地下采矿爆破振动对地面环境影响的监测与分析*

杨 凯吕淑然董华兴

（1.首都经济贸易大学安全与环境工程学院；2.河北省国控矿业开发投资有限公司）

地下采矿爆破振动对地面环境影响的监测与分析*

杨 凯1吕淑然1董华兴2

（1.首都经济贸易大学安全与环境工程学院；2.河北省国控矿业开发投资有限公司）

金属地下矿山在采矿过程中，大多数矿山采用炸药爆破进行开采，爆破产生的地震波将会传播到地面，对地面建筑设施的安全产生影响。针对此问题，开展了采场爆破振动对地面环境影响的现场监测，得到了爆破振动的监测数据。选取了质点峰值振动速度评价方法对影响后果进行分析，通过利用最小二乘法原理对数据进行线性回归，得到地下采场爆破振动的萨道夫斯基公式。利用该公式对不同药量、不同距离的爆破振动速度进行预测，并就振动速度、频率、持续时间3个参数与火车通行振动产生的相应数据进行了对比，通过对比分析，就采场爆破振动提出药量控制标准。

爆破振动 地下矿山 安全影响 监测

地下矿山开采过程中，多数使用爆破法崩落矿岩。爆破时，炸药的一部分能量会转换为地震波，从爆源以波的形式向外传播，经过介质达到地表，引起地表的震动。这种震动的强度，随着爆心距的增加而减弱。在爆区的一定范围内，当地震动达到一定的强度时，会引起地表和建筑物、构筑物不同程度的破坏［1］。张世雄等人对大冶铁矿尖林山矿体无底柱分段崩落法回采进路采矿爆破振动速度的测试与研究表明，质点爆破振动速度与单响最大爆破药量和测点到爆心的距离密切相关，符合《爆破安全规程》［2］。但他并没有分析地下爆破振动对地面建筑安全的影响。因此本研究以某矿山的实际采矿情况为背景，对其进行了地面地震波的监测分析，以此为矿山安全生产提供技术支撑。

1 矿区地面环境与采场概况

1.1 地面环境

某矿山2005年建设时地表情况简单，周围没有任何建筑物以及铁路、公路等设施。2007年在矿区南侧约100 m处修建了京通铁路，之后又陆续建设了乡村公路、公园、矿区办公室、职工宿舍、村文化活动中心、宾馆、小学等公共设施，这些建筑距离矿区井口均在100 m范围以内，使该采区的地面环境十分复杂，其中公园、矿区办公室、职工宿舍、村文化活动中心、宾馆、小学等建筑在采空区岩石移动监测范围内，采空区充填后对这些建筑物的影响将会消除。矿区东侧有相邻采区开采，且部分巷道相通，相邻采区目前已经停产。

1.2 采矿方法

该矿山矿体厚度8.37～10.16 m，矿体倾角80°，矿岩稳固，由于地面分布着很多建筑和基础设施，地表不允许塌陷，因此选用平底结构浅孔留矿全尾砂嗣后胶结充填采矿法。

矿山采用YT28凿岩机钻孔，炮孔孔径42 mm，孔深4 m，孔距1.3～1.5 m，排拒0.8 m。一般钻凿1～2排，呈梅花形布孔。

爆破所用炸药为岩石膨化硝铵炸药，装药结构为孔内连续一段装药。采用普通导爆管雷管的爆破网路，其联接方法也比较简单，单孔装药14～15卷，即2.1～3 kg。一般布置1～2排炮孔，以1～3孔为一段，共10个段位。段与段间用半秒延时导爆管雷管串联，以实现分段爆破，一段最大起爆药量为6.3～9 kg。每天1班作业，1次爆破作业。

2 监测系统及监测方案

2.1 监测仪器

本次测定爆破质点振动速度采用成都中科测控有限公司生产的TC－4850型爆破振动记录仪以及配套的爆破振动分析软件，简称BVA（Blasting Vibration Analysis）。现场爆破振动速度测试传感器采用与TC－4850数据采集设备配套的速度传感器为DX3型，其主要技术指标：频响5～500 Hz；自然频率（2.9± 10%）Hz；测速范围0.1～40 cm／s；失真≤0.2%。

2.2 监测方法

本次监测参数为垂直振动速度，爆破振动监测方法是在矿区地表建（构）筑物附近不同位置呈直线状态设置垂直振动速度传感器，为了使传感器能与大地耦合良好，将传感器用快黏粉黏结于地面。然后把传感器与地震仪相连，当爆破振动信号传递到测点时，DX3型速度传感器会采集测点的信号，并转换成电信号传递给TC－4850地震仪。然后回到室内把地震仪与计算机连接，运用配套爆破振动分析软件进行数据分析和存储处理［3-4］。整个信号检测系统如图1。

图1 信号检测系统

2.3 监测方案

爆破点位于地下，爆破产生的地震波对地面建筑物的影响主要来源于振动信号的垂直分量；同时，由于本次爆破时药量小，爆破振动波的3个分量以垂直分量为主，其余2个方向上振动信号十分微弱，仪器不能采集；在《爆破安全规程》中规定的各项数值标准也主要以爆破振动垂直分量作为判断依据。因此本次监测数据只布置了垂直速度传感器。

测点沿着采空区及建筑物附近呈直线布置在地表。具体为沿着地下采空区，把测点布置在活动中心前面广场上，小学前面的公路上，居民楼附近的公园。每一测点布置速度传感器，共15个传感器。为了准确测试矿岩体爆破振动，把传感器用快黏粉与地表相连。

同时，由于在距居民区100 m附近修建了铁路，火车经过时，产生的振动对楼内的居民也会产生一定的影响。为了对比地下矿山爆破开采所产生的地震波和火车经过的振动波，本次监测同时记录火车经过时的振动信号。

3 监测结果与分析

3.1 分析方法

通常对爆破振动危害的主要分析方法是爆破地震烈度和质点峰值振动速度2种，而实践证明，质点峰值振动速度与建筑物的破坏程度具有较好的相关性，因此本次采用质点峰值振动速度对现场振动危害进行分析。

质点峰值振动速度的计算用下式［5-7］：

式中，v为质点峰值振动速度，cm／s；n为药包形状系数，欧美等国家的n值通常取1／2，我国和前苏联一般取1／3；Q为最大单响段药量，kg；R为爆心距，即测点至爆源中心距离，m；K、α为与地质条件、爆破类型及爆破参数有关的系数。

通常是通过现场试验来确定K、α值的大小。在没有现场试验资料的情况下，不同岩石的K、α值，可参考表1确定［8］。

表1 不同岩性的K、α值

我国目前评价爆破振动对建（构）筑物的危害，主要依据《GB6722—2003 爆破安全规程》规定的允许振动速度作为安全判据，该判据既考虑了爆破垂直振动速度的大小，又考虑了爆破振动主振频率的作用，各保护对象安全允许振速见文献［8］。

3.2 监测结果与规律分析

对矿山采场正常生产爆破进行监测，对不同爆破规模的3次正常采矿生产爆破进行了监测，测得了41组垂直振动速度有效数据，典型的数据见表2。

表2 爆破振动测试结果

对时域内的爆破振动信号进行FFT变换得到爆破振动频域图，分析表明，逐族爆破时，实际监测爆破振动的主频基本分布在10～90 Hz。

3.3 环境影响分析与讨论

地下爆破振动对地面建筑物影响的因素较多，从表2可以看出，地下工程爆破振动有其自身的规律。

（1）地面振动速度和单响药量Q有关。与露天爆破振动相似，地下爆破振动对地面振动速度的影响与单响最大药量有关，与总药量无关，当直线距离几乎不变的情况下，单响药量增加时，振动速度也相应的增加，如在Q＝4.2 kg时，距离66 m的振动速度为0.044 cm／s；Q＝9 kg时，距离为65 m的振动

利用ORIGIN软件中的最小二乘法原理对41组有效数据进行线性回归，得到爆破振动传播的规律性。对41个样本点进行线性回归分析得出：场地系数K值为174.16，地震波衰减指数α值为2.01，将线性回归分析得到的K值和α值分别代入式（1），可得质点垂直振动速度预测式。回归式基本能够反映其爆破振动传播的规律性。质点垂直振动速度峰值的预测式为速度为0.119 cm／s。

（2）地面振动速度还与爆心距R有关。当单响药量相同的时，地面测点振动速度距爆点越近，其振动速度越大。如表中Q＝9 kg时，爆心距为65 m时，振动速度为0.119 cm／s，爆心距为169 m时，振动速度为0.018 cm／s。

（3）利用式（2）分别对最大单响药量为4.2 kg和9 kg时的爆破振动进行预测，在对比的41组数据中，有23组数据的实测值大于预测值，平均误差值为0.039 cm／s。有18组数据的预测值大于实测值，平均误差值为0.018 cm／s，监测值与预测值十分接近，这也意味着预测值安全可靠。

按照式（2）预测采场生产爆破最大单响药量9 kg时，在距爆点水平距离最近40 m的活动中心处和最近距离为52 m的村民小区的爆破振动预测速度值分别为0.062 cm／s和0.034 cm／s。完全满足《GB6722—2003 爆破安全规程》的规定：对于土窑洞、土坯房、毛石房屋，当10～50 Hz时，爆破振动速度为0.7～1.2 cm／s的允许值［3］。爆破振动速度远远小于允许速度值的下限，并且分别保留11.3～19.4倍和20.6～35.3倍的富余量。

（4）尽管国内外都有专家倡导用加速度值或速度值作为安全判据，但我们的意见是采用质点振动速度值与振动频率以及振动持续时间相结合来作为安全判据更好［9］。因此本研究将火车通行与爆破振动的这3方面相应参数进行对比。利用式（2），采用Q＝9 kg对爆破振动速度进行预测。预测结果与火车通过产生的振动速度进行对比，在当前爆破水平及爆破规模下，采矿爆破所产生的爆破振动相比于矿区铁路上行驶的火车来说，采矿爆破振动效应比火车行驶产生的振动速度更大。对比结果见表3，振动频谱对比见图2。

表3 火车与爆破振动速度对比

从图2中可以看出爆破振动频率较高，范围较广，在25～100 Hz。而火车通行产生的振动频率在10～20 Hz，频率低，范围窄。由于建筑物的自然频率一般都比较低，当持续时间和振动速度都相同的情况下，低频波的危害比高频波的危害大，因为当爆破振动主频率接近或等于建筑物结构主频率时，容易产生共振。因此火车振动频率对建筑物危害大。

从图3（a）可以看出，爆破震动波形持续时间较短，一般在1 s内，持续时间较短，而火车通行产生的振动持续时间与火车长度、铁轨长度、通行速度有关持续时间一般在90 s左右，见图3（b）。振动频率和幅值相同时，不同的爆破震动持续时间引起的结构应力响应最大值是相同的，但对考虑累积损伤的结构来说，结构产生的塑性应变随震动持续时间的增加而增大［10］。因此火车经过的持续时间将会对建筑结构的塑性应变产生一定的影响。

由此，说明地下采区采矿爆破振动在频率和持续时间上比火车小。振动速度与火车振动速度相当，均在毫米级，采用正常的爆破规模不会对其附近的建（构）筑物造成不利影响。

图2 振动频谱图

4 结 论

对于进行爆破开采的地下矿山，其爆破振动对地表环境的影响可以采用分析质点峰值振动速度方法来评价其危害后果。

以上分析表明，目前矿山正常生产爆破，最大单响药量9 kg时，爆破产生的爆破振动对距采场四周的建（构）筑物不会造成不利影响。其振动速度比火车振动速度稍大，但在毫米级，且相对于爆破安全规程中规定的安全限值，留有足够的富余量。爆破振动频率比火车通行频率高和持续时间比火车通行时短，因此可以认为其危害不及火车行驶振动。

图3 振动持续时间

［1］田东胜，王云海.地下开采爆破地震动安全评价［J］.中国职业安全卫生管理体系认证，2004（6）：13-14.

［2］张世雄，胡建华，等.地下工程爆破振动监测与分析［J］.爆破，2001，18（2）：49-52.

［3］吴德伦，叶晓明.工程爆破安全振动速度综合研究［J］.岩石力学与工程学报，1997，16（3）：266-273.

［4］李庆利.放马峪铁矿爆破振动预测分析［J］.工程爆破，2009，15（1）：13-15.

［5］郑晋溪.萨道夫斯基公式在隧道中夹岩爆破振速分析中的适用性研究［J］.福建建设科技，2011（5）：68-70.

［6］易长平，赵明生，崔正荣.基于独立分量分析的爆破振动信号分离仿真试验［J］.爆破，2010，27（1）：31-36.

［7］朱传统，刘宏根，梅锦煜.地震波参数沿边坡坡面传播规律公式的选择［J］.爆破，1988（2）：30-31.

［8］GB 6722—2003 爆破安全规程［S］.北京：中国标准出版社，2004：42-43.

［9］林世雄.爆破测振技术有关问题的探讨［J］.爆破，2009，26（2）：105-107.

［10］陈士海，魏海霞，钱七虎.爆破震动持续时间对结构震动响应影响研究［C］∥现代爆破理论与技术：第十届全国煤炭爆破学术会议论文集.北京：煤炭工业出版社，2008：11-18.

Yang Kai1Lu Shuran1Dong Huaxing2
（1.School of Safety and Environment Engineering，Capital University of Economics and Business；2.Hebei State-owed Minerals Development＆Investment Co．，Ltd．）

In themining process，themajority of underground metalmines adopted explosive blasting.Seismic waves produced by blasting spread to the ground surface，which have an impact on the safety of the buildings and facilities on the ground.For this problem，the on-sitemonitoring of the impact of the stope blasting vibration on the ground environment is carried out，thus obtaining blasting vibration monitoring data.Peak particle velocity evaluationmethod is selected to analyze the impact ofblasting vibration.By linear regression of the data using the leastsquaresmethod，Sadov＇s Vibration Formula about underground stope is gained.Through the formula，blasting vibration velocitywith differentdoses and different distances are predicted，and three parameters of vibration velocity and frequency，duration were compared with the corresponding data generated by train traffic vibration.Then，the dose control standards for stope blasting vibration are proposed.

Blasting vibration，Underground mine，Safety impact，Monitor

2013-08-11）

*2011年度北京市属高等学校人才强教深化计划人才创新团队项目（编号：PHR201107143）。

杨 凯（1986—），男，博士研究生，100070北京市丰台区花乡张家路口121号。

M onitoring and Analysis of Im pact of Blast Vibration on Ground Environment in Underground M ining