下店子铜铁矿爆破振动对周边环境影响的监测与分析

张 远，吕淑然

（首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京100070）

下店子铜铁矿爆破振动对周边环境影响的监测与分析

张 远，吕淑然

（首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京100070）

在对下店子铜铁矿正常生产爆破振动监测的基础上，对监测的有效数据进行最小二乘法线性回归分析和频域分析，分析结果表明：该矿正常生产爆破最大单响药量为14kg时，实际监测结果和预测结果都合符《爆破安全规程》（GB6722-2011）的规定，该矿目前爆破方式和规模是安全可行的；质点爆破振动速度大小与爆破最大单响药量和到爆破点距离密切相关，爆破振动速度和振动频率都随着爆心距的增加而衰减。最后，提出通过开挖减振沟的方式来控制采场爆破振动对周边建筑物的影响。

爆破振动；三分量；回归分析；减振沟

凿岩爆破，崩落松动矿岩是有色金属矿山开采过程中常使用的方法。爆破时，炸药的一部分能量会转化为地震波［1］，地震波向四周传播，当传播到地表的地震波强度超过一定强度时，会给地表建筑物和设施造成破坏，因此需要对矿山采场附近有建筑物的区域进行爆破振动监测，通过分析监测的数据研究爆破振动对建筑物的影响，得到爆破振动地震波的传播规律，为矿山生产爆破方案提供科学、准确的理论依据，进而采取合理的爆破方案和减振措施来降低矿山采场爆破振动对周围建筑物的影响，这对于保护矿山附近的建筑物和设施，避免民事纠纷，保障矿山生产的正常进行，都具有十分重要的意义。

1 矿山概况

1.1 矿山环境

下店子铜铁矿位于河北省承德市寿王坟镇境内，矿区东边有一条市级公路通过，公路东侧有一条小型季节性水沟，公路两侧沿线分散布置着民房。该矿山有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ号矿体，共探求保有资源储量73.33万t，平均品位Cu 0.46%、TFe 25.57%、mFe 21.37%。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体未进过开采，Ⅳ号和Ⅴ号矿体曾进行过露天和地下联合开采，矿山投入生产后，随着开采的进行，附近居民反映采场爆破震感强烈，给他们的生命和财产带来严重威胁，矿山安全生产无法正常进行，停产两年，现某冶金有限公司准备重新开采此矿区，需要对目前的爆破方式和爆破规模进行监测，论证目前采矿爆破方式和规模是否对附近地表建筑物的安全产生影响。

1.2 采矿工艺

矿山采用7655型凿岩机凿岩，钻凿75°～80°上向炮孔，孔深1.8～2.0m，最小抵抗线1m左右，也采用水平孔落矿，水平孔落矿时，炮孔上仰5°～8°，炮孔间距0.8～2.0m，孔深2～3m。

炮孔交错排列布置，为便于回采工作的顺利进行，尽量采用梯段工作面，梯段工作面的长度不超过5m，实行每梯段工作面一次爆破的制度。各排炮孔之间实行微差起爆方式，每段采用非电导爆管起爆系统起爆，一段最大起爆药量为4.0～4.2kg，人工装药，MF-1起爆器起爆，乳化炸药爆破。崩落矿石块度＞350mm视为大块，在装矿道内进行二次破碎，二次爆破采取穿孔爆破破碎方法。每天一班作业，一次爆破作业。

2 爆破振动监测

2.1 监测仪器

爆破对附近建筑物的影响主要来自爆破引起建筑物在垂直方向的振动，只测爆破引起的垂直方向振动，而不管径向和水平方向的振动是片面的［2］，因此本次爆破振动监测测定建筑物质点爆破振动速度采用成都中科测控有限公司生产的TC-4850爆破测振仪，以及与之匹配的三分量速度传感器（三分量速度传感器技术指标见表1）和爆破振动分析软件（简称BVA（Blasting Vibration Analysis））、GPS测距仪、Origin数据分析软件。

表1 振动速度传感器技术指标Table 1 Technical specifications of vibration velocity sensors

2.2 监测方法

爆破振动监测方法是在距离矿山采场较近的不同建筑物附近呈直线安放三分量速度传感器，为了使传感器能与大地耦合良好，将传感器用快粘粉粘牢于地面或将传感器尾椎直接插紧于地面。当采场爆破引起的地震波传播到监测点时，三分量速度传感器将采集到质点振动信号并传输到爆破测振仪，爆破测振仪记录并存储振动信号。采场爆破振动监测结束后，回到室内将爆破测振仪储存的信息导出并利用匹配软件处理并分析，即完成爆破振动数据的监测、处理与分析的工作［1，3］。爆破振动监测流程如图1。

图1 爆破振动监测流程示意图Fig.1 Illustration of the process of blasting vibration monitoring

2.3 监测方案

监测工作按照“近密远疏，对数布置”的原则布置测点［4］，但在实际布置监测点时，应考虑到自然气候的影响，其中风的影响最为突出，监测点要布置在非风口处；此外监测点布置还受到矿区四周条件的限制。监测时，可根据采场四周环境以及监测点布置的方便性、可行性，尽量将监测点布置在矿区建筑物和所关心的居民房屋附近。

本次对该铜铁矿正常生产爆破规模24kg药量情况下进行了4次监测，每次监测点的位置都不变，由于受炮孔位置的限制采场爆破点的位置每次都有所变化，沿矿区建筑物以及所关心的民房尽量呈直线的布置了A、B两组三分量传感器，每组6个，测点布置如图2所示。为使传感器与地面耦合良好（垂直、牢固、稳定），首先将监测点上的浮土、杂物清除，然后将传感器用快粘粉粘结于地面或直接插紧于地面，以真实反映地表内部质点振动规律［5］。

2.4 监测结果

为保证分析的数据是由爆破振动产生的，对于爆破测振仪记录的数据首先要进行滤波处理，滤波处理后A组有23组有效数据，B组有4组有效数据，且这4组数据都是每次公路旁的测点采集到的。爆破测振仪记录的质点水平方向（X）、垂直方向（Y）、径向方向（Z）峰值振动速度进行合成以及三方向主振频率选取最小频率值，监测结果见表2。

图2 监测点布置示意图Fig.2 Illustration of arrangement of monitoring points

表2 爆破振动监测结果Table 2 The results of blasting vibration monitoring

3 监测结果分析

3.1 分析方法和依据

爆破振动对建筑物造成的不利影响，不仅取决于爆破振动引起的质点振动速度，而且还取决于质点振动的频率［6］。我国目前评价爆破振动对建（构）筑物的危害，主要依据《爆破安全规程》（GB6722-2011）规定的安全允许振动速度作为安全判据，部分爆破振动安全允许标准［7］见表3。

表3 部分爆破振动安全允许标准Table 3 Part of blasting safety standard in GB6722-2011

岩石爆破对地面建筑物和隧道的爆破振动安全判据可采用地面质点振速和主振频率两个指标［6］，质点振动速度通常采用萨道夫斯基经验公式进行计算［8-9］：

式中：υ—质点峰值振动速度，cm/s；n—药包形状系数，我国一般取1/3；Q—最大单响药量，kg；R—爆心距，即测点至爆源中心距离，m；K、α—与地质条件、爆破类型及爆破参数有关的系数［1、10］；K、α值可通过Origin软件线性回归分析得到，也可通过查阅《爆破安全规程》（GB 6722—2011）得到。

对于质点爆破振动频率，主要是根据实际监测爆破振动质点振动速度峰值对应的频率统计结果，与建筑物固有频率进行比较判定。

3.2 回归分析

式中：ρ—药量距离比，利用Origin软件中最小二乘法原理对A组23组有效数据进行线性回归分析［11-12］，回归方程基本能够反映其爆破振动传播的规律性，A组爆破振动速度线性回归结果如图2所示。B组数据样本太少，进行线性回归分析没有意义。

爆破振动速度线性回归结果：

将线性回归分析得到的K值和α值分别代入公式（1），可得本次爆破振动监测的质点振动速度预测公式为：

图2 A组质点振动速度线性回归结果Fig.2 The results of linear regression of particles blasting vibration velocity in group A

利用公式（3）对本次监测测点的质点振动速度进行预测，预测质点爆破振动速度与实测质点爆破振动速度进行对比分析，通过对比分析可以检验回归分析结果的精度。爆破振动实测值与预测公式计算值对比分析结果，见表4。

表4 爆破振动实际监测结果与预测公式计算结果对比分析表Table 4 The contradistinction of actual monitoring results and prediction results for blasting vibration

对比这23组数据表明，预测的爆破振动速度与实测爆破振动速度存在一定误差，绝对误差的量值均在毫米级，最大绝对误差值为0.026cm/s，而这种级别的误差数据也仅有1组；有9组数据的预测值小于实测值，平均误差为0.009 4cm/s，有13组数据的预测值大于实测值，平均误差为0.004 3cm/s，监测值与预测值十分接近，这也意味着预测值更安全。

基于以上分析，利用公式（3）预测在采场生产爆破最大单响药量为14kg时，距离采场爆点最近直线距离为146m的矿山厂房（与爆破点高差约10 m）附近爆破振动速度为0.074cm/s；采场新的设计工程距其南侧村民房屋（与爆破点高差约8m）最近的直线距离为123m处爆破振动速度为0.099cm/s。考虑到，矿山厂房和民房修建时间以及建筑框架、结构材料各异，选取《爆破安全规程》（GB 6722-2011）中保护对象为“土窑洞、土坯房、毛石房屋”的相关规定作为安全判据，这两个预测速度完全满足《爆破安全规程》（GB6722-2011）中对于“保护对象为：土窑洞、土坯房、毛石房屋，当主振频率为50～100Hz时，安全允许振速为1.1～1.5cm/s”的规定。

3.3 频域分析

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，典型频谱图见图3所示。频率分析的目的在于为选择安全判据提供依据。分段爆破时，实际监测爆破振动的主频基本分布在17～90 Hz（见表2），并且随着爆破振动传播距离的增加，爆破振动频率也将随之衰减，而建筑物的固有频率在10Hz以下，一般在5Hz左右［13］，爆破振动频率大于建筑物固有频率，因此，从频率角度考虑，采场附近建筑物和周围民房不会因为共振作用发生破坏。

4 结论

1）该铜铁矿按照目前所采用爆破方式正常生产爆破，最大单响药量为14kg时，爆破产生的振动效应对矿山附近的建筑物不会造成不利影响。但本次监测数据分析结论仅对该铜铁矿采用目前的爆破方式、正常爆破规模最大单响药量为14kg以下爆破时有效，当采场改变爆破方式或爆破最大单响药量超过14kg爆破时应加强监测。

2）质点爆破振动的速度大小与爆破最大单响药量和到爆破点距离密切相关，质点爆破振动速度和振动频率都随着爆心距的增加而衰减，爆破振动对建筑物的破坏不仅与爆破参数有关，还与爆破区域、房屋结构等有密切关系。

图3 爆破振动典型频率分析图Fig.3 Typical frequency analysis for blasting vibration

3）B组有20组数据未采集到，其中包含最大单响药量为14kg时，距离爆破点稍近爆心距为178.46m和190.71m的两测点，可见季节性水沟起到了减振作用。鉴于矿山爆破工作的频繁性，建议开挖一定深度的隔振沟渠来减轻采场爆破对周边建筑物的影响。

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Monitoring and analysis of the impact of blast vibration on surrounding environment in Xiadianzi Cu-Fe Mine

ZHANG Yuan，LV Shuran
（College of Safety and Environment Engineering，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China）

Based on monitoring the blasting vibration of normal production in Xiadianzi Cu-Fe Mine，the monitoring valid data is analyzed with the Least-Squares method for linear-regression pattern and frequency domain analysis.The analysis results show that the values of actual monitoring data and predictor data are both below the rule of“Blasting Safety Regulations”（GB6722-2011），so the maximum interval charge of millisecond blasting at 14 kg is feasible and safety in Xiadianzi Cu-Fe Mine，the velocity of particles blasting vibration is closely related to the maximum interval charge of millisecond blasting and the distance from the bursting point.The velocity of particles blasting vibration and the vibration frequency of blasting both are attenuated by the increasing distance from the bursting point to the measuring points.At last，putting forward a way of excavating damping ditch to control the impact of the blasting vibration to the nearby buildings.

blasting vibration；three-component；regression analysis；vibration dampingditch

TD235.4

Α

1671-4172（2015）03-0077-05

国家自然科学基金资助项目（51474151）；科研基地建设-科技创新平台-特大城市安全运行研究项目（PXM2014-014205-000044）

张 远（1989-），男，硕士研究生，安全科学与工程专业，主要从事爆破振动与控制、应急管理等方面的研究。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.017