減振孔對寺廟減振效果的應用與研究

王銀濤，劉 堅，劉敬智，李銀忠

(1.北方爆破科技有限公司，北京 100089;2.萬寶礦產有限公司，北京 100053)

爆破振動是爆破工程施工引起的多種危害中最難以避免的，因此爆破振動控制往往成為爆破安全工作中最主要的一個環節。爆破振動可以采用多種手段進行控制與削弱，既包括調整相關爆破參數、控制延時時間等主動控制手段，也包括預裂爆破、開挖減振溝與減振槽、安裝減振管等被動降振方法[1]。

很多學者認為減振溝能加快爆破地震波的衰減，使地震波能量降低[2-5]，開挖減振溝適用于爆源與被保護對象間存在易開挖巖土層的情況，是一種效果顯著的降振方法。但是當爆源中心與被保護對象中間為不易開挖的巖石和土層時，在爆源與被保護物體中間安裝減振管可以顯著降低爆破振動。通常認為，減振管的減振原理與減振溝或預裂帶的減振原理類似，都是在被保護物與爆破振源之間形成一道“人造”屏障，改變爆破地震波傳播介質的波阻抗。

巖石中爆炸應力波分為表面波和體波，減振管對體波的削弱原理是通過減振管阻隔和吸收體波的能量，穿過減振管的波能量越大衰減作用越明顯。體波的衰減主要與減振管的長度有關，在炮孔深度一定的情況下，減振管長度越大、間距越小，體波能衰減越多，減振效果越好;減振管直徑對體波的衰減影響較小[6]。與體波相反，表面波在垂直方向以極快的速度衰減，根據表面波傳播特性，其傳播至減振管后，會沿著減振管的管壁傳播，在減振管管壁的兩側會發生反射，減振管減振原理如圖1所示。

圖1 減振管減振原理Fig.1 Vibration of damping principle

有減振管和無減振管相比，表面波的傳播路徑發生了改變，假設沒有減振管時，炮區中心到振動測試點的表面直線距離為R，當施工減振管后，炮區中心至測點表面波傳播的距離為R+2L，其中L為減振管的長度。即減振管的存在使表面波傳播的距離增加2L，因此有減振管時表面波引起的質點振動速度計算為

(1)

式中：v為質點峰值振速，cm/s；Q最響大單藥量，kg；R為測點與爆源距離，m；L為減振管的長度，m；K為測點和爆源間地形的相關系數；α為地質相關的系數和衰減系數。

減振管的直徑(類似于減振溝的寬度)和長度(類似于減振溝的深度)是有限的，地震波總能繞過它而繼續傳播，因此減振的范圍是有限的。同時減振管之間存在一定間距，地震波會從2個減振管中間區域穿過，也會影響減振管的減振效果。

以緬甸萊比塘銅礦為例，制定含水土層的減振管施工方法，利用MATLAB分析減振管施工后爆破振動監測數據，確定減振管的減振效果，重新擬合薩道夫斯基公式，研究爆破振動變化規律，為緬甸萊比塘礦山控制爆破區域的重新劃分提供指導參考。

1 工程概況

緬甸萊比塘銅礦是我國一帶一路建設的重點項目之一，礦山位于緬甸中部城市蒙育瓦，是世界有名的特大型銅礦。緬甸萊比塘銅礦開采設計邊坡高度15 m，炮孔垂直方向深度約為17 m。設計孔網參數分為2種，在廢石區域和高黏土礦石區域為9.0 m×7.0 m，其他區域為8.0 m×6.0 m，個別區域隨生產需要及時調整。緬甸萊比塘銅礦區北側200 m左右有一個磚混結構寺廟，礦區頻繁爆破施工引發的爆破振動給寺廟產生了一定影響，為降低寺廟處爆破振動，需采取特定控制爆破措施。

2 減振爆破施工工藝

2.1 爆破振動控制區域劃分

根據相關規定[7]，考慮到寺廟為特殊建筑，其允許最大振動速度峰值嚴格控制在5 mm/s以內，參照薩道夫斯基公式(式2)可計算質點振動速度。

(2)

根據在寺廟固定測點測得爆破振動測試數據，利用式(2)進行擬合可得到寺廟處測點爆破振動速度衰減計算式：

(3)

因此，根據上述公式計算得到不同距離處允許最大單響藥量如表1所示。

表1 不同距離處允許最大單響藥量

在實際施工過程中，單個炮孔最大裝藥量為500 kg左右，綜合考慮各種因素，將距離寺廟450 m范圍內的區域劃定為特殊爆破振動控制區域范圍。在此區域內爆破施工對爆破振動控制要求嚴格，需采取一定的爆破振動控制措施，保證被保護對象(寺廟)不受影響。

2.2 爆破振動控制區域爆破施工工藝

主要爆破參數為:①炮孔直徑φ250 mm：②線裝藥量45 kg/m (現場混裝多孔粒銨油炸藥)和70 kg/m(現場混裝乳化炸藥)；③每次起爆3～5排，逐孔延時起爆，起爆順序根據現場實際情況采用對角(斜線)、V型、掏槽等3種方式，其中對角起爆居多。

連續裝藥結構時，采用毫秒延時導爆管起爆網路，孔內延時500 ms，孔外孔間延時42 ms，排間延時100 ms，起爆方式為逐孔起爆；間隔裝藥結構時，采用毫秒延時非電導爆管起爆網路，孔內上段延時450 ms，下段延時500 ms，地表網路與連續裝藥網路相同，同樣為逐孔起爆方式。

考慮開挖設備及鉆孔設備工作要求以及現場實際情況，將控制爆破區域施工工藝分為水孔區域和干孔區域，具體施工工藝參數如表2所示。

表2 爆破振動控制區域參數

2.3 現場施工存在問題

1)隨著礦山采剝總量的逐漸增加，上述爆破施工工藝因為施工過程復雜，施工進度緩慢，爆破總量已經滯后于采剝總量，所以有必要采取“一勞永逸”的方法，徹底解決寺廟振動超標的問題。

2)為了解決寺廟振動超標的問題，計劃在寺廟南側布設減振孔隔振措施，但是在進行減振孔鉆孔作業時發現孔內有水，減振效果不明顯。于是提出在孔內設置空心橡膠管增大減振效率的施工方案，考慮到空心橡膠管的水浮力作用，吊裝下管作業時遇到了挑戰。

3 減振孔施工及減振效果試驗

3.1 寺廟減振孔的施工

在寺廟附近進行減振孔施工，不僅可以解決寺廟振動超標的問題，又可以加快爆破施工進度。根據專項施工方案，在寺廟圍墻外側布設3排減振孔，鉆孔孔徑250 mm，孔深18.5 m，孔距2 m，排距2 m，與寺廟圍墻平行。

考慮到橡膠管(HDPE)底部已經做了密封處理，施工過程中利用橡膠管內注水方法讓橡膠管自然沉降，然后在橡膠管與外側孔的縫隙中充填細沙讓其固定，然后利用潛水泵將管內水抽出，孔口采用專用材料封堵，形成空心隔振管。

3.2 減振孔施工前后爆破振動信號監測

為了對比礦區北側寺廟爆破振動效應，分別在減振孔施工前后進行了爆破振動衰減規律現場測試。爆破振動監測點布置如圖2所示，其中1#、2#車墊距離最近減振孔距離都為2 m，共進行了8次爆破振動監測試驗，每次爆破用3臺TC-4850振動檢測儀器和計算機分析軟件進行現場實時檢測，總共測出爆破振動數據24組。

圖2 測點布置Fig.2 Layout of measuring points

3.3 減振孔施工完成后減振效果對比

本次試驗共設置3排減振孔，為了對比施工減振孔前后的減振效果，采用峰值爆破振動速度減振率ε來表示減振孔對爆破振動強度的減弱效果：

(4)

式中：P1為1#測點(減振管施工前)的峰值振動速度；P2為2#測點(減振管施工后)峰值振動速度。

1#測點與2#測點在直線距離為10 m，相對于600 m以上的總距離可以忽略兩測點的距離差，P1與P2可以認為為同一測點。施工完成后，在1#、2#、3#測點連續測試3組數據，具體數據如表3所示。

表3 測點測試數據及減振率計算結果

實際減振率ε的平均值為18.13%，說明減振管減振效果明顯，而且對600 m以外的爆破振動源仍有很好的減振效果。

3.4 爆破振動數據回歸分析

利用MATLAB軟件中自帶regress函數進行非線性回歸分析，根據1#測點和2#測點的數據，分別對其進行非線性回歸分析確定K、α值，得到重新擬合的薩道夫斯基公式：

(5)

(6)

計算得到r1=0.914、r2=0.847，說明擬合度較高，擬合公式基本上能反應真實水平。假設單孔裝藥量為500 kg，根據式(3)、重新擬合的式(5)(1#測點—通過減振孔前)、式(6)(2#測點—通過減振孔后)繪制距爆源距離R在300～800 m范圍內的距離—振速關系對比圖(見圖3)。對比式(3)和式(5)擬合曲線可以看出，2條曲線基本上重合，但是考慮1#測點位置相比寺廟的位置距離爆源更近，所以式(5)所對應的曲線數值要偏大一些；對比式(5)和式(6)的擬合曲線可以發現隨著爆源與寺廟距離的增加，減振孔對爆破振動減振效果逐漸減小，說明距離寺廟300～450 m范圍內的減振效果更加理想，近距離的爆破減振效果可達20%～25%。

圖3 減振效果對比Fig.3 Comparison of damping effect

3.5 爆破振動控制區域重新劃定

在爆破施工過程中，單個炮孔最大裝藥量為500 kg左右，在布設3排減振孔之后，利用薩道夫斯基公式非線性回歸分析方法重新得到新的K、α的值，可重新將距離寺廟350 m范圍內的區域劃定為爆破振動控制區域(見圖4)。減小爆破振動控制區域的面積，對提高爆破開采效率具有重要意義。

圖4 爆破振動控制區域重新劃分Fig.4 Repartition of blasting vibration control area

4 結論

1)針對爆破振動對寺廟造成的影響，劃定控制爆破區域，提出分層裝藥、間隔爆破施工工藝，雖然施工過程復雜，但對保護寺廟安全是一種有效的保護措施。

2)考慮到礦山實際情況，針對減振孔在含水地層中的不利效果，提出插入空心減振管的工藝方法，并采用先在減振管中注水下沉，然后管外填沙，再抽排管內水，實現了空心減振管的設計原則。此施工方法既加快了減振孔施工進度，又保證了減振孔的降振效果。

3)實施減振孔后，測點的爆破振動峰值速度的平均減振率達到18.13%，說明減振孔對爆破振動有明顯的減振效果。

4)根據減振孔施工前后振動速度衰減關系比較，隨著爆源與寺廟距離的增加，減振孔對爆破振動減弱效果逐漸減小，相比而言近距離的爆破減振效果更加理想。在布設3排減振孔之后，根據試驗結果，可將控制爆破振動控制區由原來距離寺廟450 m范圍縮減為350 m，這對提高爆破開采效率具有重要意義。