复杂环境下大规模中深孔控制爆破振动规律的试验研究

2011-11-15陈颖锋王茂玲史太禄王迪安

采矿技术 2011年5期

关键词：中远质点区段

陈颖锋,王茂玲,史太禄,王迪安

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

复杂环境下大规模中深孔控制爆破振动规律的试验研究

陈颖锋,王茂玲,史太禄,王迪安

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

为了探索复杂环境下大规模中深孔控制爆破振动的传播规律,根据大量现场观测结果,经数值计算和分析,发现了爆破近区爆破地震波质点峰值振动速度随比例距离变化而变化的传播规律,并首次提出了在硬岩爆破比例距离小于 8的为爆破近区、大于 8的为中远区爆破范围的划分标准。同时根据爆破振动观测结果,应用最小二乘法原理编程进行回归分析和方差分析,得出了不同岩性条件下中深孔控制爆破近区的爆破振速计算公式。

中深孔爆破;爆破振动;爆破近区;比例距离

1 复杂环境下大规模中深孔控制爆破振动规律的试验研究

1.1 试验研究的理论依据

前苏联《爆破工程师手册》中相关资料认为:在地震波作用区,质点峰值振动速度随 R-1增加而降低;在爆破作用近区,岩石呈非线性弹性状态,质点峰值振动速度随 R-1.5增加而降低。大量国内外爆破地震观测资料表明:反映爆破振动强度的诸物理量与最大一段装药量、测点距爆源中心距离、岩土及场地条件等因素有密切关系,大致可总结出如下经验公式:

式中:A——反映爆破振动强度的物理量;

Q——最大一段装药量,kg;

R——测点距爆源中心距离,m;

K——反映场地条件的常数;

α——衰减指数。

分析式(1)知,描述爆破振动的诸物理量与距离和药量 (Q1/3/R)有关,为突出表述爆破振动物理量随距离增加而减少,将式 (1)作如下变换:

式中,ρ称之为比例距离,ρ=R/Q1/3,其它符号含义同式 (1)。

分析式 (2)得知,影响爆破振动诸物理量的因素中,除与地质条件有关且无法改变的场地常数 K和衰减指数α外,就只有比例距离。因此只有依据比例距离的大小来划分爆破地震影响区域。但合适比例距离值需要进行实验观测和计算分析。

1.2 试验研究方案、观测物理量选择及观测系统的确定

根据某高速公路 J2标段 K291+650至 K292+360区段的岩石性质及岩石结构情况,选择 K291+650-850区段的二级台阶作为试验研究区段。将整个试验区段分成岩石坚硬区段 (即 K291+650-790区段)和岩石破碎区段 (即 K291+790-850区段),对这两个区段分别布点观测。根据爆破参数及爆破影响区域划分原则及经验,参考以往观测资料,初步确定以测点距爆心 60 m以内 (比例距离约为 16)为爆破地震波传播近区,而 60 m以外 (比例距离大于 16)则为中远区。根据观测方案与质点垂直方向振动速度观测物理量,预估被测信号大小及频率范围,选择观测系统。观测系统由拾震仪、信号传输线、测震仪及一套分析软件组成。

1.3 试验研究结果及分析

现场观测共获得有效爆破地震波形 111个,对波形进行时域分析和频谱分析,得有效数据 333组。其中破碎岩波形 48个,数据 144组,坚硬岩波形 63个 ,数据 189组。

质点峰值振动速度在 0.04～9.90 cm/s范围内变化,破碎岩的质点峰值振动速度最小,坚硬岩的质点峰值振速最大;主频率在 9.16～51.27 Hz范围内,最小的在破碎岩中,最大的在坚硬岩中;振动持续时间在 298～1165 ms内变化,振动持续时间最短的在破碎岩中,最长的在坚硬岩中。

在工程中一般都采用经验公式描述爆破地震波随距离的衰减规律,如式 (2)所示。将质点峰值振动速度 v代入式 (2),即可得到描述爆破地震波质点峰值振动速度随距离的衰减规律的经验公式:

式中,v为质点峰值振动速度,cm/s,其它符号含义同式 (2)。

1.3.1 破碎岩观测结果分析

对破碎岩的 144组观测数据结果按比例距离排序,仔细观察质点峰值振动速度随比例距离的变化规律可知,在等效距离ρ等于 16时有一拐点。以这个拐点作为近区和中远区的分界点,按最小二乘法原理编程,对 144个观测数据进行回归分析和方差分析,分析结果见表1,质点峰值振动速度与等效距离的回归曲线见图1。

表1 破碎岩 k、α值及方差分析结果

图1 破碎岩比例距离与质点峰值振动速度的关系曲线

从表1和图1可以看出,破碎岩近区的爆破地震波传播规律可用下列经验公式表达:

式中各符号意义同公式 (1)。

从表1中得知,公式 (4)的相关系数 R分别为0.92和 0.94,标准偏差 Sy分别为 0.18和 0.16,表明数据规律性好,是线性相关的;用公式 (4)可描述某高速公路 J2标段 K291+790-850区段地形地质条件和大规模爆破方式下的近区爆破地震波传播规律。两者检验比值 F都大于 0.001水平下的显著值 F0.001,说明公式 (4)在标准偏差范围内的置信度大于99.9%。所有这些都表明,可以利用公式 (4)来指导爆破施工设计。

为研究破碎岩主频率随等效距离的变化规律,将观测数据按等效距离排序。在大规模爆破方式下近区主频率在 12.21～49.44 Hz变化,其中 20 Hz以上的占 33.33%,20 Hz以下的占 66.67%;在中远区,主频率在 9.16～23.8 Hz变化,20 Hz以上的占25%,20 Hz以下的占 75%。

图1中两直线的斜率分别表示近区和中远区的衰减指数 k,直线截距分别表示近区和中远区的场地常数α。对比图中两直线的斜率和截距看出,直线 1的斜率和截距均大于直线 2的斜率和截距。因此从直观上初步得出了近区的场地常数和衰减指数均大于中远区的场地常数和衰减指数的结论。

1.3.2 坚硬岩观测结果分析

对坚硬岩的 189组观测数据按比例距离排序,仔细观察质点峰值振动速度随比例距离变化规律,可以发现,在比例距离小于 8时,质点峰值振动速度比较离散,且有几个极值点;在比例距离大于 8时,质点峰值振动速度突然变大,随后逐渐衰减变小。因此可以认为比例距离等于 8为近区和中远区的分界点,比例距离小于 8的为近区,大于 8的为中远区 ,见图2。

图2 坚硬岩近区质点峰值振动速度与比例距离的关系曲线

在近区,由于质点峰值振动速度比较离散且有3个极值点出现,因此用 4次多项式对这区域内的参数进行回归分析和方差分析,回归分析结果见式(5),方差分析结果见表2,比例距离与质点峰值振动速度曲线见图2。

表2 坚硬岩 k、α值及方差分析结果

从表2得知,公式 (5)的相关系数 R为 0.92,标准偏差 Sy为 0.49,表明数据规律性好,是相关的;用公式 (5)可以描述某高速公路 J2标段 K291+650-790区段地形地质条件和大规模爆破方式下的近区爆破地震波传播规律。检验比值 F大于 0.001水平下的显著值 F0.001,说明公式 (5)在标准偏差范围内的置信度大于 99.9%。所有这些都表明,可以利用公式(5)指导该区段近区爆破施工设计。

为研究坚硬岩主频率随距离的变化规律,将观测数据按比例距离排序。在近区,主频率在13.43～50.05 Hz变化,其中 20 Hz以上的占 76.92%,20 Hz以下的占 23.08%;在中远区,主频率在 14.65～51.27 Hz范围内变化,20 Hz以上的占 67.57%,20 Hz以下的占 32.43%。显然,爆破地震波主频率有随距离增加衰减的趋势。