露天矿山爆破振动控制技术的综合评价

董英健 于研宁 郭连军 徐振洋 贾建军 郭航伸 包 松

（1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁鞍山114051；2.鞍钢矿业爆破有限公司，辽宁鞍山114046）

爆破振动是施工过程中必然产生的自然现象，影响着矿山的生产安全，一直视为露天矿山首要解决的灾害[1-3]。如何控制爆破振动强度在安全范围之内是目前面临的一个主要难点问题。雷明等[4]基于爆破振动峰值速度理论分析了地下矿爆破振动产生的冲击波对周围岩层的影响范围，进而对地下巷道稳定性做出了评价。张家斌等[5]利用统计学方法建立了东川岭矿的爆破振动传播模型，在保证爆破效果条件下降低炸药量的减振措施。李宇星等[6]从爆破振动的频率和速度角度出发，基于地震波传播理论对爆区周围房屋稳定性展开了评估。占城[7]等将现场监测与数值模拟综合对建筑物的动态响应特征，为建筑物安全稳定性提供预测。辛红园等[8]利用ansys分析软件对爆区邻近的输电塔展开了数值模拟，保证了其安全性。文献[9-10]从岩石结构的角度出发，建立振动传播与岩石结构的内在联系，提出了岩石性质对爆破振动的影响。结合国内外学者的研究成果，本研究以某矿山工程为依托，利用现场试验、数值模拟等手段从爆破振动速度、加速度振级角度对控制爆破振动技术的可行性做出评价。

1 工程概况

关宝山矿位于鞍山市高新区千山镇，隶属于鞍钢矿业有限公司。在关宝山采场西区的西南侧，坐落有山印子村，该村现有居民270户，距采场边界均超过100 m。结合地质条件，基于爆破地震波传播理论，在离爆区几何中心15 m的位置分别布置单排减振孔、双排减振孔。初步设计减振孔孔径为250 mm，孔间、排间距均为2 m，配合使用2号岩石乳化炸药，采用径向不耦合装药结构及逐孔微差起爆方式。为了验证方案的减振效果，分别对无减振孔、单排减振孔、双排减振孔条件下爆破振动强度的监测以及对减振孔的布置形式、数目等展开了定量分析。

2 现场测试

结合上述的提出的减振方案，在-96 m台阶分别对无减振孔、单排减振孔、双排减振孔条件下展开振动速度、加速度振级监测，在单排减振孔方案中，共布置16个减振孔，其中减振孔与爆破区域几何中心为15 m，按射线位置布置4个测点，每个测点之间的间距为10 m。而双排孔减振方案中，初步设计为32个减振孔，前排减振孔距离爆破区域几何中心仍为15 m，同样也布置4个测点，每个测点之间的间距仍为10 m。减振方案空孔布置如图1所示。

3 结果分析

3.1 爆破振动速度的对比分析

本次台阶爆破振动测试采用TC-4850振动监测仪。-96 m水平台阶深孔爆破时，在该台阶共布置4台仪器，仪器摆放位置由上述图1所示，进行爆破信号收集。对单排减振孔、双排减振孔、无减振孔试验的监测数据整理，由于本次监测数据较多，仅列举出部分数据，统计数据结果如表1所示。

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结合表1监测的数据，为了直观地分析振动峰值速度的变化规律，易于比较上述提出的减振方案的优越性，绘制测点在单排减振孔、双排减振孔、无减振孔条件下峰值速度变化曲线，如图2～图3所示，以及对比3种方案下的降振率，确定降低爆破振动对周围介质的最优措施。

本次测振共展开10次，测振地点位于-96 m水平台阶上。由表1可得：当在-96 m水平台阶上没有布置减振孔时，其中监测的最大峰值速度的达到8.65 cm/s，位于测点1处；即使监测中峰值速度最小值也达到了5.10 cm/s，位于测点4处。总体振动效应较大。

在距离爆区15 m处布置单排空孔时，监测的水平径向、水平切向、垂直方向振动峰值速度均有不同程度的减小。测点1、测点2、测点3、测点4的最大振动峰值速度分别为 5.21 cm/s、4.87 cm/s、3.12 cm/s、2.56 cm/s，相对于无减振孔试验来说，振动峰值速度降低了39.7%、33.6%、56.1%、49.8%，可见降振效果较为明显。

针对布置的双排孔方案，在距离爆区15 m的位置处布置两排空孔，在后排空孔外布置4个测点，结合图3可以得出，相对于单排减振孔来说，双排减振孔的降振效果更加明显。距离爆区15 m的双排减振孔后方监测的峰值速度最大为3.14 cm/s，位于测点1位置，相当于单排减振孔同位置的0.62倍。另外相对于无减振孔方案测点1、测点2、测点3、测点4位置的降振率分别为63.7%、63.4%、71.4%、61.8%，近似于单排减振孔的试验方案的2倍。由图2～图3可得出爆破振动峰值速度：无减振孔＞单排减振孔＞双排减振孔，而降振率：双排减振孔＞单排减振孔。因此，在距离爆区15 m处布置双排空孔降振效果最佳，该结论可为现场施工提供指导意见。

3.2 爆破振动加速度振级的对比分析

本次台阶爆破振动测试采用杭州爱华仪器有限公司研究开发的振动加速度监测仪。-96 m水平台阶深孔爆破时，在该台阶共布置4台仪器，仪器摆放位置由图1所示，进行爆破振动加速度信号收集，结果见表2。测试前，先将加速度传感器固定于基岩上，然后将传感器接头连接完毕后，最后开启电源，仪器进入工作状态；测试后，将仪器简单擦拭，并按照要求放入工具箱。

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结合表2可以得出，相对于单排减振孔来说，双排减振孔的降振效果更加明显。距离爆区15 m的双排减振孔后方监测的加速度振级最大为65 dB，位于测点1位置，相当于无减振孔同位置的0.59倍、单排减振孔同位置的0.68倍。另外相对于无减振孔方案测点1、测点2、测点3、测点4位置的加速度振级降振率分别为40.9%、49.1%、58.2%、60%，近似于单排减振孔的试验方案的2～3倍。综上可得出加速度振级降振率：双排减振孔＞单排减振孔。因此，在距离爆区15m处布置双排空孔降振效果最佳，与所监测的振动峰值速度相吻合。

4 不同减振孔形式对爆破振动的数值模拟分析

4.1 数值模型的建立

选取某一部位设为研究区域，考虑到中深孔爆破的实际特征，采用三维计算模型，共计划分约22 900个单元，231 000个节点，因减振孔布置形式不同，各计算模型单元与节点数略有差异。数值计算模型单元划分及几何形状如图4、图5所示。记录爆破振动速度的测线位于模型中间位置。模型总长100 m，高16 m，宽42 m。中深孔布置于模型的一侧，孔径150 mm，呈6 m×6 m方形布置，共计32个炮孔。减振孔位于炮孔前端，呈2 m×2 m梅花型布置。屈服准则选取mohr模型，均质力学参数为弹性模量35 GPa，泊松比0.22，黏聚力1.05 MPa，内摩擦角45°，抗拉强度0.5 MPa。

4.2 动力计算参数

（1）阻尼的选取。由于岩体的运动是不可逆的过程，要避免系统在平衡位置来回振荡，就要采用加阻尼的办法来耗散系统在振动过程中产生的动能。因而在动力分析时，需要确定阻尼形式和大小。FLAC动力计算中主要采用了2种形式的阻尼，即瑞利阻尼（Rayleigh Damping）和局部阻尼（Local Damping）[11-12]。局部阻尼FLAC在静力计算中采用的阻尼方法，在振动中通过在节点上增加或者减少质量的方法达到收敛，但系统保持质量守恒[13]。本文选用局部阻尼，选取目前岩土动力分析中的典型值5%，从而求得局部阻尼为0.157 1。

（2）边界条件。在动力计算中，波传播到模型边界会产生反射，这势必会影响计算的结果。理论上，模型边界选取的越大越好，但过大的模型会引起巨大的计算负担，影响效率，可操作性差。因而在FLAC中提供静态边界和自由场边界来解决这个问题。静态边界通过施加法向和切向的粘壶来吸收来自模型内部的入射波，对于入射角＞30°入射波可以完全吸收，此范围外的波也具有一定的吸收能力。本模型的研究对象为爆破载荷，来自模型的内部，范围有限。如果模型的范围足够大，选用静态边界可以达到计算的精度要求。

4.3 炮孔壁压力计算模型

三角形荷载形式需要确定两大要素：爆破荷载峰值、爆破荷载升压时间和作用时间。确定爆破荷载峰值，即确定作用在炮孔壁上的爆生气体峰值压力。在C-J爆轰条件下，炸药的平均爆轰压力为

式中，PD为炸药爆轰平均初始压力；ρe为炸药密度；D为炸药爆轰速度，γ为与凝聚态炸药性质和装药密度相关的常数，近似取值2～3，本文取3。

空气冲击波后是爆轰产物撞击炮孔壁，孔壁受到的压力明显增大，增大系数为n=8～11，本文取n=9。对于不耦合系数较小的柱状药包，此时炮孔壁上冲击波峰值压力为

式中，Pb为作用在炮孔壁上的峰值冲击压力；re为药柱半径；rb为炮孔半径；le装药长度；lb分别为炮孔长度。

式中，σr为径向应力；b=μd/(1-μd)；μd为动态泊松比，可以近似取静态泊松比的0.8倍。如果σi超过岩石的动态抗压强度σcd，则岩石将粉碎破坏。

4.4 无减振孔模型与减振孔模型的对比分析

在本次数值模型中，通过直径250 mm的null单元模拟减振孔，参照岩石松动圈理论，对减振孔周边1倍直径范围的岩体单元进行弱化，弱化后单元体力学参数为弹性模量1.5 GPa，泊松比0.22，黏聚力0.35 MPa，抗拉强度0.23 MPa，内摩擦角35°。

图6为无减振孔条件下的速率云图。图7为减振孔条件下的速率云图，Ljz=9.0 m，布置18个减振孔（指第一排减振孔），减振孔深等于炮孔深14 m。可以看出，由于减振孔的存在，减振孔周边的介质与周边原岩介质间存在较为明显的力学性能差异。振动波传播至减振孔部位后，受到明显的干扰，振动波于减振孔范围振荡，爆破产生的振动效应受限于减振孔与炮孔之间，减振孔对于振动沿x正方向传播产生了较为明显的阻断作用。

4.5 不同减振孔布置形式对振动波传播规律的影响

为了深入研究减振孔直径Djz，孔深Hjz，数目Njz等因素对爆破振动波传播的影响程度，本文引入无量纲影响系数K展开定量表述。K表示无减振爆破条件下测线上某点的z向振动速度与减振孔存在的条件下同点z向振动速度的比值。如图8所示，Va30表示无减振孔条件下测线距第1排炮孔30 m处的z向振速，Vb30表示有减振孔条件下同一点的z向振速，则K=Va30/Vb30。K值越大，表示减振孔的存在对振动波衰减的影响越明显。在图8中，K取值按距离30、35、40 m依次为1.56、2.14和1.787。

（1）减振孔数目对振动波传播规律的影响。图9为Djz=32 cm和Hjz=14 m条件下减振孔数目（半侧）为12，14和18时对振动波传播规律的影响程度，可见，在30 m、35 m和40m条件下，K值最大相差为7%，差异不影响，这主要由于减振孔对振动波的阻断作用和两侧的吸收边界所致。可见减振孔数目对振动波的影响不显著。

（2）减振孔孔深对振动波传播规律的影响。图10为Djz=32 cm和Njz=18条件下，Hjz=6～14 m，步距2 m时，减振孔孔深对振动波传播规律的影响程度，可见，在30 m、35 m和40 m条件下，K值在Hjz＞10 m时较大，此后，K值明显减小。这主要由于减振孔孔底为完整岩体，孔深减小意味着减振孔对炮孔装药断的影响变弱，有利于振动波的传播。可见，K值受减振孔孔深的影响较为明显。

（3）减振孔孔径对振动波传播规律的影响。图11为Njz=18，Hjz=14 m条件时，Djz=22～32 cm，步距2 m时，减振孔孔径对振动波传播规律的影响程度。可见，在30 m、35 m和40 m条件下Djz=30 cm时，K=1.4左右，表明此时减振孔对振动仍存在一定的影响。此后，当减振孔直径降至22 cm时，K=1.0左右，表明此时减振孔对爆破振动波基本上无任何影响。减振孔的作用范围由null单元和松动圈弱化单元2部分构成，其影响区域与减振孔半径的平方呈正比关系。若减振孔过小，则减振孔存在的矩形区域内的大多数单元与周边岩体介质单元力学性质相同，这对于沿节点传播的运动速度，不易产生影响。

5 结 论

（1）相对于无减振孔试验，单排减振孔振动峰值速度最大降低可达到56.1%；而双排孔方案振动峰值速度接近于单排减振孔同位置的0.62倍，最大降振率达到71.4%，双排减振孔的降振效果更加明显。

（2）针对双排减振孔布置方案，监测的加速度振级近似于无减振孔同位置的0.59倍、单排减振孔同位置的0.68倍，且最大降振率可达到单排减振孔的3倍，降振效果显著。

（3）减振孔的存在导致了减振孔周边的介质与原岩介质间力学性质发生较大的差异，减振孔的存在对于振动传播产生了较为明显的阻断作用。

（4）减振孔布设在20个以上后，数目再持续增加，对减振孔后区域内的减振效果不明显；减振效果受减振孔的直径影响显著，当减振孔直径降至24 cm以下时且减振孔深小于10 m时，不易取得明显的减振效果；