李宇星，周 鵬

（湖南黃金洞礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南岳陽市 414507）

近地表井下爆破對地表建筑物穩(wěn)定性影響的研究

李宇星，周 鵬

（湖南黃金洞礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南岳陽市 414507）

摘 要：礦山爆破必然引起巖體振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)超過某一極限，就會(huì)使爆源附近的建筑物遭到一定程度的破壞，甚至倒塌，造成人員傷亡、設(shè)備損壞等危害。當(dāng)爆破距離較近時(shí)，這一問題顯得更為突出。結(jié)合礦山爆破實(shí)際，利用相關(guān)設(shè)備測定爆破振動(dòng)頻率與速度，分析爆破地震波在礦巖介質(zhì)中的傳播規(guī)律，評價(jià)爆破振動(dòng)對地表民房穩(wěn)定性影響，并提出減震措施控制爆破振動(dòng)危害，確保礦山生產(chǎn)和居民生活互不干擾。

關(guān)鍵詞：爆破；振速；爆破藥量；安全距離

0 前 言

某礦位于江南丘陵地區(qū)，礦區(qū)地表主要為農(nóng)田，民房較少，礦山地表標(biāo)高一般為70～80m，開采標(biāo)高為20～-10m，區(qū)內(nèi)人口分散居住，工業(yè)較發(fā)達(dá)，建筑較多。礦山主要采用房柱法開采，礦塊按劃分盤區(qū)的方式進(jìn)行回采，沿礦體走向底板布置盤區(qū)沿脈平巷，礦塊尺寸為50m×50m，礦房寬6～8m，留設(shè)點(diǎn)柱，點(diǎn)柱尺寸7m×7m，通過探頂留設(shè)不小于9m厚的護(hù)頂?shù)V柱。

礦山目前開采中段為0m中段，開采采場距地表70～80m。近地表生產(chǎn)爆破必然引起地表振動(dòng)，對建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。為此，礦方?jīng)Q定展開深入研究，通過爆破振動(dòng)測試獲取現(xiàn)場振動(dòng)信息，然后再探尋地震波在礦巖介質(zhì)中的傳播規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測最大單響藥量，采取措施控制爆破振動(dòng)速度，降低爆破振動(dòng)的影響。

1 爆破振動(dòng)現(xiàn)場測試

1.1采場爆破裝藥情況介紹

第一次測試的起爆點(diǎn)總裝藥量13.6kg（乳化炸藥），采用秒差雷管起爆，分為5段，最大單響藥量為3.0kg，共布置炮孔10個(gè)，炮孔直徑為40mm，平均孔深2.5m。第二次測試的起爆點(diǎn)位總裝藥量15.4kg（乳化炸藥），采用秒差雷管起爆，分為5段，最大單響藥量為3.2kg，共布置炮孔10個(gè)，炮孔直徑為40mm，平均孔深2.5m。兩次爆破裝藥情況如表1所示。兩次起爆均在地表布置4～5個(gè)測點(diǎn)，井下布置2個(gè)測點(diǎn)，爆源距地表垂直距離為75m。

表1　現(xiàn)場測振爆破藥量分布

1.2現(xiàn)場爆破振動(dòng)測試

根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀及爆破對房屋的影響情況，現(xiàn)場共進(jìn)行了兩次爆破測振，井下布置2臺(tái)爆破振動(dòng)測試儀器，地表房屋周圍布置了4臺(tái)爆破振動(dòng)測試儀器。按爆破方案進(jìn)行爆破，每次根據(jù)單段最大藥量確定最大振動(dòng)數(shù)據(jù)，選取典型爆破振動(dòng)測試點(diǎn)振速波形如圖1所示。

爆破振動(dòng)實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，各傳感器測試的最大振速對應(yīng)的主頻率最小值為85.449 Hz，大于50 Hz。兩次現(xiàn)場爆破測振地表民房實(shí)測速度最大值為0.292 cm/s，預(yù)測速度最大值為0.198 cm/s，兩者均小于1.5 cm/s，兩次爆破結(jié)果均符合《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）規(guī)定。

從爆破振動(dòng)測試結(jié)果可以看出，爆破振動(dòng)波具有明顯的衰減特性。兩爆破振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間很短，爆破振動(dòng)速度從零開始迅速增加至峰值然后再衰減至零，整個(gè)過程在1 s內(nèi)完成。爆破振動(dòng)速度與爆破距離的關(guān)系密切，距離越近，振速越大；距離越遠(yuǎn)，振速越小。此外，在3個(gè)不同方向的振動(dòng)速度中，Z方向的振動(dòng)速度最大，X、Y方向的振動(dòng)速度相對較小。

圖1　爆破振動(dòng)波形

2 地震波在礦巖介質(zhì)中的傳播規(guī)律

在爆破工程中，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、藥量及爆心距通常被認(rèn)為是表征爆破振動(dòng)衰減規(guī)律的3大要素。關(guān)于爆破振動(dòng)衰減規(guī)律研究，薩道夫斯基公式給出了質(zhì)點(diǎn)振速、藥量及爆心距之間的定量關(guān)系，并且物理意義明確，應(yīng)用快捷方便，是目前運(yùn)用最廣泛最成熟的爆破振動(dòng)分析方法。

式中，R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；Q為同時(shí)起爆的總藥量，kg；V為保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；K，a為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，可參考《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）選取，或通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

為了更準(zhǔn)確地回歸K值和a值，結(jié)合現(xiàn)場爆破測振數(shù)據(jù)，此次研究分X、Y、Z 3個(gè)方向?qū)φ駝?dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，但由于Z方向振動(dòng)速度最大，對地表建筑穩(wěn)定性影響最為顯著，因此重點(diǎn)研究Z方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)。利用最小二乘法擬合Z方向數(shù)據(jù)，可得：K =323，a=1.64。分別將K值和a值代入式（1），得不同方向的振速計(jì)算公式：

通常采用線性相關(guān)系數(shù)R衡量擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性，R為（0，1）區(qū)間內(nèi)的某一定值，一般認(rèn)為當(dāng)R大于0.8時(shí)，擬合函數(shù)具有較高的相關(guān)性，且R值越高，擬合數(shù)據(jù)越接近實(shí)際數(shù)據(jù)。此次數(shù)據(jù)擬合，相關(guān)系數(shù)R為0.82，說明擬合效果較好，計(jì)算所得的K值和a值準(zhǔn)確可靠。由上述擬合公式，選取一定的爆破距離，繪出振動(dòng)速度曲線，如圖2所示。

圖2　爆破振動(dòng)速度與爆破距離的關(guān)系

2.1爆破藥量對振速的影響

Z方向爆破振動(dòng)速度最大，分析爆破藥量時(shí)采用Z方向的擬合公式。最大允許單響藥量隨爆破距離的增大而增加。由擬合公式反算，當(dāng)爆破距離為50m時(shí)，最大允許單響藥量為6.7kg；當(dāng)爆破距離為70m時(shí)，最大允許單響藥量為18.4kg；當(dāng)爆破距離為100m時(shí)，最大允許單響藥量為53.7kg，最大允許單響藥量與爆破距離的關(guān)系如圖3所示。

圖3　最大單響藥量與爆破距離的關(guān)系

礦山開采中段距地表較近，僅70～80m，因此，必須采用較小的單響爆破藥量控制地表振動(dòng)，以上分析說明，該礦目前開采中段最大允許單響藥量為18.4kg。合理控制爆破藥量，優(yōu)化爆破參數(shù)，改善爆破工藝，是礦山降震的有效方法。

2.2爆破距離對振速的影響

與單響藥量類似，爆破距離是影響爆破振動(dòng)速度的另一主要因素，單響藥量增加，爆破距離必然增大，否則，地表建筑物將面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。由擬合公式反算，當(dāng)單響藥量為3kg，最小允許爆破距離為38m；當(dāng)單響藥量為10kg，爆破距離增大為57m；進(jìn)一步增加單響藥量為20kg，則爆破距離為72m，最小爆破距離與單響藥量的關(guān)系如圖4所示。

圖4　最小允許爆破距離與單響藥量的關(guān)系

從理論上講，當(dāng)單響藥量一定時(shí)，增大安全距離可降低爆破振動(dòng)。但實(shí)際上這一方法并不常用，因?yàn)閷τ诘V山生產(chǎn)來說，爆破地點(diǎn)是相對固定的，而地表建筑物同樣也是相對固定的，因此想要人為增大爆破距離，顯然不具備現(xiàn)實(shí)條件，在這種情況下，控制爆破單響藥量至關(guān)重要。

3 結(jié) 論

（1）爆破振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間很短，爆破振動(dòng)速度從零開始迅速增加至峰值然后再衰減至零，整個(gè)過程在1 s內(nèi)完成。爆破振動(dòng)速度與爆破距離之間關(guān)系密切，距離越近，振速越大；距離越遠(yuǎn)，振速越小。

（2）最大單響藥量是影響爆破振動(dòng)速度的重要因素之一，最大允許單響藥量隨爆破距離的增大而增加。目前礦山開采中段距地表較近，僅70～80m，因此，必須采用較小的單響爆破藥量控制地表振動(dòng)。分析表明，該礦目前開采中段最大允許單響藥量為18.4kg。

（3）由于礦山爆破地點(diǎn)和地表建筑物相對固定，采用增加爆破距離的方法來降低爆破振動(dòng)不具備可操作性，因此，控制爆破單響藥量至關(guān)重要，合理控制爆破藥量，優(yōu)化爆破參數(shù)，改善爆破工藝，是礦山降震的有效方法。

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收稿日期：（2016-04-11）

作者簡介：李宇星（1987-），男，湖南岳陽人，采礦工程師，從事礦山安全開采方面的工作，Email：402624007@qq.com。