孔內分段爆破降振技術在會寶嶺鐵礦VCR 采場的應用

石紹飛,于杜濤,史秀志,邱賢陽,張世安

(1.臨沂會寶嶺鐵礦有限公司,山東 臨沂市 277700;2.中南大學資源與安全工程學院,湖南 長沙 410083)

0 引言

爆破是地下采礦工程中的常用技術,爆破破巖的同時不可避免地會對圍巖體產生地震擾動,引起爆破振動等次生災害[1]。爆破誘發的爆破振動可能進一步導致地表構筑物破壞、邊坡滑坡、人的不適反應等,這些問題極大地激化了礦山企業與周邊居民之間的矛盾。因此,在礦山規模化開采的前提條件下,通過爆破設計的優化來降低爆破振動一直是備受關注的研究熱點。

目前,對于爆破降振技術研究已有許多報道,大多數研究集中于露天爆破和隧道爆破。在露天礦常采用預裂爆破的方式來截止爆破振動的傳播[2]。隨著電子雷管的發展,合理的延期時間設計已被公認為改善巖石破碎和降低爆破振動水平的有效方法[3-4]。除此之外,采用小孔徑炮孔和不耦合裝藥結構也能有效降低爆破振動[5-7]。然而,對地下礦山VCR 采場的減振研究并不多見。

本文針對會寶嶺鐵礦VCR 采場生產爆破單次爆破量大、爆破振動大的問題,采用一種孔內分段爆破的裝藥結構和雷管段位布置方式,在該礦山VCR采場進行現場試驗,并監測爆破振動。

1 爆破振動控制理論

1.1 振動強度控制

峰值質點振動速度(PPV)一直被認為是爆破振動最重要的參數,我國也采用PPV 作為爆破振動安全控制指標。近年來,峰值質點振動加速度(PPA)也被視為另一個重要標準,特別是在許多設備、重要的建(構)筑物的保護,如核電站,PPV 和PPA 均需被考慮,實施雙控。

爆破振動強度的衰減規律一般用薩道夫斯基公式表示:

式中,k和α均為場地系數;R為爆心距;Q為爆破裝藥量。

上述公式雖簡易可行,且可簡單預測爆破振動強度,但因為爆破振動幅值的影響因素很多,其缺陷也就由此凸顯,為實現爆破振動幅值的準確預報,許多學者將人工智能方法應用于爆破振動峰值強度的預測,預測誤差遠低于傳統的指數衰減公式[8]。

1.2 振動頻率控制

除了振動強度之外,大眾已經認識到振動頻率也是評估爆破振動的一個不可或缺的指標,以避免結構共振帶來的危害[9]。一般采用主頻來評估對地表附近建筑物的不利影響,《爆破安全規程》(GB 6722—2014)[10]也規定了峰值質點振動速度和主頻的聯合控制指標。

現有研究表明,通過調整爆破藥量、孔網參數、起爆方式及微差時間等爆破參數,可以在一定范圍內達到改變爆破振動頻率特征的目的。實踐中,頻率控制的主要參數為微差起爆延時時間,通過改變延時間隔,可以改變爆破振動的頻率成分,進而避開建(構)筑物的自振頻帶。

1.3 振動頻譜控制

峰值質點振動速度和主頻的聯合控制指標雖然可以簡便地對爆破振動的危害性做出一定評估,但沒有考慮到振動持續時間對建(構)筑物受爆破振動破壞的影響,作為爆破振動三要素之一,振動持時也是一項重要指標。目前,不少學者提出了基于能量原理和反應譜理論的爆破振動安全判據,為綜合控制爆破振動危害提供了方法[11-12]。

2 工程概況

山東能源魯西礦業集團會寶嶺鐵礦位于臨沂市蘭陵縣尚巖鎮,設計年產量300萬t。礦體呈陡傾斜的層狀、似層狀產于山草峪組變質地層中,含礦巖石為條帶狀構造。礦體產出穩定,連續性好,礦石較完整,裂隙不甚發育,物理力學強度高,為極堅硬巖類,礦石類型為TFe(全鐵)和MFe(磁性鐵)。礦體圍巖為黑云角閃片巖或黑云變粒巖,完整程度差別較大,屬于堅硬至極堅硬巖類。

試驗VCR 采場為34315N2采場,位于－340～－270 m 水平之間,采場東頭和西頭均為穿脈巷道,南幫及北幫為間柱采場。礦體為急傾斜礦體,礦體下盤傾角為65°～90°。試驗采場長度為44 m,寬15～24 m,炮孔直徑為Φ115 mm,孔網參數為2.4 m×2.8 m(排距×孔距)。礦山爆破歷來采用全耦合裝藥,單次爆破總藥量超過3 t,裝藥結構如圖1(a)所示,單孔裝藥量約300 kg。雖然造成的爆破振動能夠滿足《爆破安全規程》(GB 6722—2014)[10]中對一般民用建筑物的規定,但礦山辦公區域內的人員感知比較明顯,其舒適度明顯較差,因此采取降振爆破措施勢在必行。又由于缺乏電子雷管,且礦山中現有普通非電毫秒導爆管雷管只有15個段位,因此以現有裝藥結構和雷管段位布置難以實現降振需求,需要設計新的裝藥結構和雷管段位布置。

圖1 裝藥結構示意

3 現場試驗

3.1 爆破設計

爆破使用炸藥和雷管分別選用改性銨油炸藥和非電毫秒導爆管雷管,孔底用細鐵絲下放多量卷成一卷的編織袋進行封口,并填沙確保封堵嚴密,填沙高度為0.5 m。裝藥為耦合裝藥,孔內分上下兩段起爆,段間填沙高度為1.5 m,孔口留2.5 m 的高度進行堵塞。捆扎2卷直徑32 mm、分別插有導爆管雷管的2號巖石乳化炸藥作為起爆藥,起爆藥分別在上段藥柱的中部和下段藥柱的上部,然后在孔口處用兩發搭橋雷管增加延期時間,以彌補雷管段位不足的缺陷,導爆管拉出孔口。改進裝藥結構如圖1(b)所示。

采用改進裝藥結構爆破時,爆破自由面為切割槽及底部塹溝,并沿采場長度方向逐步分段崩礦,下半部分炮孔先起爆,上半部分炮孔后起爆,采用孔內分段爆破的方案,通過雷管段次、裝藥結構來控制最大段藥量,具體的段位設置如圖2所示。

圖2 雷管段位平面布置

3.3 爆破振動監測

此次共布置了4個監測點,分別布置在礦辦公區門外的路口、門衛室、辦公樓和食堂,著重監測礦山辦公區域內的爆破振動情況。4個監測點基本在一條測線上,測振儀的X方向均指向爆心,爆心距從近到遠依次為406 m、498 m、568 m、674 m,測點布置如圖3所示。

4 爆破效果分析

減振爆破試驗的爆破范圍為34315N2 礦房采場4～5排,共計14個炮孔,其中1個為堵孔,不能裝藥。試驗共使用銨油炸藥和起爆藥包3472 kg,最大段藥量為177 kg,爆破礦量為10 311 t,單耗為0.34 kg/t。為了與之對比,還監測了一次本采場13～14排的爆破振動數據作為對照。13～14排的炮孔布置與試驗組相同,共14個炮孔,裝藥結構如圖1(a)所示,采用一孔一段的起爆方式。13～14排爆破共使用銨油炸藥和起爆藥包3978 kg,最大段藥量為312 kg,爆破礦量為11 132 t,單耗為0.36 kg/t。因為兩次爆破在同一采場,距離較近,故可以看作兩次爆破到振動監測點的爆心距是相同的。

4.1 振動效果分析

記錄到爆破振動3個方向中X方向的振動幅值最高,所以X方向為爆破振動的最主要分量,因此,本節對4 個測點的X方向爆破振動進行了分析。圖4為1 號監測點的兩次爆破的振動時程曲線,可以看出,由于孔內分段并外接搭橋雷管,使得整個的爆破持時增加了,而且孔間延期時間也在優化后變得均勻;4～5排的爆破振動波形在整個持時過程中爆破振動的幅值比較平均,沒有明顯的波峰;13～14排爆破的振動持時短且幅值高。而且,由于孔間延期時間的不均勻設置,在低段位雷管處爆破振動分布密集,高段位雷管處分布稀疏,這很容易造成低段位雷管處孔間波形疊加,進而增加振動幅值。

圖4 1號監測點爆破振動時程曲線

其他振動監測點的PPV 和頻率統計結果見表1。由表1可知,爆破振動的PPV 和頻率隨爆心距的增加呈衰減趨勢,表明爆心距越遠,雖然PPV 有所減小,但結構共振的風險越大。所試驗的4～5排爆破通過孔內分段的爆破方式,有效減小了爆破的最大段藥量,僅為13～14 排爆破的最大段藥量的56%,監測到的爆破振動PPV 也明顯下降,降振率在不同監測點處均超過了20%,最大降振率達到了30%。而且,段藥量的減少也使得爆破振動頻率普遍也有所提升,這對于爆破遠區構筑物避免結構共振很有益處。除此之外,在4個監測點的PPV 均控制在0.2 cm/s以內,人的體感舒適度顯著提高。

表1 爆破振動PPV和頻率統計

4.2 破巖效果分析

從－340 m 中段塹溝巷道的爆堆情況來看,34315N2采場4～5排爆破塊度均勻,未發現明顯大塊。如圖5所示,爆堆的大塊塊度80%能控制在20 cm 以內。表明孔內分段爆破的裝藥結構和段位設置合理,既能有效減低爆破振動,又沒有增加爆破塊度,不會影響礦山生產過程中后續的鏟裝工序。

圖5 4～5排爆破塊度分析

5 結論

(1)針對會寶嶺鐵礦VCR 采場生產爆破單次爆破量大、爆破振動大的問題,在不改變孔網參數和一次爆破總藥量的前提下,提出了一種孔內分段爆破的裝藥結構和雷管段位布置方式,并進行了工業試驗。

(2)與礦山以往采用的全耦合裝藥爆破相比,孔內分段爆破不僅能有效降低爆破振動幅值,還能提高爆破振動頻率,對地表構筑物安全和提高礦區人員體感舒適度有重要意義。

(3)孔內分段爆破也能很好地控制爆破塊度,不影響礦山生產過程中后續的鏟裝。