基于地表結構安全的爆破設計與振動控制

趙 丹

（長治職業技術學院，山西 長治 046000）

0 引言

采礦工程中爆破引起地面振動，振動是否會導致房屋結構開裂和損壞，主要取決于振動水平和頻率[1]，在較小程度上取決于現場和結構特定因素。決定振動程度的三個因素是地面振動振幅[2]（峰值粒子速度；PPV）、持續時間和頻率。本文通過改變爆破炸藥量、孔數、甲板位置和時間、點火順序、孔直徑和長度以及不同起爆裝置的炸藥爆炸，研究地下礦山爆破引起的地面振動問題及其可能的解決方案。

1 爆破細節和振動監測

在某金屬礦山礦井的不同位置進行了掘進工作面爆破。一輪爆破中引爆的孔數從17～78 個不等。在槽提升和環形爆破的情況下，孔的數量通常在2～13個之間。爆炸中引爆的炸藥總重量約為70～310 kg。每次延遲的最大炸藥重量在3.90～18.75 kg。在掘進工作面爆破的情況下，爆破孔的直徑為45 mm，對于槽提升和環形爆破，鉆孔直徑為76 mm。對掘進工作面、槽頂和環形爆破產生的爆破振動進行了分析。在所有情況下，均對垂直深度為30～185 m 以及距離地下爆破面垂直上方300 m 的水平距離進行了爆破振動監測。記錄的爆破振動數據在2.34～14.6 mm/s 的范圍內。確定了各種房屋的結構響應，并記錄了其固有頻率，其范圍為14～16 Hz。當房屋的固有頻率處于較低范圍時，傳入的較高主峰振動頻率導致不同樓層結構的振動減少,記錄的振動頻率在30.1～246.0 Hz范圍內。對獲得的振動數據進行快速傅立葉變換（FFT）分析表明，振動能量的濃度在50～150 Hz 范圍內。定期分析記錄的爆破振動數據。對因掘進工作面爆破和生產爆破（槽頂和環）而記錄的振動數據進行了分析，并建立了廣義預測方程，其如下所示：

式中：v 為峰值質點速度，mm/s；R 為振動監測點與爆破面之間的距離，mm；Qmax為每次延遲最大炸藥質量，kg。

2 爆破設計參數優化

2.1 掘進爆破

采用不同的爆破設計進行了實驗爆破，以優化爆破設計參數，并將地面振動控制在盡可能低的水平。最初，在孔之間以15 ms、20 ms 和25 ms 的延遲間隔進行爆破，以便對5 個中心孔逐一進行爆破，并分析高采樣率下記錄的振動特征。結果發現，25 ms 的延遲間隔導致產生較低水平的地面振動。后續孔之間的延遲間隔為50 ms，在兩個截面切割處的跳躍延遲為200 ms 和100 ms。但爆炸的總拉力幅度在70%～80%之間。平均炮孔深度為3.5 m。優化的爆破設計產生了良好的效果，并在大多數橫切爆破中繼續進行。此外，對設計進行了輕微修改，尤其是在鉆機設計中，即爆破孔的負荷和間距。在這種改進設計中獲得的平均拉力幅度為90%～95%。優化爆破設計如圖1 所示。

圖1 優化爆破設計和延遲順序（用于開發面爆破）

2.2 槽提升爆破

修改了孔和甲板裝藥的數量，以從槽提升爆破中獲得所需的拉力。在幾次爆炸中記錄到最大拉力發生在為2.7 m。盡管如此，槽孔中裝載的炸藥深度為1.9～2.2 m。根據爆破孔的條件，爆破孔的數量在3～14 個之間變化。一輪爆炸中的炸藥總量在16～172 kg 之間。

2.3 環形爆破

環形爆破最終計劃在通過槽提升爆破充分打開采場后進行。最初，環形爆破使用150 kg 的乳化藥包炸藥開始[3]，分布在5 個爆破孔中，并將每次延遲的炸藥質量保持在25 kg。隨后，在連續的試爆中對爆破進行了優化，以提高生產率，并將振動水平保持在15 mm/s 以內。在環形爆破的情況下，爆破孔的數量從2～7 個不等。在一輪爆破中引爆的炸藥總量在64～340 kg 之間，每次延期的炸藥質量為10.92～17.16 kg。7 個爆破孔的布局如圖2 所示。在這種情況下，幾個爆破孔被覆蓋到4 個地方，并在電子延期雷管的幫助下引爆。

圖2 地下礦山實施的7 個爆破孔的典型布局

利用種子波形和波的線性疊加技術，進行了爆破波形分析，以獲得爆破孔之間和爆破孔內炸藥層之間的最佳間隔。已經發現，在甲板裝藥的情況下，20～80 ms 的延遲間隔，即20 ms 間隔的增加是最佳的，同時在2 個連續的爆破孔之間提供40～80 ms 的最小延遲。

此外，采用了兩種方法來提供甲板及其引爆。第一種方法是一個接一個的引爆孔，即以20 ms 的間隔從底部甲板到頂部甲板，最多4 個甲板用于所有爆破孔。第二種方法是先取2 個炸藥甲板（底部切片），然后取2 個炸藥甲板（頂部切片）。通過使用錨固在栓接木塊上的鉆削材料，保留切片之間的閥桿甲板材料，用于消除由于底部甲板炸藥柱爆炸而對頂部甲板炸藥柱造成的損壞。使用電子延期雷管在采場的少數爆破中對這兩種甲板放置方法進行了試驗。結果第二種方法顯示出更好的結果。在少數幾起爆炸中，交感爆轟也是該村莊爆炸振動水平過高的原因之一。借助于測試次數時爆炸痕跡的視頻點播特征，記錄了交感爆炸。隨后，將甲板長度標準化，其范圍為鉆孔直徑的15～20 倍。在研究期間，在325 m、350 m 和375 m的不同采場進行了30 次生產爆破。

3 結論

地下礦山通過采用文中討論的最先進的爆破實踐，成功地在居民區附近生產礦物。記錄的爆炸震動在可接受的范圍內。5 個中心孔的孔之間延遲間隔為25 ms 的掘進工作面爆破導致產生較低水平的振動。在兩個連續的切割孔之間使用200～300 ms 的延遲間隔，可獲得良好的爆破效果。還記錄到，電子起爆系統產生的振動水平低于導爆管起爆系統產生的振動水平。與用激波管起爆系統起爆的炮孔相比，由電子延期雷管起爆的炮孔振動級降低了12.5%。環形孔爆破時孔之間的延遲間隔為40 ms 和80 ms，甲板之間的延遲間隔為20～80 ms，導致振動水平降低。結構中記錄的振動數據表明，隨著結構高度的增加，振動水平降低。記錄的振動數據頻率高，導致結構振動水平降低，獲得的碎片是最佳的。