煤矿深孔爆破地震波传播规律与能量分析

汪海波 ++徐颖

摘要：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。

关键词：煤矿；深孔爆破；爆破振动；能量；小波分析

中图分类号：X936文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2015）01-0000-00

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，以节约时间、降低成本。根据地质资料，距工作面较近时炮孔的深度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。

11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1500 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

序号单段最大药量/kg起爆总药量/kg最大炮孔深度/m爆心距/m振动速度 V/（cm·s-1）

切向垂直径向合速度频 率f/Hz

切向垂直径向

1696930152358185470544266457

2696930176207226368472477347

3751383319320338391484734757

47513833213240324364492435739

51141654624276334278407645147

611416546269175208254382645143

796964224432182414502736451

89696422715267216210357738557

99916841153802774805101175786

109916841165220378382416375764

12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。

t/s

图1典型的振动波形图

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]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] 巷道掘进爆破振动的主振频率高的多，为100 Hz～250 Hz。图中1可明显看到振动的持续时间约为150 ms，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]，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：

合速度：V=263（3Q/R）117（相关系数 0918） （1）

径向速度：V=23（3Q/R）129（相关系数0933） （2）

式中：V为质点峰值振动速度，cm/s；Q为最大单段起爆药量，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]：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）可反算出爆破的最大单段药量为1896 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。endprint

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1024 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。

图2小波分解部分结果

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035～04 s、频带d5是025～035 s。

3） 最低频率带0～16 Hz对应的振动幅值较低，小于10 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。

图3振动信号三维能量谱

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92149%。

频带

图4不同频带能量所占比例

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。

由表2可见：

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（%）

序号频带号d1d2d3d4d5d6d7d8其它

1148024836457763169042564203548724546901314476

2033755866275272322132052907116098359348165127898

3129648532440471337219791035115031469733209

4439362393811277462340200060594431085620051050181

54318612133346692940912337513641386969893162

611977171734901376640408111005559112115059249

7801332493848872267930404170828672679769341298126

80830678946425337323072571712381579284248455243

927826287368382713512084520628450857237712949

1051321390314264691955724021772318858805510945

2） 考虑表1中爆心距、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最大单段药量为1896 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150 ms，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。

参考文献：

[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，傅菊根. 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.

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