的永久性工程，需要嚴格保障其穩定性不受爆破振動的影響。因而，本文提出理論分析方法，對采場與盲豎井爆破參數進行初步估算，給出初步爆破設計方案，評估了主豎井附近爆破工程對礦山穩定性的影響。

1 新城金礦Ⅺ#礦體地質條件及主盲豎井現狀

新城金礦Ⅺ#礦體主要賦存于焦家主斷裂下盤的鉀化花崗閃長巖和絹英巖化花崗閃長巖中。碎裂巖為礦體主要頂板，強度最低，平均普氏系數f=4～6，屬于中等巖石和較堅固的巖石，但是其最低抗壓強度僅為130 kg/cm2，并且具有明顯的軟化性。絹英巖化花崗閃長巖為礦體底板及部分礦體，強度較高，普氏系數f=10～12，屬于很堅固的巖石。礦體回采時使用硝銨類炸藥中的2#巖石乳化炸藥(Φ32)，引爆方式為非電導爆管微差起爆。

新城金礦針對Ⅺ#礦體，在-450 m中段及-380 m水平對Ⅺ-1礦脈進行回采，在-330 m水平完成了該礦脈的開拓工程；在-530 m中段及-477 m水平對Ⅺ-2礦脈進行回采，在-422 m水平完成了該礦脈的開拓工程。采場與主豎井水平平均距離為220 m左右，處于依據規范圈定的保安礦柱邊緣。新的開拓工程及探礦工程表明，Ⅺ#礦體中-530 m中段礦脈較之前的圈定范圍有很大程度增加，導致Ⅺ#礦體的礦量從最初推測的169萬t增加到317萬t。

圖1為新城金礦工程概貌，虛線框中為主豎井底部附近XI#礦體。豎井底部標高-466 m，主豎井全深499 m。規劃的盲豎井為已有溜井刷大斷面，目前直徑1.4 m，預期在原有溜井基礎上通過爆破方式將溜井斷面擴大至直徑為4 m的盲豎井，目的在于將主豎井下部礦石直接通過盲豎井向上提升，減少運輸距離和成本。

圖1 新城金礦工程概貌Fig.1 Project overview of Xincheng Gold Mine

2 Ⅺ#礦體采場爆破振動對主豎井穩定性影響

2.1 爆破振動判據

薩道夫斯基M·A提出的爆破振動經驗公式被廣泛應用于工程穩定性分析，其表達式見式(1)。

(1)

式中：R為爆破振動安全允許距離；Q為炸藥量(齊發爆破時，Q為總藥量)；V為保護對象的質點振動安全允許速度；K和α為場地系數，取決于爆源和保護對象之間的地形、地質條件，可按表1選取，或通過現場試驗確定。

表1 爆區不同巖性的K值、α值Table 1 K and α values of different lithology in blasting area

2.2 采場爆破參數計算

1) 采場爆破所需最大炸藥量。通過地質調查可知Ⅺ#礦體基巖為較堅固的巖漿巖和變質巖，巖石硬度大，因而，根據表1可取K=50～150，α=1.3～1.5。對于礦山巷道，質點振動安全允許速度V=15～30 cm/s。根據式(1)并結合場地系數K和α的取值范圍以及礦山巷道質點振動安全允許速度可知，當K=150、α=1.3且V=15 cm/s時，采場爆破所允許的炸藥量最大為Qmax1=1 250 kg。因此，在距離豎井最近50 m處進行采場爆破，且所用炸藥總量不超過1 250 kg時，爆破振動不會對豎井產生影響。

2) 允許同時爆破采場數。多個采場同時回采能夠提高礦石回收產量，但可能對圍巖穩定性造成影響。因此，有必要提出基于爆破參數估算允許同時爆破采場數的估算方法。

采場或巷道爆破作業所用的炸藥量與巷道斷面大小關系見式(2)[12]。

Q=qSLη

(2)

式中：Q為炸藥量；q為單位炸藥消耗量；S為采礦或巷道斷面面積；L為炮孔平均深度；η為炮孔利用率。

由于巖層多變，炸藥單耗目前尚不能通過理論公式精確計算。在實際工程中，多采用經驗公式或查表來確定，本文采用修正的普氏公式計算炸藥單耗，見式(3)。

(3)

式中：f為巖石普式系數；K0為考慮炸藥爆力的校正系數(K0=525/p，p為爆力)。 值得注意的是，對于新城金礦采用的乳化炸藥，爆力p可取為300 mL，則校正系數K0=1.75。

由于Ⅺ#礦體采場寬4.5 m，分層高3.3 m(炮孔進尺)，可以求出斷面面積S=14.85 m2，結合絹英巖化花崗閃長巖的普式系數f=10～12(取為平均值f=11)，則由式(3)可以求出采用2#巖石乳化炸藥進行采場爆破的炸藥單耗q=1.66 kg/m3。

根據張燕軍等[13]的研究可知，新城金礦采場爆破過程中炮孔利用率η=65.3%～96.5%。為得到采場爆破所需要的最大炸藥量，可將新城金礦Ⅺ#礦體炮孔利用率η設為最大值96.5%，則結合上述已知條件可由式(2)得出一個采場所需炸藥量為Q1=78.5 kg。

設主豎井附近允許同時爆破的采場數為n，則為保證主豎井的穩定性，同時爆破采場數所需的炸藥量應不超過采場爆破最大允許炸藥量Qmax1，允許同時爆破采場數n可由式(4)進行確定。

n≤[Qmax1/Q1]([·]為取整函數)

(4)

根據式(4)得到n≤15，即在對Ⅺ#礦體進行回采作業時，最多允許15個采場同時進行回采爆破，以避免爆破振動對主豎井穩定性產生影響。

2.3 基于現場爆破振動監測數據的主豎井影響分析

為了分析本文提出的理論方法的有效性，有必要基于實測爆破振動監測數據進行理論分析結果的驗證。圖2為Ⅺ#礦體主豎井附近的爆破振動監測布置。

通過對現場爆破振動監測數據的回歸分析，得到了爆破振動衰減規律擬合公式，見式(5)。

(5)

由式(5)計算可知，當15個采場同時開采且采場所用炸藥總量不超過1 250 kg時，距離主豎井R=50 m進行礦體回采爆破，在主豎井處產生的質點振動速度V=3.3 cm/s，遠小于安全允許振速15～30 cm/s。實際上新城金礦一個采場所用炸藥量不超過20 kg，主豎井附近同時開采的采場只有2個。因此，新城金礦Ⅺ#礦體在主豎井50 m外進行回采爆破作業時對主豎井穩定性造成影響極小或不會造成影響，這說明基于本文理論方法評估爆破振動影響結果的正確性。

圖2 測點布置及爆破點位置對照圖Fig.2 Comparison diagram of measuring point layout and bursting point location

3 盲豎井爆破參數計算及其對主豎井影響分析

如圖2所示，擬刷大盲豎井與主豎井水平距離約39 m，目前直徑1.4 m，新城金礦預期在原有溜井基礎上通過爆破方式將溜井斷面刷大至直徑為4 m的盲豎井。采用2#巖石乳化炸藥(Φ32)的相關規格性能參數為[14]：藥卷直徑32 mm時，藥卷質量p=0.2 kg，藥卷長度m=0.2 m時，裝藥系數a=0.5～0.7。

3.1 盲豎井爆破參數計算

1) 盲豎井爆破所需最大總炸藥量。由盲豎井刷大導致的斷面積增量由式(6)進行計算。

(6)

式中，d0、d1分別為盲豎井擴大前后的直徑。

根據式(6)可得盲豎井需要刷大的面積S=11 m2；根據式(3)可得使用的2#巖石乳化進行盲豎井刷大時的炸藥單耗q=1.925 kg/m3。

設Qmax2為盲豎井爆破所需最大總炸藥量。依據盲豎井與主豎井之間的相對位置關系可知，兩者最近水平距離為39 m。為了滿足當在離主豎井最近采場進行爆破作業時，井筒不受其影響的前提條件，則需使爆破振動安全允許距離R≥39 m。基于式(1)計算可得當K=150、α=1.3且V=15 cm/s時爆破所需炸藥量達到最大值Qmax2=593.19 kg。這說明當在距離豎井最近處爆破，且所用炸藥總量不超過593.19 kg時，盲豎井爆破振動不會對主豎井產生影響。

2) 盲豎井爆破所需炮孔總數目。盲豎井一次爆破所需的總炸藥量Q依據式(2)確定以后，則可采用式(7)計算炮孔數目。

(7)

式中：N為炮孔數目；a為裝藥系數(一般為0.5～0.7)；p為每個藥卷質量；m為每個藥卷長度。

結合式(2)和式(7)可得炮孔數目與斷面面積等參數之間的關系式，即式(8)。

(8)

則盲豎井爆破所需最大的炮孔總數目Nmax見式(9)。

Nmax=

(9)

最小的炮孔總數目Nmin見式(10)。

Nmin=

(10)

因此，爆破盲豎井所需的炮孔總數目N=20～41個。

3) 盲豎井爆破單孔裝藥量。在盲豎井爆破中，新城金礦對炮孔布置進行了初步設計，即預裂孔間距設置為a=0.6 m，爆破孔排距Wp=0.8 m，炮孔長H=4 m。盲豎井爆破的單孔裝藥量可由式(11)進行確定[15]。

Q0=qWpaH

(11)

由式(11)及已知得Q0為3.696 kg。

3.2 盲豎井爆破振動對主豎井穩定性影響評價

結合前述得到的盲豎井爆破所需炮孔總數目N和單孔爆破裝藥量Q0，可知盲豎井爆破實際所需的總炸藥量，見式(12)。

Qt=Q0×N

(12)

通過式(12)計算可得Qt=73.92～151.54 kg，而通過薩道夫斯基公式計算得到的爆破所需炸藥量最大值Qmax2=593.19 kg，顯然有Qt

3.3 盲豎井爆破開挖后對主豎井影響的數值模擬分析

盲豎井刷大爆破振動對主豎井穩定性的影響，可以通過刷大過程中主豎井圍巖塑性區的變化來進行定量研究和判斷。本文基于有限差分軟件FLAC3D，對-380 m水平盲豎井刷大對主豎井穩定性影響進行模擬分析。

1) 模型簡介。根據主豎井與盲豎井實際位置圖形資料，采用Rhinoceros和Griddle(通用網格處理器插件)建立模型和劃分網格模型，最后導入FLAC3D軟件。采用地應力公式計算并施加邊界條件[16]，見式(13)和式(14)

σh,max=2.15+0.052 2H

(13)

σh,min=0.73+0.024 6H

(14)

式中：σh,max、σh,min分別為最大水平地應力、最小水平地應力；H為埋深(本文為410 m)。其中，最大水平地應力垂直于礦體走向，最小水平地應力平行礦體走向。

為簡化分析和計算，數值模型僅考慮主豎井、盲豎井和圍巖(模型尺寸100 m×100 m)，對于周圍復雜的礦體、巷道和水倉等工程不作考慮。二維平面應變模型如圖3所示。

2) 模型參數。基于現場3GSM結構面掃描和Hoek-Brown準則，估算的新城金礦巖體參數見表2。

圖3 FLAC3D平面應變模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of FLAC3D plane strain model

表2 巖體參數賦值Table 2 Rock mass parameter assignment

圖4 最大主應力分布Fig.4 Distribution of maximum principal stress

圖5 塑性區分布Fig.5 Distribution of plastic zone

3) 數值模擬結果與分析。圖4和圖5分別為最大主應力云圖和塑性區云圖。由圖4可知，盡管盲豎井刷大會導致其附近圍巖應力重分布，但對主豎井基本沒有影響。對比盲豎井刷大前后主豎井圍巖的塑性區(tension-p)范圍可知，盲豎井的刷大不會引起主豎井周邊出現更多的塑性區(圖5)，說明盲豎井斷面刷大不會影響主豎井的穩定性。這主要取決于三個方面：①盲豎井與主豎井距離相對較遠(39 m)；②盲豎井刷大斷面較小，從而引起的工程擾動較小；③圍巖條件較好，強度較高。

4 結 論

本文采用理論方法評估了新城金礦主豎井附近礦體回采及盲豎井斷面刷大過程中爆破振動對主豎井穩定性的影響，并對爆破參數進行了初步設計，主要結論如下所述。

1) 當在距離豎井50 m處進行采場爆破時，最大炸藥量不超過1 250 kg，允許同時爆破采場數不超過15個時，采場爆破振動不會對主豎井安全產生影響；結合現場監測得到的爆破振動衰減規律分析驗證了本文提出的理論方法的有效性。

2) 評估了盲豎井刷大過程中爆破振動對主豎井安全的影響，得到了盲豎井爆破所需的最大允許總藥量、炮孔總數和單孔裝藥量；通過對比分析盲豎井爆破所需的炸藥量與最大允許總藥量之間的關系以及數值模擬結果表明，盲豎井刷大不會對Ⅺ#礦體主豎井穩定性產生影響。

3) 由于現場爆破振動監測持續時間長、數據分析復雜，基于本文提出的理論分析方法可為爆破振動影響的快速評價和爆破參數的初步設計提供可行的手段。