基于爆破振速演變規律的采場安全分析

林之岳 黎俊華 王道林

摘要：在金屬礦資源回采過程中，井下采場爆破對地表建（構）筑物、堤壩及邊坡等穩定性帶來嚴重威脅，尤其對于賦存有高陡邊坡的露天地下聯合開拓礦山。針對永平銅礦面臨的井下礦體回采爆破與臨近高陡邊坡穩定性之間的矛盾，開展了地表及井下爆破振動監測，按照振速統計分析原理及薩道夫斯基經驗公式，分析并得出了爆破引起的質點振動特性及振速衰減規律，在多數測點所測得的最大振速普遍分布于0～1 cm/s，主頻分布在0～150 Hz。并按照邊坡巖體的爆破地震波衰減規律和當地的地震烈度，確定了Ⅳ號礦體不同采場生產所允許的最大單段藥量，為礦山的安全生產提供理論和實踐依據。

關鍵詞：爆破；爆破振動；振速；振動監測；邊坡；安全

中圖分類號：TD853文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2023）03-0005-07doi：10.11792/hj20230302

引 言

隸屬于江西銅業股份有限公司的永平銅礦，為一座現代化大型露天-地下聯合開采礦山，目前礦山整體規模達10 000 t/d，其中，露天和地下各為5 000 t/d。經過多年的露天開采后，形成了最大垂直高度達444 m的深凹露天礦坑，其中154 m水平以下、1勘探線—15勘探線西部鄰近高陡邊坡周圍賦存了大量銅礦石資源。近年來，隨著露天淺部資源的消耗殆盡，礦山整體生產能力受到嚴重制約，穩定生產甚至達產均難以得到保證。為保證穩定的礦石產量和最大限度回收礦產資源，亟須對鄰近高陡邊坡的礦產資源（以Ⅳ號礦體為主）進行回采。然而，隨著礦山開采深度的增加和工程地質條件的改變，高陡邊坡局部已有滑塌破壞等風險出現^［1］；另一方面，陡幫上仍需保留礦石運輸道路及防洪設施等。在此條件下，對鄰近高陡邊坡的Ⅳ號礦體進行地下回采時，勢必會對高陡邊坡帶來難以預測的安全風險。因此，研判Ⅳ號礦體回采對高陡邊坡的安全穩定性影響，并據此制定相關解決對策是安全回采Ⅳ號礦體的重中之重^［2］。

爆破作業作為露天礦山生產的主要工序，是開采過程中對邊坡帶來擾動的主要因素之一^［3］。尤其是永平銅礦露天高陡邊坡屬于順層巖質邊坡，在爆破作用下極易產生后沖裂隙和層裂破壞，從而使爆破作用對邊坡穩定的影響主要表現在2個方面：一是爆破層裂作用使滑面上的抗滑段長度減少，降低抗滑力，又增大了地表水侵入后的浮力；二是爆破地震波引起邊坡的水平向振動（振動慣性力），導致邊坡的下滑力增大、抗滑正壓力減小^［4］。這兩方面的共同作用將降低邊坡的安全系數，導致邊坡的失穩滑坡。因此，有必要通過對爆破振速的現場監測，獲得爆破地震波沿邊坡橫向不同位置處的巖體質點振動速度或加速度在時域、頻域上的變化特征，確定礦山生產爆破對邊坡穩定性的影響程度，為礦山安全生產、邊坡維護及制定合理、可行的爆破方案提供科學依據^［5］。

有鑒于此，本文針對礦山目前的生產現狀與高陡邊坡特點，采用與爆破點對應、垂直邊坡走向布置振動測點的方式進行爆破地震效應試驗，利用質點振動速度測量系統獲得各次地震波波形及邊坡質點振速，進而按照統計分析原理及薩道夫斯基經驗公式，分析爆破引起的質點振動特性及振速衰減規律。按照邊坡巖體的爆破地震波衰減規律和當地的地震烈度，確定Ⅳ號礦體不同采場生產所允許的最大單段藥量，為該礦山的安全生產提供實踐依據。

1 現場爆破振動監測

1.1 工程概況

永平銅礦Ⅳ號礦體走向北北東，傾向東，傾角以60°～70°為主，形態為似層狀及透鏡狀，地下開采標高為200～-200 m，首采中段設置在-50 m中段，目前回采中段為0 m中段，開拓中段為-200 m中段。礦體圍巖上盤為綠泥石，下盤為混合巖，巖石總體穩固性屬中等。0 m中段礦體長約626 m，如圖1所示，劃分為12個盤區，每個盤區的長度為50 m，采場沿走向布置，其采礦方法為分段空場嗣后充填采礦法。鑿巖爆破過程中，主要采用76 mm孔徑的上向扇形孔進行微差起爆，裝藥臺車填裝乳化炸藥，每次起爆2～3排炮孔，炮孔排距1.5～2.0 m，孔底距2.0～2.5 m。落礦后進行通風、排炮煙、撬頂平底、支護等工序，礦石通過鏟運機輸送到采場溜井。礦井通風時，新鮮風流由中段巷道經人行通風斜巷進入回采作業面，污風排到上中段，匯入總回風系統，排出地表。為加快爆破炮煙排出，在回采采場上部回風充填道安放局扇加強通風。

1.2 測點布置

1.2.1 井下測點布置

Ⅳ號礦體東側緊鄰F₂斷層，由于該斷層的存在會導致爆破振動效應的影響范圍變廣、持續時間變長，因而需要擴大爆破振動監測范圍，在相鄰的4個采場即4，5，6，7采場分別設置爆破1測點～4測點，如圖2所示。

1.2.2 邊坡測點布置

為了測得不同藥量下各測點的爆破振動，分析爆破動載作用對西部邊坡穩定性的影響，擬監測W4～W8礦塊對應邊坡上各測點的爆破振動。結合礦山基礎設施布置情況與臺階是否可到達，進行爆破振動測點布置（如圖3所示），測點位置信息如表1所示。

1.3 測量過程

使用的儀器為Blast-UM型爆破測振儀。為得到足夠數據進行回歸分析，擬合出適用于永平銅礦Ⅳ號礦體0 m中段采場和西部邊坡的薩道夫斯基經驗公式^［6］，根據采場及西部露天邊坡測點分布情況，監測安排如表2所示。

露天邊坡與0 m中段布置的測點分為4批次，每個測點測2次，因而需要測試8次，具體測量步驟如下：

①測繪技術員于邊坡放點，確定各個測點在西部邊坡的具體位置，放點如圖4-a）所示。②尋找基巖并清理測點處的碎石及泥土，倒適量黏結劑于測點并加水攪拌，待具有一定流動性后，將接好數據傳輸線的傳感器置于拌合物上，使傳感器上的氣泡位于圓圈內，并用手機的指南針功能確保傳感器表面標示“X”為北，固定傳感器15 s，待其穩定后松開，如圖4-b）所示。③將傳感器通過數據傳輸線連接測振儀主機，開機后檢查Tr值是否為0，當Tr≠0時，重啟主機；當Tr為0時，用傳輸線連接筆記本電腦與測振儀主機，實時讀取西部邊坡在未起爆時的振動速度，數據如表3所示；將Tr值設為0.017 cm/s作為觸發值，并設置進入監測狀態，如圖4-c）所示。④輕敲傳感器上部，觀察主機是否記錄數值，當有數據記錄后即為設定成功，而后將主機置于儀器箱內，避免塊石滾落對儀器產生影響，如圖4-d）所示。當敲動無數據記錄時，需重復第②步操作。

2 爆破振動測試數據與分析

爆破地震波在地層中傳播是一個十分復雜的力學過程，它受炸藥性能、藥量、裝藥結構、起爆方式等多種因素的影響^［7］。爆破振動測試所獲取的主要指標是爆破振動的時程波形及主要特征值，從這些測試結果分析爆破地震波在介質中的傳播及衰減規律，從而分析出爆破振動效應對邊坡的影響。國內普遍應用的是薩道夫斯基經驗公式^［8］：

式中：v為質點最大振速（cm/s）；Q為最大單段藥量（kg）；R為測點離爆心斜距（m）；K為場地影響系數；α為地震波衰減系數。

將爆破測振儀布置于設定的測點，爆破測振儀所測得的振動波形如圖5所示，測試數據如圖6所示。采用薩道夫斯基經驗公式進行擬合，得到不同方向的振速。結果表明：大多數測點所測得的最大振速普遍分布于0～1 cm/s，僅于W4測得的最大振速較高，為5～6 cm/s；對于主頻分布，多數測點所測得的主頻分布在0～150 Hz，在W6測點測得的主頻近250 Hz。

根據測振儀在各測點測得的爆破數據，以及測得的直線距離，代入式（1）求解得到x、y、z和矢量合成方向的K值和α值，擬合所得的薩道夫斯基經驗公式如下：

1）井下各方向爆破振動擬合。

3 西部邊坡爆破振動分級

3.1 開采單段藥量確定

GB 6722—2014 《爆破安全規程》中，永久性巖石高邊坡爆破振動的安全允許標準如表4所示。由于西部邊坡在爆破時的振動頻率主要集中在10～50 Hz，故選擇振動速度v=8～12 cm/s^［9］。根據永平銅礦西部邊坡巖體的完整性，為避免運礦公路和水溝因爆破振動而受到損壞或堵塞，結合表5所示不同類型巖石中的建筑物允許振動速度分級，選擇邊坡允許振速v=8.0 cm/s。

將允許振速和各礦塊與邊坡距離代入矢量合成后的公式，得到各礦塊最大單段藥量如表6所示。

根據已有爆破設計資料，Ⅵ號礦體0 m中段開采時，切槽爆破最大單段藥量為140 kg，礦柱回采深孔爆破最大單段藥量為286 kg。結合表6可得，采用現在的爆破工藝，Ⅳ號礦體0 m中段可采礦塊為W0～W8，W9開采時需降低單段藥量或采取減振技術，W10和W11因需將礦體留設為境界礦柱而不適合開采^［10］。

3.2 邊坡振速安全分級

為給現場設計提供爆破設計基礎，以礦柱回采時最大單段藥量286 kg為基礎，根據振動速度值進行安全等級劃分，得到W0～W9邊坡對應安全等級，劃分規則如表7所示。各礦塊相應邊坡在不同單段藥量下安全距離如表8所示。

依據表7中根據振動速度進行的安全等級劃分和表8中不同振動速度下爆破作業點與邊坡坡面的安全距離，W0～W11各階段礦塊與邊坡安全劃分區域的位置關系如圖7所示。

根據圖7中W0～W11礦塊與Ⅰ級安全區、Ⅱ級安全區、Ⅲ級安全區、危險區的位置關系，再綜合W10、W11礦塊與邊坡的最小安全距離小于最小爆破安全距離，即0 m、50 m、100 m、150 m 4個中段各礦塊在采用現有鉆爆開采條件下各礦塊的安全等級如圖8所示。從圖8可以看出：0 m中段和50 m中段W0～W9礦塊、100 m中段和150 m中段W0～W6礦塊的安全等級為Ⅰ級，可使用現有采礦工藝開采；100 m中段和150 m中段W7礦塊的安全等級為Ⅱ級，使用現有采礦工藝開采時需根據邊坡現場情況進行調整，如增加爆破段數或采取密集空孔爆破、預裂爆破、緩沖爆破、切槽爆破等減振控爆技術^［11］；0 m中段和50 m中段W10～W11礦塊、100 m中段和150 m中段W8～W11礦塊的安全等級為危險，采用現有開采工藝將可能導致西部邊坡出現大塊巖石垮落及邊坡滑移，損壞、堵塞邊坡布設的運礦公路和水溝，且影響露天和井下的安全生產，帶來安全隱患^［12］。

4 結 論

對永平銅礦Ⅳ號礦體邊坡爆破進行了研究，得出了爆破振動在該礦山邊坡中的衰減規律。從各自的衰減規律中結合巖體的物理力學性質提出了臨近邊坡爆破的允許最大單段藥量，并劃分了邊坡振速安全等級，為礦山生產爆破設計提供依據。得到的具體結論如下：

1）根據測振儀在各測點測得的爆破數據，擬合得到了露天和井下爆破振動的薩道夫斯基經驗公式，且擬合值均在0.8以上，擬合效果較好。

2）根據永平銅礦西部邊坡巖體的完整性，為了避免運礦公路和水溝因爆破振動而受到損壞和堵塞，選擇邊坡允許振速v=8.0 cm/s。將允許振速和各礦塊與邊坡距離代入矢量合成后的公式，得到各礦塊最大單段藥量。結果表明：從W1～W11所允許的最大單段藥量逐漸減小。

3）根據不同振動速度下爆破作業點與邊坡坡面的最小安全距離，對W0～W11各階段礦塊進行爆破振動安全分級。0 m中段和50 m中段W0～W9礦塊、100 m中段和150 m中段W0～W6礦塊的安全等級為Ⅰ級，可使用現有采礦工藝開采；100 m中段和150 m中段W7礦塊的安全等級為Ⅱ級，使用現有采礦工藝開采時需根據邊坡現場情況進行調整；0 m中段和50 m中段W10～W11礦塊、100 m中段和150 m中段W8～W11礦塊的安全等級為危險，需另外選擇合理的采礦方法。

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Stope safety analysis based on blasting vibration velocity evolution law

Lin Zhiyue1，Li Junhua2，Wang Daolin3

（1.Yinshan Mining Co.，Ltd.of JiangXi Copper Corporation Limited;

2.Yongping Copper Mine of Jiangxi Copper Corporation Limited;

3.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：In the process of recovering metal ore resources，underground stope blasting poses a serious threat to the stability of surface structures （buildings），dams，and slopes，especially for open-pit joint development of mines with high and steep slopes.In this paper，based on the contradiction between the mining and blasting of the underground ore body faced by the Yongping Copper Mine and the stability of the nearby high and steep slopes，the vibration monitoring of the surface and underground blasting is carried out.The particle vibration characteristics and vibration velocity attenuation law caused by blasting are obtained based on vibration velocity statistical analysis principles and the Sadovsky formula，and it is concluded that the maximum vibration velocity measured at most measuring points is generally distributed in 0-1 cm/s，and the main frequency is distributed in 0-150 Hz.According to the blasting seismic wave attenuation law of the slope rock mass and the local seismic intensity，the maximum charge per section allowed for the production of the No.IV ore body in different stopes is determined，which provides a theoretical and practical basis for the safe production of the mine.

Keywords：blasting;blasting vibration;vibration velocity;vibration monitoring;slope;safety