劉博文，周志偉，胡軍生，嚴(yán) 鵬

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；3. 鞍山五礦陳臺(tái)溝礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114051)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)大自然的改造不斷深入，眾多行業(yè)都將目光轉(zhuǎn)向了地下。深埋地下隧洞越來越多的出現(xiàn)在水電工程、交通建設(shè)、礦山開采等工程領(lǐng)域中，其規(guī)模也越來越大。鉆爆法作為使用最為廣泛的開挖方法，在地下工程中也被廣泛運(yùn)用，相應(yīng)的，地下工程的爆破振動(dòng)控制和圍巖的振動(dòng)響應(yīng)特征也受到大量研究[1-2]。

孫金山[3]研究了爆炸應(yīng)力波對(duì)鄰近圓形隧道的動(dòng)力擾動(dòng)，認(rèn)為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大的位置并非動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)最大的位置；王新宇[4]等分析了隧道爆破施工對(duì)其相鄰的隧道圍巖的影響，發(fā)現(xiàn)相鄰隧道迎爆面測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)速度較大；Song[5]等通過模型試驗(yàn)研究了水平小間距隧道爆破施工對(duì)鄰洞的影響，發(fā)現(xiàn)后洞開挖對(duì)夾層巖體有一定影響；石洪超[6]等研究了并行小凈距隧道后續(xù)洞爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)，認(rèn)為先行洞迎爆側(cè)邊墻上的最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在后續(xù)洞爆破掌子面的側(cè)后方。

本文基于深埋巷道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)開挖爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)圍巖內(nèi)部和表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的影響因素進(jìn)行研究，為深埋巷道的振動(dòng)安全控制提供參考。

1 工程背景

陳臺(tái)溝特大型鐵礦床位于遼寧省鞍山市千山區(qū)千山鎮(zhèn)陳臺(tái)溝村，距鞍山市區(qū)約11 km；大地構(gòu)造位置位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ級(jí))膠遼臺(tái)隆(Ⅱ級(jí))太子河-渾江臺(tái)陷(Ⅲ級(jí))遼陽(yáng)-本溪凹陷(Ⅵ級(jí))的南緣，估算范圍面積約1.16 km2，最高標(biāo)高-440 m，最低標(biāo)高-1 620 m，礦體最小埋深490 m，最大埋深1 658 m，全區(qū)鐵礦石總資源量約12.28億t，平均品位TFe 34.84%，mFe 27.86% ，屬于“鞍山式”沉積變質(zhì)型鐵礦床，為國(guó)內(nèi)特大型黑色地下深井礦山之一。其中貫穿全區(qū)，規(guī)模較大的主礦體資源量占全礦床資源總量的92.72%。受古地殼剝蝕，礦體賦存標(biāo)高呈舒緩波狀，最高標(biāo)高為-650 m，最低為-993 m。各礦體呈層狀～厚層狀賦存于太古界鞍山群櫻桃園巖組綠泥石英片巖中，其產(chǎn)狀與圍巖一致。礦體厚度變化簡(jiǎn)單-中等，總體走向北西330°左右，傾向北東，傾角68°～ 75°。

陳臺(tái)溝鐵礦床埋藏較深(-440 m～-1 620 m)，礦體厚大(34 m～223 m)，位于調(diào)軍臺(tái)選礦廠和胡家廟選礦廠之間，地表為村莊和農(nóng)田，上盤側(cè)有齊大山鐵礦露天采場(chǎng)，屬典型深部難采金屬礦床。

本次監(jiān)測(cè)的巷道段為-1 082 m高程大件道轉(zhuǎn)彎段，其平面示意圖如圖1所示。由于深部開采是在圍巖高應(yīng)力、強(qiáng)卸荷條件下開采，極易誘發(fā)巖爆等礦山動(dòng)力災(zāi)害。因此，開展深埋巷道的爆破監(jiān)測(cè)及圍巖振動(dòng)響應(yīng)研究對(duì)保證深部礦床的高效安全開采具有重要意義。

圖1 巷道開挖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)段平面示意圖

2 監(jiān)測(cè)方案

出于對(duì)巷道轉(zhuǎn)彎特殊地形的考慮，為了盡可能測(cè)得高質(zhì)量的直達(dá)波，本次爆破監(jiān)測(cè)在轉(zhuǎn)彎段前部巖體內(nèi)測(cè)埋設(shè)了兩個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，結(jié)合地面布置的兩個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，一共布置4個(gè)爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。巖體內(nèi)部1號(hào)測(cè)點(diǎn)鉆孔深度為5 m，下傾角15°，巖體內(nèi)部2號(hào)測(cè)點(diǎn)鉆孔深度為3 m，下傾角30°，1號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)的水平距離為5 m，2號(hào)測(cè)點(diǎn)測(cè)孔所在位置為巷道轉(zhuǎn)彎的起點(diǎn)處。3號(hào)測(cè)點(diǎn)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)水平距離為5 m，4號(hào)測(cè)點(diǎn)距巷道轉(zhuǎn)彎起點(diǎn)處15 m。

圖2 爆破測(cè)點(diǎn)布置圖

本次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)所使用的監(jiān)測(cè)方案由報(bào)爆破振動(dòng)信號(hào)拾取系統(tǒng)、爆破振動(dòng)信號(hào)記錄和儲(chǔ)存系統(tǒng)以及爆破振動(dòng)信號(hào)分析處理系統(tǒng)三個(gè)部分組成。其中，爆破振動(dòng)信號(hào)的拾取、記錄和儲(chǔ)存采用成都泰測(cè)科技有限公司生產(chǎn)的Blast-Cloud型爆破測(cè)振儀和其配套的三向振動(dòng)速度傳感器，振速量程0.001～35 cm/s，頻響范圍5～500 Hz；爆破振動(dòng)信號(hào)分析處理使用為其定制的Blast-Cloud Data View軟件。測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖3所示。

圖3 振動(dòng)測(cè)試傳感器安裝現(xiàn)場(chǎng)照片

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

4個(gè)測(cè)點(diǎn)各監(jiān)測(cè)到6次爆破開挖振動(dòng)信號(hào)，三個(gè)方向的典型爆破振動(dòng)信號(hào)如圖4所示。從振動(dòng)波形來看，爆破信號(hào)分段明顯，各段爆破之間分離清晰，波形穩(wěn)定，三個(gè)方向測(cè)得爆破振動(dòng)信號(hào)峰值位置基本一致，對(duì)應(yīng)度高，說明此次爆破監(jiān)測(cè)較為成功，所測(cè)信號(hào)能較好反映測(cè)點(diǎn)的真實(shí)爆破振動(dòng)情況。

圖4 典型爆破振動(dòng)信號(hào)圖

統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)水平徑向、水平軸向和豎直向三個(gè)方向上的最大振動(dòng)速度如圖5～圖8所示。

圖5 1號(hào)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

可以看出，各個(gè)測(cè)點(diǎn)處巖體的振動(dòng)速度最大方向均在水平軸向，水平徑向和垂直向最大振動(dòng)速度大小相近，基本處于同一水平。且均在爆破安全規(guī)程的要求范圍之內(nèi)[7]。其中，1號(hào)測(cè)點(diǎn)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)軸向振動(dòng)速度的最大值出現(xiàn)在第三次測(cè)試過程，2號(hào)測(cè)點(diǎn)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)軸向振動(dòng)速度的最大值出現(xiàn)在第二次測(cè)試過程，這也體現(xiàn)出巷道轉(zhuǎn)彎的影響。隨著巷道開挖的向前推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)距掌子面的距離增加，爆破振動(dòng)傳播距離增加，爆破振動(dòng)信號(hào)峰值速度本應(yīng)降低，但是由于巷道轉(zhuǎn)彎，垂直開挖面方向，也就是爆炸荷載直接作用的方向，與測(cè)點(diǎn)的水平軸向監(jiān)測(cè)通道(即為傳感器的Y通道)方向的夾角變小，因此該方向上測(cè)得的振動(dòng)速度反而出現(xiàn)增大。1號(hào)測(cè)點(diǎn)相比2號(hào)測(cè)點(diǎn)深入巖體內(nèi)部的程度更深，巷道轉(zhuǎn)彎對(duì)其Y方向振動(dòng)速度的增益更大，因此在第一次測(cè)試時(shí)1號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)的Y方向PPV基本相等，都在5 cm/s上下，隨著巷道轉(zhuǎn)彎段的推進(jìn)，2號(hào)測(cè)點(diǎn)在第二次測(cè)試時(shí)PPV達(dá)到最大，之后隨著爆破掌子面的向前推進(jìn)PPV逐漸降低；而1號(hào)測(cè)點(diǎn)處PPV則在第二次測(cè)試后繼續(xù)增加，到第三次測(cè)試時(shí)達(dá)到最高，然后才隨著掌子面的向前推進(jìn)逐漸降低，體現(xiàn)出爆心距增加的影響。

圖6 2號(hào)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

圖7 3號(hào)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

圖8 4號(hào)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

巖體表面3號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)也表現(xiàn)出相似的規(guī)律。3號(hào)測(cè)點(diǎn)距開挖面的距離較4號(hào)測(cè)點(diǎn)要略遠(yuǎn)一些，在前兩次測(cè)試的結(jié)果中，由于巷道轉(zhuǎn)彎角度還不大，空間位置關(guān)系對(duì)振動(dòng)速度的影響還不明顯，3號(hào)測(cè)點(diǎn)PPV要小于4號(hào)測(cè)點(diǎn)。第三次測(cè)試之后，巷道轉(zhuǎn)彎達(dá)到一定角度，空間位置關(guān)系對(duì)振動(dòng)速度的影響開始體現(xiàn)出來，在后四次的測(cè)量結(jié)果中，3號(hào)測(cè)點(diǎn)PPV均大于4號(hào)測(cè)點(diǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)陳臺(tái)溝鐵礦深埋巷道轉(zhuǎn)彎段爆破開挖振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和圍巖振動(dòng)響應(yīng)分析，可以得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的爆破振動(dòng)速度峰值大小均在爆破安全規(guī)程所規(guī)定的礦山巷道的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度范圍之內(nèi)，滿足規(guī)范要求，爆破振動(dòng)不會(huì)危害巷道結(jié)構(gòu)的安全。

2)巖體質(zhì)點(diǎn)的爆破振動(dòng)速度峰值大小除了與爆破開挖面的距離有關(guān)之外還與質(zhì)點(diǎn)位置和開挖面的空間位置關(guān)系有關(guān)。距開挖面較遠(yuǎn)地點(diǎn)在與開挖面成較大角度的情況下其振動(dòng)速度峰值大小可能超過距開挖面較近但與開挖面成較小角度位置的質(zhì)點(diǎn)。這可能是由于開挖面上地應(yīng)力的卸荷作用導(dǎo)致與開挖面成較大角度的方向相對(duì)于與開挖面成較小角度的方向而言振動(dòng)信號(hào)里包含了較多的由地應(yīng)力卸荷誘發(fā)的振動(dòng)，因此表現(xiàn)為PPV的相對(duì)較大。

3)在考慮深埋地下工程爆破振動(dòng)控制時(shí)，除了分析炸藥爆炸產(chǎn)生的振動(dòng)外，還應(yīng)把地下空間結(jié)構(gòu)和環(huán)境地應(yīng)力水平等因素也納入考慮之中。