何家采区爆破振动波传播规律的研究

陈庆凯 孙运峰 李桂臣 雷 高 贾建军 秦志辉

(1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819；2.鞍钢矿业爆破有限公司,辽宁 鞍山 114046)

何家采区爆破振动波传播规律的研究

陈庆凯1孙运峰1李桂臣1雷 高1贾建军2秦志辉2

(1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819；2.鞍钢矿业爆破有限公司,辽宁 鞍山 114046)

爆破振动是爆破的三大危害之一，它能使爆区周围的工业建筑和民房受损，形成严重的爆破危害。为了研究弓长岭露天铁矿何家采区生产爆破所产生的振动波传播规律和对周边环境的影响程度，控制爆破振动负面效应，对其生产爆破在爆区与其附近的何家村之间采用定点观测的方法进行监测，获得了爆破地震波形数据，详细分析了爆破地面质点振动速度、频率和持续时间等特征参数。分析结果表明，采区生产爆破时产生的爆破地震效应较弱，因此，生产爆破所产生的爆破振动对何家采区周围的居民房屋危害不大。同时，利用最小二乘法对测得的数据进行线性回归，得出了质点振动速度经验公式，为确定矿山不同爆区生产爆破的最大同段药量和预测、控制爆破振动强度提供了参考。

爆破振动 传播规律 最小二乘法 质点振动速度

矿山生产爆破必然会产生爆破振动，对周边环境造成一定的影响，其对周边环境的影响程度有多大以及如何降低爆破振动产生的负面效应己成为研究人员和工程人员特别关注的问题之一[1-3]。研究爆破振动波传播规律既是使爆破振动负面效应得到有效控制的前提和基础，又为降低爆破振动危害提供了依据[4]。鉴于弓长岭露天铁矿何家采区周围居民反应矿山在生产爆破过程中对其房屋造成了影响，为研究其影响程度，控制爆破振动负面效应，在爆区附近通过定点监测，根据经验公式拟合出了振动衰减规律，实现了对爆破振动强度的预测和控制。

1 采区概况

弓长岭露天铁矿何家采区是鞍钢集团弓长岭矿业公司主要采区之一，设计铁矿石生产能力400万t/a，其中贫磁铁矿300万t/a。经过多年的连续开采，已由原来的山坡露天开采转入深凹露天开采。目前正在开采128 m水平和116 m水平，封闭圈标高212 m。何家采区矿体节理裂隙发育，坚固性系数f=13，采用中深孔爆破，炮孔直径250 mm，填塞长度6.5 m，耦合连续装药，炸药类型为乳化铵油炸药(乳化∶铵油=2∶1)。

2 测试系统与监测方案

2.1 测试系统

爆破地震测试系统选用加拿大Instantel公司生产的MiniMate Plus爆破地震仪，每台MiniMate Plus爆破地震仪可以连接2个三向(横向、垂向、轴向)标准振动速度传感器。MiniMate Plus爆破地震仪测试的爆破地震振动速度范围为0～254 mm/s，频率范围为2～250 Hz。当采样速率为2 048次/s时，可以连续记录26 s爆破振动事件。

2.2 测试方案

何家村位于采区的东北方向，在何家村与采区之间的观测台和采矿车间附近布置6个测点。受测试现场条件限制，6个测点没有完全在1条直线上，但方向基本趋于一致。共分5次对5个爆区分别进行爆破振动测试，5个爆区的爆破参数详见表1。测点与爆区的位置关系如图1所示。在图1中，爆区标记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，监测点标记为①、②、③、④、⑤、⑥。

表1 爆破参数Table 1 Blasting parameters

图1 爆区与监测点的位置Fig.1 The locations of Blasting area and monitoring points

3 测试结果与分析

3.1 测试结果

爆破振动测试共进行了5次，每次测试选择的爆区均为矿山生产爆破对周围村民住宅影响较严重的位置，获得了21个测点数据，其中爆破振动质点速度列于表2，爆破振动频率与持续时间列于表3。

3.2 数据分析

大量的理论研究和实测结果表明，在爆破地震作用下，建筑物的破坏不仅取决于地面质点振动速度，而且和振动频率、持续时间及建筑物的固有特性密切相关[5]。在相同振动强度条件下，频率越低，破坏能量就越大。同时，建筑物的自振频率很低，一般在几赫兹左右，频率低更容易与建筑物形成共振，形成更大的破坏作用。爆破振动持续时间的长短，对建(构)筑物的影响程度也不尽相同，在同样振动强度作用下，持续时间越长，其破坏力就越大。所以在评价爆破振动对建(构)筑物的危害时，除用振动强度和主振频率作为破坏判据外，还应考虑爆破振动持续时间对建(构)筑物的累积破坏作用[6]。

表2 爆破振动质点速度Table 2 Blasting vibration particle velocity

表3 爆破振动频率与持续时间Table 3 Blasting vibration frequency and duration time

从表2中的测试结果可知，生产爆破引起位于采场边缘的观测台上的爆破振动质点速度最大，其值为11.3 mm/s；采矿车间院内仅1次达到5.48 mm/s，其余均低于5.0 mm/s，而周围村民住宅在⑥号测点以东80 m以外，由此可以判定居民住宅的爆破振动强度低于5.0 mm/s。由于居民房屋多为平房，由表3和表4可知，其允许的最大质点振动速度值在0.5～1.2 cm/s之间。同时，何家采区爆破地震持续时间较短，不到2 s，其中掘沟爆破地震持续时间只有一个超过1 s，其值仅为1.2 s。通过综合考虑爆破振动质点速度、爆破振动频率和爆破振动持续时间三方面因素，可知爆破地震对周围居民房屋的危害不大。

表4 爆破振动安全允许标准(GB6722—2003)[7]Table 4 Blasting vibration safe and permitted standard (GB6722-2003)

3.3 质点振动速度公式的回归

爆破是一个非常复杂的过程，很难对其进行定量的研究，以往的工程人员根据多年的工作经验，对质点振动速度与药量之间的关系提出不同的经验表达式，我国主要采用M.A.萨道夫斯基公式[7]：

(1)

式中，v为质点振动速度最大值，cm/s；Q为装药量，kg。齐发爆破时为总装药量，微差爆破时为最大同段装药量；R为爆心距即监测点至爆源中心的距离，m；K为与爆破场地条件有关的系数；α为与传播介质有关的地震波衰减系数。

1966年，美国矿业局J.R.Devine在对20个采石场和建设工地的爆破振动观测数据进行统计分析的基础上，提出了柱状装药结构[8]振动速度与药量之间的关系表达式：

(2)

公式(1)和(2)中系数K、α值可通过大量现场试验，采用最小二乘法进行回归得到。常用值列于表5。

表5 不同岩石性质的K、α值Table 5 Different rock properties of K、α value

露天深孔爆破时采用的是柱状装药，质点振动速度采用公式(2)回归更合理。将所测得的数据用最小二乘法进行回归，可得到质点振动速度公式如下：

(3)

3.4 最大同段装药量的确定

何家采区周围村民房屋离最近1个爆区的距离为513 m，为保证村民房屋的安全，允许的爆破最大质点振动速度为0.5 cm/s，将其代入(3)式得Q=881 kg，即最近一个爆区允许的最大同段装药量为881 kg。

4 结 论

(1)爆破地震强度低。矿山生产爆破产生的爆破地震效应较弱，5次监测仅1个测试结果为v=1.13 cm/s，其余均小于该值，而该结果是在采场封闭圈边缘观测台上测得，其生产爆破为掘沟爆破；采矿车间院内的测试结果仅一个测点为v=0.55 cm/s，其余均低于v=0.5 cm/s，由于采场周边居民房屋距爆区的距离均远于采矿车间，故可以判定居民住宅处的爆破地震强度不会超过采矿车间院内的爆破地震强度。

(2)爆破地震频率高。主振频率在6.7～19.3 Hz之间，其中10～19.3 Hz的占84.2% 。

(3)爆破地震持续时间短。掘沟爆破地震持续时间在0.34～1.2 s之间，多数不超过1 s；台阶爆破地震持续时间较掘沟爆破稍长些，在0.89～1.7 s之间。

(4)质点振动速度公式。采用最小二乘法回归出的质点振动速度公式，可用于指导现场爆破设计，确定不同爆区的最大同段药量。

(5)值得注意的是为了回归出更具代表性的质点振动速度公式，应该获得大量的数据，而本次回归的数据量明显偏少，有待进一步验证。

(6)为进一步减小爆破振动对周围居民房屋的影响，针对弓长岭露天铁矿何家采区的生产爆破提出如下建议：①采用单孔起爆技术，降低最大同段起爆药量；②尽量改压碴爆破为清碴爆破；③调整掘沟位置，掘沟时第一炮应选择在采区的中部以西位置。

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[3] 姚 勇，何 川.并设小净距隧道爆破振动响应分析及控爆措施研究[J].岩土力学.2009，30(9)：2815-2822. Yao Yong,He Chuan.Analysis of blasting vibration response of parallel set small clear-distance tunnels and blasting control measures[J].Rock and Soil Mechanics.2009,30(9):2815-2822.

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[5] 周 铎.爆破振动对古建筑物的影响以及古建筑物的防震措施[D].包头：内蒙古科技大学，2010. Zhou Duo.The Analysis of Mine Blasting Vibration on the Impact of Ancient Architecture[D].Baotou:Inner Mongolia University of Science and Technology,2010.

[6] 孙豁然，佟彥军，李孝林，等.露天煤矿抛掷爆破振动效应的研究[J].爆破，2008，25(1)：69-73. Sun Huoran,Tong Yanjun,Li Xiaolin,et al.Study on the vibration effect of sling blasting in an open coal mine[J].Blasting,2008,25(1):69-73.

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[8] 卢文波，Hustrulid W.质点峰值振动速度衰减公式的改进[J].工程爆破，2002，8(3)：1-4. Lu Wenbo,Hustrulid W.An improvement to the equation for the attenuation of the peak particle velocity[J].Engineering Blasting,2002,8(3):1-4.

(责任编辑 石海林)

Research of the Law of Blasting Vibration Wave Propagation in Hejia Mining Area

Chen Qingkai1Sun Yunfeng1Li Guichen1Lei Gao1Jia Jianjun2Qin Zhihui2

(1.CollegeofResourceandCivilEngineering，NortheasternUniversity,Shenyang110819,China; 2.AnshanIronandSteelMiningBlastingCo.,Ltd.,Anshan114046,China)

Blasting vibration is one of the three major hazards of blasting.It can make industrial buildings and civil buildings around the blasting area damaged,resulting in serious blasting hazards.In order to explore the law of vibration wave propagation in production blasting in Hejia mining area of Gongchangling open-pit iron mine and the impact on the surrounding environment to control the negative effects of blasting vibration,the fixed point observation on the production blasting is made to monitor the area between the blasting areas and near the village,obtaining the blasting seismic wave data.The parameters of particle vibration velocity at blasting point,blasting frequency and duration time are analyzed in detail.The analysis results show that blasting seismic effect during the mining blasting is weak,so the blasting vibration has little harm to the residents' houses around Hejia mining area.The linear regression of the data is realized by using the least squares method,obtaining the particle vibration velocity empirical formula,which provides the reference for determining the maximum charge at the same interval in different blasting area,and predicting and controlling the blasting vibration intensity.

Blasting vibration,Propagation law,Least squares method,Particle vibration velocity

2014-05-09

陈庆凯(1965—)，男，副教授，博士，硕士研究生导师。

TD854.2

A

1001-1250(2014)-10-018-04