煤矿深孔爆破地震波传播规律与能量分析

汪海波，徐 颖，宗 琦

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

煤矿深孔爆破地震波传播规律与能量分析

汪海波，徐 颖，宗 琦

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

通过现场爆破振动监测，获得了煤矿综采面硬岩段深孔松动爆破地震波的衰减规律；采用sym5小波基对典型振动信号进行分解，研究爆破地震波的能量分布特征。结果表明：深孔松动爆破振动的持续时间为150 ms左右，振动速度三方向分量中径向分量最大；主振频率分布在40～60 Hz，能量主要集中在30～65 Hz的频带范围，存在强烈爆破振动造成岩石崩落对管线设备造成危害的可能。根据衰减规律，得到深孔爆破的单段最大允许药量，提出施工时控制单段最大药量和加强爆破炮孔周围防护，保证了施工安全。

煤矿安全；施工安全；深孔爆破；爆破振动

钻孔爆破是煤炭开采必不可少的技术手段，广泛用于井巷掘进、煤层致裂增透等方面。其中，深孔爆破技术在煤层瓦斯增透[1]、厚硬顶板强制放顶[2]和煤层厚硬夹矸处理[3]等工程中得到较好的应用，其炮孔深度由十几米到几十米，甚至上百米，单段最大起爆药量也多达上百千克。一般的浅孔采掘爆破不会造成巷道、硐室等地下结构垮塌，但是众多煤矿巷道中布置有瓦斯抽排管、水、电、压风等管线，强烈的爆破振动会导致岩石崩落造成事故，而煤矿许用雷管的延期时间是有限的(130 ms)。因此，深孔爆破地震效应产生的危害不容忽视。

目前，煤矿深孔爆破振动方面的研究较少，文献[4]通过对采面卸压爆破振动进行监测、分析，研究了爆破地震效应对煤与瓦斯突出的影响；文献[5]研究了炮采工作面爆破振动对硐室稳定性的影响；文献[6-7]则对巷道掘进爆破振动效应进行监测分析。为此，依托综采面硬岩深孔松动预裂爆破工程，研究煤矿井下深孔爆破地震波的传播规律；基于Matlab平台，采用sym5小波基对典型测试振动信号进行小波分析，研究振动信号的频谱和能量分布特征，为深孔松动爆破参数设计和施工优化提供参考。

1 工程概况

某矿采煤工作面沿风巷走向有55 m长的全岩段，岩性主要为中砂岩，坚固性系数f=8～10。经方案比选，采用深孔松动预裂爆破增加岩体内的裂隙，以利于采煤机施工，节约时间，降低成本。根据地质资料，距工作面较近的炮孔深度25～40 m，较远处的炮孔深度为70～90 m；爆破区域距切眼最短距离为25 m，为避免给安全生产带来的隐患，保证爆破区域附近巷道岩(煤)体的稳定，在爆破施工初期一次起爆1～2个炮孔，并进行爆破振动监测，为后续爆破提供参考。

1.1 深孔爆破方案

由于机巷胶带机已安装完毕，不利于钻爆施工。爆破工作在风巷实施，炮孔垂直于风巷巷帮，炮孔排距800 mm，间距1 500 mm；炮孔直径Φ75 mm，药卷直径Φ63 mm。起爆采用煤矿许用毫秒延期电雷管。爆破时的炮孔深度、最大段药量、起爆炮孔数目等参数如表1所示。

表1 爆破振动测试结果

1.2 监测方案与结果

爆破振动监测采用Blastmate SeriesⅢ振动监测仪，该仪器可以对质点振动速度、加速度和频率进行测试。测点布置在往切眼方向巷道底脚处，得到的测试结果如表1所示，序号3的振动速度波形如图1所示。

2 爆破地震波传播规律分析

由表1和图1可见：振动速度三个方向分量中，水平径向峰值较大，这与文献[7]117软岩巷道掘进爆破振动地震波传播规律一样；不同的是，深孔爆破振动的主振频率主要集中在40～60 Hz，而文献[7]117巷道掘进爆破振动的主振频率高的多，为100～250 Hz。图1中可明显看到振动的持续时间约为0.15 s，且存在2个波峰，这与爆破时使用了两段雷管相符合。

利用萨道夫斯公式对表1振动速度进行回归[8]43，发现合速度和径向速度的相关性较高，而其它分量相关性较差，爆破振动合速度和径向速度的衰减规律为

(相关系数 0.918) (1)

(相关系数0.933) (2)

式中：V为质点峰值振动速度，cm/s；Q为单段最大起爆药量，kg；R为爆心距，m。

鉴于爆破场所环境较为复杂，爆破点距采煤工作面较近(最近时25 m)，炮孔周围3～5 m范围内分布有钻机、瓦斯抽排管、水、电、压风等管线设备，强烈的振动会导致巷道围岩崩落、造成危害。根据文献[8]42：矿山巷道的安全振速为15～30 cm/s。由于爆破时封堵长度6～7 m，考虑工作面和管线设备的安全，结合表1中爆破振动频率的分布，取6 m处安全允许振速25 cm/s；根据式(1)可反算出爆破的单段最大药量为189.6 kg，试验期间的114 kg满足要求，并在后期施工中控制单段最大药量小于160 kg；同时起爆多个炮孔时，各炮孔使用不同段别的雷管。

3 频谱与能量分析

常用的振动信号分析方法有傅立叶变换、快速傅立叶变换、小波(小波包)变换和HHT方法等。鉴于振动速度的径向分量最大，研究采用的sym5小波基函数对其进行小波包变换。仪器的采样频率为1 024 Hz，由Shannon采样定理可得[9]，奈奎斯特频率为512 Hz。根据小波(包)分解原理，可将测试得到的振动信号进行5层分解：将512 Hz范围内的振动信号分解成25个子频率带，每个频率带带宽为16 Hz，最低频率带为0～16 Hz，最高频率带为496～512 Hz。表1中序号3的径向速度信号分解得到的前8个分量和一个余量如图2所示。

1) 频带d3、d4是信号的主要组成部分，振幅峰值接近20 mm，对应的频带分别为32～48 Hz和48～64 Hz。这两个频带按时间可划分为两个部分，与图1中径向振动速度波形图两个峰值相吻合，也说明地震波没有发生叠加。

2) 频带d2、d5是信号的次主要部分，振幅峰值接近10 mm，且呈现出明显的时间特征：频带d2振幅较大的时间段在0.35～0.4 s、频带d5是0.25～0.35 s。

3) 最低频率带0～16 Hz对应的振动幅值较低，小于1.0 mm，说明信号低频部分占据的能量较低，建(构)筑物的自振频率一般只有几赫兹，低频占据的能量少不会引起结构的共振，有利于结构的安全。

为了更直观的观测振动信号能量随时间-频率的分布情况，得到了基于sym5小波基的振动信号三维能量谱(见图3)，越靠近尖端、相应的能量越大。

所分解信号32个频带具体的能量分布情况如图4所示，能量比例前五位的频带依次为：d3(32～48 Hz)、d8(112～128 Hz)、 d4(48～64 Hz)、d7(96～112 Hz)、d2(12～32 Hz)，此五个频带能量占总能量的92.149%。

为了更好地分析能量随频率的分布情况，对表1中各径向速度信号进行sym5小波基分解，得到各径向信号能量随频带分布情况如表2所示。

1) 95%以上的能量集中在0～128Hz范围内，最大能量集中的频带为d3(32～48 Hz)6次、d4(48～64 Hz)3次、d1(0～16 Hz)1次；亦即主要的能量集中在30～65 Hz范围内， 高于建(构)筑物的自振频率， 设计的深孔爆破方案不会对巷道结构造成破坏。

表2 不同频带能量分布 (%)

2) 根据爆心距、单段最大药量等原始参数，频带d3的能量随爆心距的增大而降低、随比例药量的增大而增加，说明降低单段起爆药量是减小爆破振动效应最好的方法。

4 结论

1) 对振动速度测试结果进行回归分析，得到了合速度和不同方向分量的衰减规律，与在硬岩中传播相吻合；并反算出该场地深孔松动爆破的单段最大药量为189.6 kg，实际施工时控制在160 kg。

2) 深孔松动爆破振动的持续时间约为0.15 s，主要能量集中在30～65 Hz的频带范围内，高于一般结构的自振频率，但要注意强烈的爆破振动对巷道围岩和工作面造成危害的可能，施工时炮孔周围进行一定的防护，避免围岩岩体崩落造成瓦斯抽排管、水、电等管线设备损坏。

[1] 黄文尧，颜事龙，刘泽功，等. 煤矿瓦斯抽采水胶药柱在煤层深孔爆破中的研究与应用[J]. 煤炭学报，2012，37(3)：472-476.

[2] 高魁，刘泽功，刘健，等.深孔爆破在深井坚硬复合顶板沿空留巷强制放顶中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2013，32(8)：1 588-1 594.

[3] 陶可，于飞. 顺槽深孔预裂爆破硬夹矸技术[J]. 煤矿安全，2012(2)：55-57.

[4] 谢雄刚，冯涛，杨军伟，等. 爆破地震效应激发煤与瓦斯突出的监测分析[J]. 煤炭学报，2010，35(2)：255-259.

[5] 张平松，刘盛东. 工作面爆破振动对硐室稳定性的影响[J]. 采矿与安全工程学报，2007，24(2)：208-211.

[6] 杨国梁，杨仁树，车玉龙. 周期性爆破振动下围岩的损伤累积效应[J]. 煤炭学报，2013，38(S1)：25-29.

[7] 宗琦，汪海波，徐颖，等. 基于HHT方法的煤矿巷道掘进爆破地震波信号分析[J]. 振动与冲击，2013，32(15)：116-120.

[8] 中华人民共和国国家标准编写组. GB6722—2003爆破安全规程[S].北京：中国标准出版社，2004：42-43.

[9] 李夕兵，凌同华，张义平. 爆破震动信号分析理论与技术[M]. 北京：科学出版社，2009：132.

(责任编辑：何学华，吴晓红)

Seismic Wave Propagation Law and Energy Analysis of Coalmine Deep Hole Blasting

WANG Hai-bo, XU Ying，ZONG Qi

(School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China)

According to blasting vibration field monitoring, deep hole loose blasting seismic wave attenuation law in hard rocks in fully mechanized mining working face was obtained. Typical vibration signal was decomposed by sym5 wavelet basis, to study energy distribution of blasting seismic wave. The results showed that blasting vibration duration is about 150 ms, and the value of vibration radial component velocity is the largest in three directions; main vibration frequency distribution in 40 ～ 60 Hz; the largest energy mainly concentrated in frequency range of 30 ～ 65 Hz, which probably causes pipeline and equipment breaking by collapsing rocks. According to attenuation law, the permitted single shot charge of deep hole loosening blasting in the site was calculated. The measures to ensure safety during construction were proposed such as limitation of charge for single blasting and strengthening protection around blasting holes during construction.

mine safety；construction safety; deep hole blasting; blasting vibration

2014-04-03

国家自然科学基金重点资助项目(51134012)；国家自然科学基金项目(51274009、51374012、51404010)

汪海波(1983-)，男，安徽舒城人，讲师，博士，研究方向：岩土与爆破工程。

TD235.33

A

1672-1098(2015)03-0010-04