中深孔爆破振動傳播特性分析與控制

汪志國　賈旭峰　趙龍　李政偉

摘要：爆破振動是引起地下礦山巖體失穩的重要原因，掌握爆破振動傳播特性，有效控制爆破振動危害，對礦山安全高效生產具有重要意義。為研究金山金礦灣家塢礦區中深孔爆破對采場周邊構筑物的影響，開展爆破振動測試工作。對采集的爆破振動信號，從爆破振動強度、頻率、時間等方面進行綜合分析，并建立灣家塢礦區爆破振動強度的傳播模型。確定了中深孔爆破振動影響范圍，獲取了允許的最大單段藥量計算方法，優化了排間微差起爆時間，使中深孔爆破參數更為合理，確保采場周邊運輸巷道、硐室等構筑物巖體的穩定性，進而實現礦山綠色、安全、高效的生產目標。

關鍵詞：中深孔爆破；爆破振動；傳播特性；參數優化；安全控制

中圖分類號：TD235文章編號：1001-1277（2023）09-0036-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230906

引 言

爆破是采礦生產工藝的關鍵環節，爆破效果直接決定礦山的生產能力和生產效率，而爆破誘發的爆破振動容易對周圍構筑物和設施造成安全危害。隨著采礦工藝和設備的不斷革新，中深孔爆破依靠自身的優勢被廣泛地應用于地下礦山開采，在增加落礦效率、減小采礦成本的同時，也給周邊構筑物的安全性與巖體穩定性帶來一定程度的威脅。中深孔爆破具有一次炸藥用量多、崩礦規模大、爆破效率高的特點，但同時也存在爆破危害大、影響范圍大、安全管理難度大等問題。爆破振動衰減規律主要受爆破條件、巖體條件、場地條件及爆源相對位置關系等因素影響［1］。研究爆破振動波傳播規律是控制爆破振動負面效應的基礎［2］，很多專家、學者都已針對性地進行了相關研究。汪平 ［3］為了控制爆破施工對建（構）筑物影響，采用現場監測與數值模擬結合的方法，進行爆破振動傳播規律及預測研究。SLOBODAN等［4］分析了爆破振動安全距離問題，研究了爆破振動對現場作業的不利影響。王雨波等［5］分別從近爆心和遠爆心的振動衰減規律對爆破參數進行優化，指導礦山爆破減振作業。陳慶凱等［6］通過現場實測數據擬合比較，得出了更為合理的質點振動速度公式，并對爆破地震波特性進行分析。王先義等［7］提出了建立以質點振動速度峰值為主、振動波頻譜和振動傳播時間為輔的多參數安全判據。

在上述研究基礎上，本文結合中國黃金集團江西金山礦業有限公司（下稱“金山金礦”）灣家塢礦區現場工程概況，設計并開展中深孔爆破振動監測。通過對監測數據回歸分析，建立灣家塢礦區爆破振動強度傳播模型，綜合分析爆破振動強度、主振頻率、持續時間的影響，確定爆破振動影響范圍，優化爆破振動參數，對爆破振動危害進行有效控制。

1 工程概況

金山金礦位于江西省德興市，隸屬于中國黃金集團有限公司，1987年投產，經幾次改擴建，現黃金產量1.2 t/a。為提高礦山生產能力，通過采礦方法革新，在淺孔房柱采礦法開采的基礎上，開展了中深孔分段空場嗣后充填采礦法試驗研究。

中深孔分段空場嗣后充填采場位于灣家塢礦區Ⅵ礦體，布置在307勘探線—311勘探線、-130 m～-155 m中段，礦體平均厚度24 m，采場礦段礦體及其頂板圍巖巖性基本一致，以蝕變超糜棱巖、硅化砂質千枚巖、蝕變千枚巖為主，礦巖呈漸變過渡關系。試驗采場礦石平均品位2.21 g/t，礦石量256 455 t。同一礦塊分為下、中、上盤3個豎分條采場，先采中間豎分條采場，膠結充填后，再采上、下盤分條采場。采場炮孔采用扇形布置，炮孔直徑65 mm，排距1.4 m，孔底距1.5 m，炸藥單耗0.65 kg/t，裝藥系數0.85，散裝膨化硝銨炸藥，BQF-100型裝藥器裝藥，單排炮孔總裝藥量355 kg左右，排間微差爆破，一次起爆5～6排炮孔。

2 爆破振動測試系統與方案

2.1 測試系統

爆破振動監測選用成都交博科技有限公司生產的L20智能記錄型爆破測振儀，監測系統由5臺測振儀組成，測振儀包括數據記錄儀和傳感器，傳感器可同時接收3個方向振動信息。L20測振儀通過測取質點的振動速度、頻率等描述爆破振動的信息，爆破振動速度量程為0.001～35.5 cm/s，頻率為1～500 Hz，采樣頻率為1～50 ksps，測量精度5 %，可精準采集工程爆破振動信息。

2.2 測試方案

針對連續2次的采場中深孔爆破分別進行振動效應測試，每次測試布置5個監測點。根據灣家塢礦區-155 m中段工程分布情況，分別進行了布線布點規劃，第一次測試以爆源為中心，在-155 m中段309勘探線—315勘探線布置監測點，測點與爆源近似在一條直線上；第二次測試以爆源為中心，在-155 m中段303勘探線—309勘探線布置監測點，測點與爆源近似在一條直線上，此次測線布置方向與第一次爆破試驗相反，具體見圖1。

3 測試結果與分析

3.1 測試結果

通過對中深孔爆破振動的測試，獲得10個測點爆破振動數據，監測信息包括質點振動速度、頻率和時間等。傳感器的水平徑向（x）與巷道軸向平行、水平切向（y）與巷道軸向垂直、垂直方向（z）與巷道底板垂直的振動速度和主振頻率測試結果見表1。

3.2 數據分析

國內外研究表明，爆破振動對構筑物的危害程度與振動強度、振動頻率和振動持續時間密切相關。在分析爆破振動效應時，需綜合考慮上述因素，灣家塢礦區中深孔爆破振動持續時間為0.5 s左右，即使所用雷管段數增加，也不會超過數秒，遠小于天然地震持續的時間。因此，在分析爆破振動危害時，重點放在振動強度和振動頻率方面。根據GB 6722—2014《爆破安全規程》［8］，被保護對象所在地基礎質點峰值振動速度和主振頻率見表2。

1）爆破振動強度。在分析爆破振動特性過程中，一般以爆破引起的巖體質點峰值振動速度表征爆破振動強度。在相同的爆破方式與巖體介質條件下，爆破振動強度與單段最大藥量和爆源至測點的距離

密切相關。研究人員根據現場爆破試驗與以往工程經驗建立了質點振動速度與炸藥量、爆心距之間的關系，現階段主要采用薩道夫斯基公式：

式中：v為質點峰值振動速度（cm/s）；Q為單段炸藥量（kg）；r為爆心距（m）；K為與爆破條件有關的系數；α為與傳播介質有關的系數。

對式（1）兩側取對數得

據最小二乘法回歸原理，得到K、α、r2的計算公式。其中，K、α值的確定是通過大量現場試驗，對測試數據經數值統計、分析而得到的；r2是相關系數的平方，表明擬合結果的可靠程度。

中深孔爆破振動影響井下周邊巷道、硐室和新澆大體積混凝土等構筑物的穩定性，因此，本次研究主要分析水平徑向（x）、水平切向（y）、垂直方向（z）的質點振動速度。將表1中的爆破振動速度數據進行整理，利用最小二乘法進行擬合計算，得到水平徑向（x）、水平切向（y）、垂直方向（z）的爆破振動強度傳播數學模型，具體如下：

垂直方向（z）：K=121.26，α=1.730 7，r2=0.958 2。

基于上述3個方向上的爆破振動強度傳播計算結果，可得爆破振動速度與比例藥量的線性回歸曲線。其中，橫軸為比例藥量，縱軸為質點峰值振動速度，比例藥量為單段最大藥量與爆心距的比值，線性回歸曲線具體見圖2～4。從回歸分析結果可以明顯看出：爆破振動測線的水平徑向、水平切向和垂直方向峰值振動速度傳播規律擬合系數均在0.9以上，擬合效果較好，表明振動監測數據具有較高的可靠性，同時也說明了薩道夫斯基公式的適用性。

2）爆破振動頻率。質點峰值振動速度對應的頻率即為主振頻率，簡稱主頻。當爆破振動波的主振頻率等于或接近建筑物自振結構的自振頻率時，會因共振而導致振動成倍增強，進而可能使結構局部或部分開裂破壞或失穩。從振動響應方面分析，不同構筑物或結構體有不同的固有頻率，考慮振動破壞效應時，應包括頻率參數。振動波頻率越高，偏離構筑物的固有頻率越遠，結構的動力響應就越小，即振動對構筑物的潛在危害就越小。

本次中深孔爆破振動監測結果顯示，頻帶分布廣泛，為40～350 Hz，但主振頻率集中在86.8～172.5 Hz。根據實測爆破數據對主振頻率進行分析，結果見圖5。由圖5可知：在爆破近區，隨爆心距的增加，水平徑向（x）、水平切向（y）、垂直方向（z）的主振頻率快速衰減，當爆心距超過90 m時，主振頻率衰減有所減緩。礦山巷道、硐室等構筑物的固有頻率很低，一般不超過10 Hz，不會出現共振引起的破壞現象。

3）爆破振動危害控制。爆破地震安全問題，是爆破作業不能回避的，相關的規程、手冊均有專門的規定并給出了安全標準，一般可根據經驗公式預估給定藥量的安全距離和給定距離的安全藥量。地下礦山根據開采的需要，各類井巷工程的布置一般很復雜，其中不少工程服務周期長；另一方面，各礦山的爆破參數、場地條件及礦巖性質有自身的特定性，因此，通過現場實測爆破振動數據，計算爆破震動波傳播規律，評價振動效應更具有實際意義，由此確定的爆破安全藥量、安全距離也更具有實用性，也有利于更有效地控制爆破振動的危害。

在分析礦山巷道爆破振動危害時，由于巷道頂板、邊幫具有臨空面，同時，易產生破壞失穩，因此，著重研究巷道徑向和豎直方向的爆破振動效應。在當前中深孔爆破參數不變的情況下，由爆破振動強度傳播規律模型可以推導出爆破藥量對應的安全距離（Ra）為：

根據GB 6722—2014 《爆破安全規程》，對于礦山巷道，當主振頻率f≤10 Hz時，安全質點振動速度為15～18 cm/s；當主振頻率10 Hz50 Hz時，安全質點振動速度為20～30 cm/s。本次爆破振動監測范圍為14.5～139.1 m，對應主振頻率為86.8～172.5 Hz，因此取20 cm/s作為安全允許質點振動速度。爆破振動主振頻率和質點振動速度隨爆心距增大而減小，當爆心距大于139.1 m，即使對應主振頻率處于0～50 Hz時，質點振動速度小于1.08 cm/s，遠小于安全允許質點振動速度限值要求。中深孔爆破單段裝藥量為355 kg，由式（5）～（7）計算可得，運輸巷道安全距離為18.51 m，穿脈巷道安全距離為19.24 m。現場作業過程中，要加強該范圍內巖體工程的防護。同時，在進行中深孔爆破設計時，對采場周邊巷道、硐室及新澆筑大體積混凝土等重點保護對象，通過測算其至采場距離，可獲取允許單段最大炸藥量，據此，確定相應的單段藥量、微差段數等爆破參數，確保爆破作業施工安全。

采用微差多段爆破，不僅能擴大爆破規模、提高生產效率，而且能降低爆破振動效應，其原理是爆破震動波相互干擾的結果。在微差段數確定后，就可以進一步確定合理的微差間隔時間，如果微差間隔時間確定的不合理，不僅不會減小爆破振動，反而會增大爆破振動效應［9-10］。灣家塢礦區中深孔爆破震動波形見圖6。由圖6可知：灣家塢礦區中深孔爆破分6段位起爆。其中，第1段、第2段爆破引起的巖體質點振動速度明顯高于其他段位爆破的質點振動速度，兩段爆破時間間隔較為接近，屬于爆破震動波疊加所致。

研究表明，微差間隔時間為振動周期的1/3時，降低爆破振動效果最佳。如果微差時間是振動周期整數倍時，振動強度會增加，但當是振動周期3倍以上時，爆破震動波相互之間無影響。根據灣家塢礦區中深孔爆破振動時間，計算最優微差間隔時間為27.8 ms，因此，為降低爆破振動對構筑物危害，應適當調整中深孔爆破排間起爆的微差時間。

4 結 論

1）基于中深孔爆破振動實測數據，建立了適用于現場的水平徑向（x）、水平切向（y）、垂直方向（z）的爆破振動強度傳播數學模型，可以準確反映爆破震動波在該區域的衰減規律。

2）中深孔爆破振動持續時間為0.5 s左右，信號頻帶分布廣泛，為40～350 Hz，但主振頻率集中在86.8～172.5 Hz，隨著爆心距增加，主振頻率快速衰減，超過一定距離后，衰減趨勢有所降低。

3）根據爆破振動強度傳播數學模型，結合礦山巷道、硐室、新澆大體積混凝土等被保護對象爆破振動安全允許標準，得到爆破振動安全距離和單段最大起爆藥量的計算方法，進而確定單段藥量和微差段數，指導爆破參數設計。

4）通過計算分析可知，中深孔爆破運輸巷道安全距離為18.51 m，穿脈巷道安全距離為19.24 m，現場作業過程中，要加強該范圍內巖體工程的防護。最優起爆微差時間為27.8 ms，從爆破減振角度考慮，建議適當調整中深孔爆破排間起爆的微差時間。

［參 考 文 獻］

［1］李洪濤，舒大強.爆破振動衰減規律的影響因素［J］.武漢大學學報，2005，38（1）：79-82.

［2］趙昕普.爆破振動衰減規律與爆破振動對巖體累積損傷影響的研究［D］.阜新：遼寧工程技術大學，2008.

［3］汪平.淺埋地鐵隧道爆破振動速度傳播規律及預測［J］.工程爆破，2021，27（2）：108-113.

［4］SLOBODAN T，LUTOVAC S，MARINA R.Determination of safe distance while blasting at open pit mine Zabrdica，Valjevo［M］∥Mine Planning and Equipment Selection：Springer International Publishing，2014.

［5］王雨波，汪為平，劉海林.某地下礦山大直徑中深孔爆破振動衰減規律分析［J］.現代礦業，2021，37（8）：91-93.

［6］陳慶凱，孫運峰.何家采區爆破振動波傳播規律的研究［J］.金屬礦山，2014（10）：18-21.

［7］王先義，何學秋，邵軍.巖土開挖爆破震動效應安全判據的探討［J］.煤炭科學技術，2003，31（7）：54-56.

［8］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.爆破安全規程：GB 6722—2014［S］.北京：中國標準出版社，2015.

［9］林飛.復雜環境下爆破降振的微差時間優選［J］.金屬礦山，2021（4）：59-63.

［10］顧紅建，李明，儀海豹，等.和尚橋鐵礦露天爆破孔間微差間隔優選試驗研究［J］.現代礦業，2022，38（6）：88-90，117.

Analysis and control of vibration propagation characteristics of medium-long hole blasting

Wang Zhiguo1，Jia Xufeng2，Zhao Long1，Li Zhengwei2

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.; 2.Jiangxi Jinshan Mining Co.，Ltd.of China Gold Group）

Abstract：Blasting vibration is a key factor to induce rock mass instability in underground mines，it is important to master the propagation characteristics of blasting vibration，and effectively control the damage of blasting vibration，which is meaningful to safe and efficient production.In order to study the influence of medium-long hole blasting on the structures around the stope in Wanjiawu mining area of Jinshan gold mine，the blasting vibration test was carried out.The collected blasting vibration signals are comprehensively analyzed from the aspects of blasting vibration intensity，frequency，and time，and the propagation model of blasting vibration intensity and frequency in the mining area is established.On this basis，the vibration influence range of medium-long hole blasting is determined，the calculation method of the maximum allowable single dose was obtained，and the micro-difference initiation time between rows was optimized.The parameters of medium-long hole blasting are more reasonable，and ensure the stability of the rock mass and other structures around the stope，so as to realize the green，safe，and efficient production goal of the mine.

Keywords：medium-long hole blasting;blast vibration;propagation characteristic;parameter optimization;safety control

收稿日期：2023-04-15; 修回日期：2023-05-20

基金項目：國家重點研發計劃項目（2022YFC2905003）

作者簡介：汪志國（1989—），男，工程師，碩士，從事金屬礦床地下開采研究工作；E-mail：wzgck2015@126.com