羅文俊，關(guān) 凱，朱萬成，劉洪磊，劉曉光，劉 濱

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819； 2.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 煙臺(tái) 261438)

爆破技術(shù)在礦山開采中應(yīng)用廣泛，其成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)、效率高，極大地提高了礦山經(jīng)濟(jì)效益，給國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來便利。然而，爆破也帶來了不同程度上的問題，其中以爆破振動(dòng)最為嚴(yán)重。近年來，爆破振動(dòng)影響的研究發(fā)展較快。譚忠盛等[1]分析了復(fù)線隧道施工爆破對(duì)既有隧道的影響因素，由數(shù)值分析得出危險(xiǎn)區(qū)域分布；畢繼紅等[2]對(duì)既有隧道受鄰近隧道爆破振動(dòng)影響進(jìn)行了研究，指出隧道體系的振動(dòng)速度是監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)；閆長(zhǎng)斌等[3]采用FLAC3D數(shù)值模擬研究爆破振動(dòng)作用對(duì)采空區(qū)的影響，發(fā)現(xiàn)爆破振動(dòng)作用會(huì)改變圍巖應(yīng)力場(chǎng)的分布形式和范圍，并增大了圍巖最大位移量，導(dǎo)致塑性區(qū)會(huì)擴(kuò)大，其擴(kuò)大幅度與動(dòng)載荷幅值成正比，因而提出減少最大段藥量，以及微差爆破和加固支護(hù)等減災(zāi)措施；姚東[4]研究了露天開采爆破振動(dòng)對(duì)鄰近臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性影響，基于爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過回歸分析法擬合得到邊坡質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和主頻計(jì)算公式，從而優(yōu)化了爆破炸藥量；李懷賓等[5]基于爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，研究了地下洞庫(kù)在開挖過程中，爆破振動(dòng)對(duì)圍巖及支護(hù)工程的影響，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全距離進(jìn)行了確認(rèn)；閆奇等[6]采用FLAC3D數(shù)值模擬研究了爆破振動(dòng)以及靜載荷對(duì)大跨度鑿巖硐室穩(wěn)定的影響，分析了靜載荷作用下的應(yīng)力集中區(qū)域，進(jìn)而優(yōu)化爆破振動(dòng)參數(shù)，減少爆破振動(dòng)的影響；黃鵬睿[7]以爆破振動(dòng)速度和頻率為重點(diǎn)，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬以及理論分析等多種手段，研究了露天礦山采場(chǎng)爆破對(duì)臨近黏土壩穩(wěn)定性影響；邊境等[8]以云南某地下金屬礦為背景，利用薩道夫斯基公式回歸得到了爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，并分析了爆破振動(dòng)對(duì)重要硐室的影響；李光全等[9]在某礦山中利用現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于膠結(jié)充填體振動(dòng)安全設(shè)計(jì)了大爆破最大單發(fā)藥量，減小了爆破振動(dòng)對(duì)充填體的影響；張金等[10]采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，使用薩道夫斯基公式回歸得到采場(chǎng)與充填體之間的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，進(jìn)而研究了采場(chǎng)深孔爆破對(duì)附近充填體穩(wěn)定性的影響，以及優(yōu)化的爆破參數(shù)，使爆破能量得到充分利用并保證了充填體的穩(wěn)定性；俞祥杰等[11]等結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬與三維重構(gòu)技術(shù)，更加直觀地展示出爆破對(duì)鄰近巷道的影響，并通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，進(jìn)而研究發(fā)現(xiàn)了巷道迎爆側(cè)的損傷較為嚴(yán)重。

為了在得到更多回收礦石的同時(shí)保證永久性工程的穩(wěn)定性，新城金礦擬在距主豎井50 m外進(jìn)行礦體回采，并對(duì)距其39 m的盲豎井進(jìn)行斷面刷大作業(yè)，以提高溜礦生產(chǎn)效率。主豎井作為新城金礦的永久性工程，需要嚴(yán)格保障其穩(wěn)定性不受爆破振動(dòng)的影響。因而，本文提出理論分析方法，對(duì)采場(chǎng)與盲豎井爆破參數(shù)進(jìn)行初步估算，給出初步爆破設(shè)計(jì)方案，評(píng)估了主豎井附近爆破工程對(duì)礦山穩(wěn)定性的影響。

1 新城金礦Ⅺ#礦體地質(zhì)條件及主盲豎井現(xiàn)狀

新城金礦Ⅺ#礦體主要賦存于焦家主斷裂下盤的鉀化花崗閃長(zhǎng)巖和絹英巖化花崗閃長(zhǎng)巖中。碎裂巖為礦體主要頂板，強(qiáng)度最低，平均普氏系數(shù)f=4～6，屬于中等巖石和較堅(jiān)固的巖石，但是其最低抗壓強(qiáng)度僅為130 kg/cm2，并且具有明顯的軟化性。絹英巖化花崗閃長(zhǎng)巖為礦體底板及部分礦體，強(qiáng)度較高，普氏系數(shù)f=10～12，屬于很堅(jiān)固的巖石。礦體回采時(shí)使用硝銨類炸藥中的2#巖石乳化炸藥(Φ32)，引爆方式為非電導(dǎo)爆管微差起爆。

新城金礦針對(duì)Ⅺ#礦體，在-450 m中段及-380 m水平對(duì)Ⅺ-1礦脈進(jìn)行回采，在-330 m水平完成了該礦脈的開拓工程；在-530 m中段及-477 m水平對(duì)Ⅺ-2礦脈進(jìn)行回采，在-422 m水平完成了該礦脈的開拓工程。采場(chǎng)與主豎井水平平均距離為220 m左右，處于依據(jù)規(guī)范圈定的保安礦柱邊緣。新的開拓工程及探礦工程表明，Ⅺ#礦體中-530 m中段礦脈較之前的圈定范圍有很大程度增加，導(dǎo)致Ⅺ#礦體的礦量從最初推測(cè)的169萬t增加到317萬t。

圖1為新城金礦工程概貌，虛線框中為主豎井底部附近XI#礦體。豎井底部標(biāo)高-466 m，主豎井全深499 m。規(guī)劃的盲豎井為已有溜井刷大斷面，目前直徑1.4 m，預(yù)期在原有溜井基礎(chǔ)上通過爆破方式將溜井?dāng)嗝鏀U(kuò)大至直徑為4 m的盲豎井，目的在于將主豎井下部礦石直接通過盲豎井向上提升，減少運(yùn)輸距離和成本。

圖1 新城金礦工程概貌Fig.1 Project overview of Xincheng Gold Mine

2 Ⅺ#礦體采場(chǎng)爆破振動(dòng)對(duì)主豎井穩(wěn)定性影響

2.1 爆破振動(dòng)判據(jù)

薩道夫斯基M·A提出的爆破振動(dòng)經(jīng)驗(yàn)公式被廣泛應(yīng)用于工程穩(wěn)定性分析，其表達(dá)式見式(1)。

(1)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離；Q為炸藥量(齊發(fā)爆破時(shí)，Q為總藥量)；V為保護(hù)對(duì)象的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度；K和α為場(chǎng)地系數(shù)，取決于爆源和保護(hù)對(duì)象之間的地形、地質(zhì)條件，可按表1選取，或通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

表1 爆區(qū)不同巖性的K值、α值Table 1 K and α values of different lithology in blasting area

2.2 采場(chǎng)爆破參數(shù)計(jì)算

1) 采場(chǎng)爆破所需最大炸藥量。通過地質(zhì)調(diào)查可知Ⅺ#礦體基巖為較堅(jiān)固的巖漿巖和變質(zhì)巖，巖石硬度大，因而，根據(jù)表1可取K=50～150，α=1.3～1.5。對(duì)于礦山巷道，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度V=15～30 cm/s。根據(jù)式(1)并結(jié)合場(chǎng)地系數(shù)K和α的取值范圍以及礦山巷道質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度可知，當(dāng)K=150、α=1.3且V=15 cm/s時(shí)，采場(chǎng)爆破所允許的炸藥量最大為Qmax1=1 250 kg。因此，在距離豎井最近50 m處進(jìn)行采場(chǎng)爆破，且所用炸藥總量不超過1 250 kg時(shí)，爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)豎井產(chǎn)生影響。

2) 允許同時(shí)爆破采場(chǎng)數(shù)。多個(gè)采場(chǎng)同時(shí)回采能夠提高礦石回收產(chǎn)量，但可能對(duì)圍巖穩(wěn)定性造成影響。因此，有必要提出基于爆破參數(shù)估算允許同時(shí)爆破采場(chǎng)數(shù)的估算方法。

采場(chǎng)或巷道爆破作業(yè)所用的炸藥量與巷道斷面大小關(guān)系見式(2)[12]。

Q=qSLη

(2)

式中：Q為炸藥量；q為單位炸藥消耗量；S為采礦或巷道斷面面積；L為炮孔平均深度；η為炮孔利用率。

由于巖層多變，炸藥單耗目前尚不能通過理論公式精確計(jì)算。在實(shí)際工程中，多采用經(jīng)驗(yàn)公式或查表來確定，本文采用修正的普氏公式計(jì)算炸藥單耗，見式(3)。

(3)

式中：f為巖石普式系數(shù)；K0為考慮炸藥爆力的校正系數(shù)(K0=525/p，p為爆力)。 值得注意的是，對(duì)于新城金礦采用的乳化炸藥，爆力p可取為300 mL，則校正系數(shù)K0=1.75。

由于Ⅺ#礦體采場(chǎng)寬4.5 m，分層高3.3 m(炮孔進(jìn)尺)，可以求出斷面面積S=14.85 m2，結(jié)合絹英巖化花崗閃長(zhǎng)巖的普式系數(shù)f=10～12(取為平均值f=11)，則由式(3)可以求出采用2#巖石乳化炸藥進(jìn)行采場(chǎng)爆破的炸藥單耗q=1.66 kg/m3。

根據(jù)張燕軍等[13]的研究可知，新城金礦采場(chǎng)爆破過程中炮孔利用率η=65.3%～96.5%。為得到采場(chǎng)爆破所需要的最大炸藥量，可將新城金礦Ⅺ#礦體炮孔利用率η設(shè)為最大值96.5%，則結(jié)合上述已知條件可由式(2)得出一個(gè)采場(chǎng)所需炸藥量為Q1=78.5 kg。

設(shè)主豎井附近允許同時(shí)爆破的采場(chǎng)數(shù)為n，則為保證主豎井的穩(wěn)定性，同時(shí)爆破采場(chǎng)數(shù)所需的炸藥量應(yīng)不超過采場(chǎng)爆破最大允許炸藥量Qmax1，允許同時(shí)爆破采場(chǎng)數(shù)n可由式(4)進(jìn)行確定。

n≤[Qmax1/Q1]([·]為取整函數(shù))

(4)

根據(jù)式(4)得到n≤15，即在對(duì)Ⅺ#礦體進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)，最多允許15個(gè)采場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行回采爆破，以避免爆破振動(dòng)對(duì)主豎井穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2.3 基于現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的主豎井影響分析

為了分析本文提出的理論方法的有效性，有必要基于實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析結(jié)果的驗(yàn)證。圖2為Ⅺ#礦體主豎井附近的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)布置。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析，得到了爆破振動(dòng)衰減規(guī)律擬合公式，見式(5)。

(5)

由式(5)計(jì)算可知，當(dāng)15個(gè)采場(chǎng)同時(shí)開采且采場(chǎng)所用炸藥總量不超過1 250 kg時(shí)，距離主豎井R=50 m進(jìn)行礦體回采爆破，在主豎井處產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度V=3.3 cm/s，遠(yuǎn)小于安全允許振速15～30 cm/s。實(shí)際上新城金礦一個(gè)采場(chǎng)所用炸藥量不超過20 kg，主豎井附近同時(shí)開采的采場(chǎng)只有2個(gè)。因此，新城金礦Ⅺ#礦體在主豎井50 m外進(jìn)行回采爆破作業(yè)時(shí)對(duì)主豎井穩(wěn)定性造成影響極小或不會(huì)造成影響，這說明基于本文理論方法評(píng)估爆破振動(dòng)影響結(jié)果的正確性。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置及爆破點(diǎn)位置對(duì)照?qǐng)DFig.2 Comparison diagram of measuring point layout and bursting point location

3 盲豎井爆破參數(shù)計(jì)算及其對(duì)主豎井影響分析

如圖2所示，擬刷大盲豎井與主豎井水平距離約39 m，目前直徑1.4 m，新城金礦預(yù)期在原有溜井基礎(chǔ)上通過爆破方式將溜井?dāng)嗝嫠⒋笾林睆綖? m的盲豎井。采用2#巖石乳化炸藥(Φ32)的相關(guān)規(guī)格性能參數(shù)為[14]：藥卷直徑32 mm時(shí)，藥卷質(zhì)量p=0.2 kg，藥卷長(zhǎng)度m=0.2 m時(shí)，裝藥系數(shù)a=0.5～0.7。

3.1 盲豎井爆破參數(shù)計(jì)算

1) 盲豎井爆破所需最大總炸藥量。由盲豎井刷大導(dǎo)致的斷面積增量由式(6)進(jìn)行計(jì)算。

(6)

式中，d0、d1分別為盲豎井?dāng)U大前后的直徑。

根據(jù)式(6)可得盲豎井需要刷大的面積S=11 m2；根據(jù)式(3)可得使用的2#巖石乳化進(jìn)行盲豎井刷大時(shí)的炸藥單耗q=1.925 kg/m3。

設(shè)Qmax2為盲豎井爆破所需最大總炸藥量。依據(jù)盲豎井與主豎井之間的相對(duì)位置關(guān)系可知，兩者最近水平距離為39 m。為了滿足當(dāng)在離主豎井最近采場(chǎng)進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，井筒不受其影響的前提條件，則需使爆破振動(dòng)安全允許距離R≥39 m?；谑?1)計(jì)算可得當(dāng)K=150、α=1.3且V=15 cm/s時(shí)爆破所需炸藥量達(dá)到最大值Qmax2=593.19 kg。這說明當(dāng)在距離豎井最近處爆破，且所用炸藥總量不超過593.19 kg時(shí)，盲豎井爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)主豎井產(chǎn)生影響。

2) 盲豎井爆破所需炮孔總數(shù)目。盲豎井一次爆破所需的總炸藥量Q依據(jù)式(2)確定以后，則可采用式(7)計(jì)算炮孔數(shù)目。

(7)

式中：N為炮孔數(shù)目；a為裝藥系數(shù)(一般為0.5～0.7)；p為每個(gè)藥卷質(zhì)量；m為每個(gè)藥卷長(zhǎng)度。

結(jié)合式(2)和式(7)可得炮孔數(shù)目與斷面面積等參數(shù)之間的關(guān)系式，即式(8)。

(8)

則盲豎井爆破所需最大的炮孔總數(shù)目Nmax見式(9)。

Nmax=

(9)

最小的炮孔總數(shù)目Nmin見式(10)。

Nmin=

(10)

因此，爆破盲豎井所需的炮孔總數(shù)目N=20～41個(gè)。

3) 盲豎井爆破單孔裝藥量。在盲豎井爆破中，新城金礦對(duì)炮孔布置進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，即預(yù)裂孔間距設(shè)置為a=0.6 m，爆破孔排距Wp=0.8 m，炮孔長(zhǎng)H=4 m。盲豎井爆破的單孔裝藥量可由式(11)進(jìn)行確定[15]。

Q0=qWpaH

(11)

由式(11)及已知得Q0為3.696 kg。

3.2 盲豎井爆破振動(dòng)對(duì)主豎井穩(wěn)定性影響評(píng)價(jià)

結(jié)合前述得到的盲豎井爆破所需炮孔總數(shù)目N和單孔爆破裝藥量Q0，可知盲豎井爆破實(shí)際所需的總炸藥量，見式(12)。

Qt=Q0×N

(12)

通過式(12)計(jì)算可得Qt=73.92～151.54 kg，而通過薩道夫斯基公式計(jì)算得到的爆破所需炸藥量最大值Qmax2=593.19 kg，顯然有Qt

3.3 盲豎井爆破開挖后對(duì)主豎井影響的數(shù)值模擬分析

盲豎井刷大爆破振動(dòng)對(duì)主豎井穩(wěn)定性的影響，可以通過刷大過程中主豎井圍巖塑性區(qū)的變化來進(jìn)行定量研究和判斷。本文基于有限差分軟件FLAC3D，對(duì)-380 m水平盲豎井刷大對(duì)主豎井穩(wěn)定性影響進(jìn)行模擬分析。

1) 模型簡(jiǎn)介。根據(jù)主豎井與盲豎井實(shí)際位置圖形資料，采用Rhinoceros和Griddle(通用網(wǎng)格處理器插件)建立模型和劃分網(wǎng)格模型，最后導(dǎo)入FLAC3D軟件。采用地應(yīng)力公式計(jì)算并施加邊界條件[16]，見式(13)和式(14)

σh,max=2.15+0.052 2H

(13)

σh,min=0.73+0.024 6H

(14)

式中：σh,max、σh,min分別為最大水平地應(yīng)力、最小水平地應(yīng)力；H為埋深(本文為410 m)。其中，最大水平地應(yīng)力垂直于礦體走向，最小水平地應(yīng)力平行礦體走向。

為簡(jiǎn)化分析和計(jì)算，數(shù)值模型僅考慮主豎井、盲豎井和圍巖(模型尺寸100 m×100 m)，對(duì)于周圍復(fù)雜的礦體、巷道和水倉(cāng)等工程不作考慮。二維平面應(yīng)變模型如圖3所示。

2) 模型參數(shù)?；诂F(xiàn)場(chǎng)3GSM結(jié)構(gòu)面掃描和Hoek-Brown準(zhǔn)則，估算的新城金礦巖體參數(shù)見表2。

圖3 FLAC3D平面應(yīng)變模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of FLAC3D plane strain model

表2 巖體參數(shù)賦值Table 2 Rock mass parameter assignment

圖4 最大主應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of maximum principal stress

圖5 塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of plastic zone

3) 數(shù)值模擬結(jié)果與分析。圖4和圖5分別為最大主應(yīng)力云圖和塑性區(qū)云圖。由圖4可知，盡管盲豎井刷大會(huì)導(dǎo)致其附近圍巖應(yīng)力重分布，但對(duì)主豎井基本沒有影響。對(duì)比盲豎井刷大前后主豎井圍巖的塑性區(qū)(tension-p)范圍可知，盲豎井的刷大不會(huì)引起主豎井周邊出現(xiàn)更多的塑性區(qū)(圖5)，說明盲豎井?dāng)嗝嫠⒋蟛粫?huì)影響主豎井的穩(wěn)定性。這主要取決于三個(gè)方面：①盲豎井與主豎井距離相對(duì)較遠(yuǎn)(39 m)；②盲豎井刷大斷面較小，從而引起的工程擾動(dòng)較?。虎蹏鷰r條件較好，強(qiáng)度較高。

4 結(jié) 論

本文采用理論方法評(píng)估了新城金礦主豎井附近礦體回采及盲豎井?dāng)嗝嫠⒋筮^程中爆破振動(dòng)對(duì)主豎井穩(wěn)定性的影響，并對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下所述。

1) 當(dāng)在距離豎井50 m處進(jìn)行采場(chǎng)爆破時(shí)，最大炸藥量不超過1 250 kg，允許同時(shí)爆破采場(chǎng)數(shù)不超過15個(gè)時(shí)，采場(chǎng)爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)主豎井安全產(chǎn)生影響；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律分析驗(yàn)證了本文提出的理論方法的有效性。

2) 評(píng)估了盲豎井刷大過程中爆破振動(dòng)對(duì)主豎井安全的影響，得到了盲豎井爆破所需的最大允許總藥量、炮孔總數(shù)和單孔裝藥量；通過對(duì)比分析盲豎井爆破所需的炸藥量與最大允許總藥量之間的關(guān)系以及數(shù)值模擬結(jié)果表明，盲豎井刷大不會(huì)對(duì)Ⅺ#礦體主豎井穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3) 由于現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)分析復(fù)雜，基于本文提出的理論分析方法可為爆破振動(dòng)影響的快速評(píng)價(jià)和爆破參數(shù)的初步設(shè)計(jì)提供可行的手段。