復雜環(huán)境下深孔爆破減振參數(shù)優(yōu)化分析

熊小軍,李修賢,俞欣君

(廣西工程技術研究院有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

隨著我國現(xiàn)代化水平的高速發(fā)展,深孔爆破作為一項低成本、高效率的爆破技術被廣泛應用于露天石、礦開采中。由于深孔爆破具有一次起爆量大、單孔裝藥多等特點,在利用該技術取得較大經(jīng)濟效益的同時,也會產(chǎn)生相對較大的爆破振動效應[1]。而在復雜環(huán)境下實施爆破作業(yè)時,對爆破振動的控制要求更加嚴格。一旦控制不當可能會造成邊坡失穩(wěn)、儀器設備損壞、民房及建筑設施劇烈震動甚至產(chǎn)生裂隙等,造成不必要的經(jīng)濟損失,引發(fā)民事糾紛等問題[2]。廣西某高速公路項目位于百色市平果市榜圩鎮(zhèn),項目石場待爆破山體周圍環(huán)境復雜。由于項目工期緊,每次爆破工程量大,爆破施工時所產(chǎn)生的爆破振動對周邊的影響也較為明顯,大而頻繁的爆破振動不但會對周邊建(構)筑物及已建邊坡造成損傷,還容易引起民事糾紛問題,影響項目進度。因此,在爆破施工過程中,如何優(yōu)化與爆破振動相關的爆破參數(shù),將爆破振動控制在可接受的范圍之內(nèi),是該工程亟待解決的問題。

近年來,國內(nèi)學者對深孔爆破減振技術做了研究,并取得一定的研究成果。張彪等[3]通過數(shù)值模擬技術與現(xiàn)場測試相結合的方法,探究孤石深孔爆破對周邊建筑結構的影響效應。魯超等[4]通過小波分析法和經(jīng)驗模態(tài)分解法對金屬礦井深孔爆破振動信號進行分析,得到主分量峰值頻率,并結合我國最新安全判定標準,提出合理化建議措施。閆鴻皓等[5]通過非對稱三角形荷載頻譜的分析,分別對比了四種改良型中深孔爆破的情況,探究出了荷載時長與主振頻率的關系。李修賢等[6]在中深孔爆破實踐中,基于量綱分析法,建立出考慮高差、地形、地貌等多種影響因素的爆破振動預測模型。

本文在露天石場爆破實踐中,采用正交試驗的思想,以5種重要爆破參數(shù)作為影響因素指標,以爆破振動峰值速度的大小作為試驗指標。得出5種影響因素的最優(yōu)組合,并計算出本次優(yōu)化后降振效果,為后續(xù)爆破施工中參數(shù)的選擇提供技術參考。

1 工程概況

項目所在地屬于剝蝕侵蝕低山丘陵地貌,山體寬大,連綿起伏,自然斜坡多為20°～40°。區(qū)域內(nèi)多為林地,地質進入第四紀以來穩(wěn)定性較好,工程建設條件良好,適宜公路工程建設。區(qū)域內(nèi)出露的地層從晚古生代泥盆系至新生代的第四系,分布最廣的是三疊系中統(tǒng)(T2)。石場爆破區(qū)域巖性主要為石炭系灰?guī)r,局部夾泥灰?guī)r,表層中風化,少量覆土。巖石硬度系數(shù)f=(6～8)左右。

石場山體南側毗鄰高速路主線,對面是已建邊坡;山體西偏北約50 m有料場、生活區(qū);東偏南不足150 m處有主路橋梁;東北側距離民房約300 m。爆區(qū)周圍環(huán)境示意圖如圖1所示。

圖1 爆區(qū)周圍環(huán)境示意圖

2 爆破振動的影響因素及范圍

就某一項目而言,爆破振動的影響因素可分為可控因素和不可控因素。可控因素可以通過優(yōu)化爆破工藝來改變,如:藥量、孔網(wǎng)參數(shù)、填塞情況、延期設置、起爆方式等。不可控因素不易改變,如:爆區(qū)及周邊巖石種類和等級、動力學特征、風化程度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況等。本文著重對影響爆破振動的5種主要可控因素進行研究。

單段最大藥量:單段最大藥量是影響爆破振動的主要影響因素之一。其與爆破振動之間存在某種正比關系。近年來興起的毫秒延期爆破技術正是利用降低單端藥量的原理,有效地降低了爆破振動。在該工程中,鉆孔深9 m左右,爆區(qū)環(huán)境相對復雜,為了安全起見,單段最大藥量應≤60 kg;為了保證爆破效果,單段藥量應≥40 kg。

延期時間:延期時間分為排間延期時間和孔間延期時間。合理的延期時間不但能減小相鄰炮孔爆炸時所產(chǎn)生的夾制作用,有助于巖體的二次破碎,還可以有效避免爆破振動峰值速度疊加,從而對爆破地振波能量產(chǎn)生干涉,部分能量相互抵消,達到減小爆破振動的作用。實踐表明:多段毫秒延期爆破較齊發(fā)爆破可以減弱爆破振動50%以上[7]。

填塞長度:合理的填塞長度可以有效防止炸藥能量從孔口端外泄,提高炸藥能量利用率,改善爆破效果。根據(jù)現(xiàn)場實際工程情況,并結合相關研究[8],該工程設計填塞長度為3.8 m、4.2 m、4.6 m和5 m。

炮孔密集系數(shù):即孔距與排拒之比,一般≥1。在炸藥單耗一定的情況下,適當增大孔間距及縮小孔排距可以使更多炸藥能量用于巖體破碎,從而有效減少用于爆破振動的部分能量[9]。該工程炮孔密集系數(shù)分別取值:0.8、1、1.2、1.4。

3 現(xiàn)場正交試驗

正交試驗的特點是可以同時考慮多種因素,并以代表性較強的最少試驗次數(shù),得出各因素水平對試驗結果的影響權重,確定出影響因素的主次順序,最終得到最有益的因素指標組合[10]。該工程利用正交試驗,探究對減弱爆破振動最有利的因素指標組合,從而指導下一步施工。

3.1 因素水平的確立

本次試驗場地的地質系數(shù)與巖體情況大致相同,且在同一高程條件下進行爆破試驗。選擇主路橋梁為爆破振動監(jiān)測點,距離爆區(qū)約150 m。為了使監(jiān)測結果更為準確,每次監(jiān)測均在橋梁的同一位置,且使用兩臺儀器同時監(jiān)測,最后取平均值作為最終結果。設單段最大藥量為因素A,排間延期時間為因素B,孔間延期時間為因素C,填塞長度為因素D,炮孔密集系數(shù)為因素E。為了使因素水平更具有科學性和代表性,每個因素共設置4個水平,建立因素-水平表如表1所示。

表1 因素-水平表

3.2 試驗方案及結果

為了減少試驗誤差,提高延時精度,本次試驗以數(shù)碼管起爆網(wǎng)絡連接,除以上因素水平表中的5項因素外,其他試驗條件盡可能相同。為了在充分包含5種試驗因素的前提下,盡可能地減少試驗次數(shù),提高效率,采用L16(45)正交試驗表。根據(jù)每次試驗的測振結果建立各參數(shù)試驗設計如表2所示。

表2 各參數(shù)試驗設計表

3.3 試驗結果分析

(1)極差分析。對表2進行極差分析,得到每個因素各水平下的指標總和K(K1,K2,K3,K4)和指標均值Kavg(k1,k2,k3,k4),再經(jīng)過一系列計算處理得到R值,計算結果如表3所示。

表3 極差分析表

(2)顯著性方差分析。為了估計本次試驗誤差大小,分析試驗精度,對爆破振動峰值速度數(shù)據(jù)再進行顯著性方差分析,分析結果如表4所示。

表4 顯著性檢驗與方差分析表

在極差分析中,因素對試驗的影響程度是用R值表示的,R值越大則影響程度越高。而在顯著性方差分析中,因素對試驗的影響程度是用F值表示的,F比大于F臨界值,則表示因素影響顯著性高。由表3和表4可知,在5種因素中,對于爆破振動影響程度最大因素為單段最大藥量,其次是排間延期時間。影響最小的是炮孔密集系數(shù),由于其F比遠小于F臨界值,且R最小,故為非重要影響因素。

4 最優(yōu)參數(shù)確定及優(yōu)化效果分析

4.1 最優(yōu)參數(shù)確定

以各因素指標為橫坐標,以爆破振動峰值速度指標均值為縱坐標,根據(jù)表2和表3中的信息,繪制因素-水平直方圖如圖2所示。

圖2 因素-水平直方圖

由圖2可以看出,對于降低爆破振動最有利的因素水平分別為:單段最大藥量取40 kg,排間延期時間取150 ms,孔間延期時間取50 ms,填塞長度取3.8 m,炮孔密集系數(shù)取1.1。

4.2 效果分析

為了檢驗本次優(yōu)化效果,在石場爆區(qū)對面已建邊坡上一點進行了兩次數(shù)據(jù)采集。該監(jiān)測點距離爆區(qū)60 m,監(jiān)測結果顯示相比于優(yōu)化前,爆破振動峰值速度有了明顯的降低。具體爆破參數(shù)與監(jiān)測結果如表5所示。

表5 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比表

每次優(yōu)化前后爆破振動峰值速度的差值與優(yōu)化前爆破振動峰值速度之比為降振率,本次優(yōu)化效果用兩次降振率的平均值表示。由式(1)和式(2)計算可知,第一次降振率為25.9%,第二次降振率為23.5%,本次優(yōu)化效果為24.7%。

振

(1)

(2)

5 結語

(1)正交試驗法能夠同時考慮多種因素,并以代表性較強的最少試驗次數(shù),得出各因素水平對試驗結果的影響權重,不但極大地減少了工作量,還能保證數(shù)據(jù)的均衡性,非常適合爆破參數(shù)的優(yōu)化。

(2)除試驗研究的5項因素外,控制其他試驗條件盡可能相同是試驗能否成功的關鍵,如爆破點高程、地質情況、測振點位置等。采用兩臺測振儀器在一點同時監(jiān)測有助于提高測振的精度。

(3)極差分析可以直觀地分析出每個因素對試驗結果影響程度的大小,而顯著性方差分析可以得出因素對試驗結果是否具有顯著性影響,將兩種分析方法結合使用,使得分析結果更具有說服力。

(4)最終優(yōu)化后的爆破參數(shù)為:單段最大藥量取40 kg,排間延期時間取150 ms,孔間延期時間取50 ms,填塞長度取3.8 m,炮孔密集系數(shù)取1.1。本次優(yōu)化效果為24.7%。