立井直眼微差爆破模型试验振动测试与分析

第一作者马芹永男，博士，教授，博士生导师，1964年生

立井直眼微差爆破模型试验振动测试与分析

马芹永，袁璞，张经双，韩博

(安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽淮南232001)

摘要：为降低立井爆破施工的振动效应，以立井爆破中两圈直眼为原型，实施三种不同起爆延期的直眼微差爆破模型试验，并用UBOX-5016型爆破振动智能监测仪测试混凝土模型的爆破振动效应。实测爆破振动波表明，微差爆破可减少单段起爆药量、明显降低爆破振动效应；起爆延期25 ms时I段、Ⅱ段爆破振动波形彼此叠加，测点形成干扰降振效应，爆破峰值振动速度较小；起爆延期为50 ms时I段、Ⅲ段爆破振动波形彼此独立，峰值振动速度由单段起爆药量决定。竖向爆破振动波形频谱分析表明，微差爆破振动幅值明显低于齐发爆破，且波形复杂。微差爆破能显著降低爆破振动效应，主振频率较高。

关键词：微差爆破；直眼；爆破振动；频谱分析；模型试验；立井

收稿日期：2013-10-21修改稿收到日期：2014-03-27

中图分类号:TD235文献标志码：A

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51179107)

Blasting vibration measurement and analyses of millisecond blasting models for vertical shaft blasting

MAQin-yong,YUANPu,ZHANGJing-shuang,HANBo(Research Center of Mine Underground Engineering, Ministry of Education, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract:Taking two-circle vertical blast holes in vertical shaft blasting as prototype, tests for three millisecond blasting models with two-circle vertical blast holes were conducted to investigate the way to reduce the blasting vibration effect of vertical shaft blasting construction. The blasting vibration effects of a concrete model was monitored with a blasting vibration intelligent monitor UBOX-5016. The actual blasting vibration indicated that blasting vibration effect is reduced significantly by millisecond blasting through reducing the maximum charge; when the detonation time delay is 25 ms, two blasting vibration waves of segment I and segment Ⅱ overlap each other and the actual peak blasting vibration velocity is smaller due to interference effect of vibration reduction; when the detonation time delay is 50 ms, two blasting vibration waves of segment I and segment Ⅲ are almost independent and the actual peak blasting vibration velocity depends on the maximum charge. Spectral analyses were implemented for verticals blasting vibrations of three millisecond blasting models. It was shown that the amplitude of millisecond blasting is much lower than that of simultaneous blasting and the waveform of millisecond blasting is complex; the blasting vibration effect is reduced with millisecond blasting, its main vibration frequency is higher.

Key words:millisecond blasting; vertical blast hole; blasting vibration; spectral analysis; model test; shaft

矿山立井井筒掘进爆破施工过程中的爆破振动效应影响井壁混凝土结构的安全及稳定性。为保证立井安全掘进，应降低爆破振动效应。赵明生等[1-2]通过研究不同段药量的单孔爆破振动效应发现，爆破振动信号低频能量占总能量比例随段装药量增加而增加。李夕兵等[3-4]通过对单、多段微差爆破振动信号反应谱分析发现，多段微差爆破振动信号“突峰”较多，振动频率成分较丰富。段装药量增加爆破振动信号各主频率存在降低趋势且趋向稳定值；抵抗线增加单段爆破振动波形最大质点振动幅值增加，主频率有显著降低趋势[5]。谢承煜等[6]通过分析采场爆破振动数据、研究爆破振动传播衰减规律表明，改变起爆顺序及爆破方向能有效降低爆破振动效应。张小康等[7]用含预裂缝的水泥砂浆模型研究不同装药量条件下爆破振动频率及能量分布规律。马芹永等[8-10]针对现场井筒断面、岩石性质等优化爆破参数，并对优化后爆破施工进行振动监测及分析。

直眼爆破作为立井井筒施工的关键技术[11-12]，对降低爆破振动已有研究，但针对起爆延期时间对爆破振动效应研究较少。为降低立井井筒掘进爆破振动效应，设计不同延时的二圈眼爆破模型试验，研究不同起爆延期条件下微差爆破振动峰值振速与爆破振动信号频谱特性，为现场爆破设计、施工提供合理的起爆延期时间。

1直眼微差爆破模型试验

1.1试验设计

为研究立井掘进爆破振动效应，对立井筒形直眼爆破实施三种起爆延期的二圈眼微差爆破模型试验。起爆延期为0 ms，25 ms及50 ms。

在混凝土模型试件中部设置二圈炮眼，第一圈炮眼圈径60 mm，第二圈炮眼圈径120 mm，炮眼深度180 mm，每个炮眼装1发6号毫秒延期电雷管。混凝土模型试件长1 000 mm、宽1 000 mm、高600 mm，混凝土立方体抗压强度42.8 MPa，劈裂强度2.58 MPa，波速4209 m/s。二圈眼微差爆破模型试验方案见表1。

表1　爆破模型试验方案

1.2爆破振动测试仪器及测点布置

爆破振动效应由炸药爆炸产生的能量在岩石或混凝土介质内传递所致。爆破峰值振动速度描述爆破振动效应，作为评价建(构)筑物承受振动破坏等级指标。模型试验爆破振动测试采用UBOX-5016型爆破振动智能监测仪及TP3V-4.5三维速度传感器。该仪器最高采样率50 KSPS，分辨率16 bit，具有浮点放大功能，能据实测爆破振动信号大小自动调节量程，具有多段触发记录功能，即使在有干扰情况下仍能完整记录真实爆破振动信号。

据研究目的确定爆破振动测点。在混凝土模型试件顶面距二圈炮眼圈心400 mm处垂直布置4个测点，见图1、图2。用凡士林作为耦合剂将TP3V-4.5三维速度传感器固定于测点处，采样频率设为5 kHz。

图1　爆破振动测点布置图(单位：mm) Fig.1 Layout of blasting vibration measuring points (unit: mm)

图2　爆破振动测点实物图 Fig.2 Picture of blasting vibration measuring points

2爆破振动测试结果

爆后混凝土模型见图3，可见爆后试件基本完整，仅在炮眼周边形成槽腔，且未波及爆破振动测点位置。

图3　爆后混凝土模型 Fig.3 Concrete model after blasting

二圈眼微差爆破模型试验测点爆破振动峰值速度及主振频率结果见表2，微差爆破模型C-Ⅱ测点3水平径向、水平切向及竖向爆破振动波形见图4，爆破模型C-Ⅰ、C-Ⅱ、C-Ⅲ测点3竖向爆破振动波形见图5。

(a) 水平径向爆破振动波形(b) 水平切向爆破振动波形(c) 竖向爆破振动波形图4 爆破模型C-Ⅱ测点3爆破振动波形Fig.4Blastingvibrationwaveatpoint3inmodelC-Ⅱ

(a) 爆破模型C-Ⅰ(b) 爆破模型C-Ⅱ(c) 爆破模型C-Ⅲ图5 测点3竖向爆破振动波形Fig.5Verticalblastingvibrationwaveatpoint3

表2　爆破振动测试结果

3爆破振动测试结果分析

3.1微差爆破效果分析

由表2知，在三种微差爆破模型试验中，竖向、水平径向爆破峰值振动速度较大，水平切向最小。对比分析三种微差爆破模型试验爆破振动峰值速度看出，齐发爆破时所测爆破峰值振速较大，最大爆破峰值振速为36.765 cm/s(竖向)；微差爆破起爆延期25 ms时爆破峰值振速较小，最大爆破峰值为12.581 cm/s(竖向)；微差爆破起爆延期50 ms时介于二者之间。二圈炮眼起爆时，因距爆破振动测点位置不同，各炮眼产生的爆炸应力波到达测点所需时间有所差别。炮眼距测点最近水平距离为340 mm，最远为460 mm；同时起爆时爆炸应力波传播延时可忽略不计。

齐发爆破时二圈眼10发电雷管同时起爆，单段起爆药量较大，爆破峰值振动速度亦较大，但实测爆破振动波形较单一。微差爆破起爆延期25 ms时，延期起爆可减少单段起爆药量；实测爆破振动波形表明，两次起爆产生的爆破振动波形相互叠加，实测爆破峰值振动速度较小。一般认为，当微差延期在半个主振周期区域内，干扰降振效果表现突出[13]。试验爆破振动波形表明两圈炮眼起爆实际间隔时间约12 ms，测点位置形成干扰降振效应；微差爆破起爆延期50 ms时两圈炮眼起爆实际间隔时间约40 ms；间隔时间较长，两次起爆产生的爆破振动波形基本相互独立，实测峰值爆破振动速度由单段起爆最大药量即第二圈6发电雷管决定。由于微差爆破时单段起爆最大药量小于齐发爆破的起爆药量，实测爆破峰值振动速度较齐发爆破时小。

因此，微差爆破可减少单段起爆最大药量，能明显降低爆破振动效应；微差爆破起爆延期25 ms时Ⅰ段、Ⅱ段爆破振动波形彼此叠加，形成明显的干扰降振效应，降低爆破峰值振动速度；微差爆破起爆延期50 ms时Ⅰ段、Ⅲ段爆破振动波形基本相互独立。

3.2频谱分析

对比图4三方向实测爆破振动波形发现，爆破振动信号表现出不同的波形特征。水平径向、切向两方向振动波形明显较竖向稀疏。采用FFT变换对该三方向波形进行频谱分析，所得爆破振动波形幅值见图6。由于三种微差爆破模型试验中竖向爆破振动信号代表性较好，故以测点3处竖向爆破振动波形为例，采用FFT变换对图5三种微差爆破模型试验竖向振动波形进行频谱分析，所得波形幅值见图7。

由图6看出，水平径向爆破振动主振频率为280 Hz，振动频率集中在1 000 Hz以下，振动波形较稀疏；水平切向爆破振动主振频率为530 Hz，幅值图突峰较多，频率丰富；竖向爆破振动波形幅值图与水平径向相反，其爆破振动主振频率位于高频区域为1980 Hz，振动频率集中在1 600~2 250 Hz，波形较密。由图7 (a)看出，齐发爆破时竖向爆破振动波形幅值图突峰较少，波形简单，主振频率出现在90 Hz左右，爆破振动频率集中在350 Hz以下，频率较低、周期较长、幅值较高，波形较稀疏、平缓。由图7 (b)看出，微差爆破起爆延期25 ms时竖向爆破主振频率出现在1 980 Hz左右，频率集中在1 600~2 250 Hz，频率高、周期短、幅值低，波形较密。由图7 (c)看出，微差爆破起爆延期50 ms时竖向爆破振动波形幅值图出现多个突峰，频率丰富；波形幅值图出现2个主振频率，分别在40 Hz及1 860 Hz左右。结合图5(c)，主振频率40 Hz为第二段振动波形出现的低频跳跃所致，不能反映微差爆破振动特性，主振频率应为1 860 Hz。微差爆破起爆延期50 ms幅值介于齐发爆破与微差爆破起爆延期25 ms之间，幅值图出现高频振荡、波形变化尖锐。竖向爆破振动波形频谱分析表明，微差爆破能减少单段起爆药量、改变爆破振动波形，频率随之改变；波形幅值明显低于齐发爆破，主振频率明显高于齐发爆破，且波形明显较齐发爆破时复杂。

(a) 水平径向(b) 水平切向(c) 竖向图6 模型C-Ⅱ测点3爆破振动波形幅值图Fig.6Amplitudespectrumofblastingvibrationwaveatpoint3inmodelC-Ⅱ

(a) 爆破模型C-Ⅰ(b) 爆破模型C-Ⅱ(c) 爆破模型C-Ⅲ图7 测点3竖向爆破振动波形幅值图Fig.7Amplitudespectrumofverticalblastingvibrationwaveatpoint3

4结论

(1)直眼微差爆破模型试验表明，竖向、水平径向爆破峰值振动速度较大，水平切向最小。且竖向爆破振动波形主振频率明显高于水平径向及切向。

(2)微差爆破可减少单段起爆药量，明显降低爆破振动效应。微差爆破起爆延期25 ms时Ⅰ段、Ⅱ段波形彼此叠加，形成明显的干扰降振效应；延期50 ms时Ⅰ段、Ⅲ段爆破振动波形基本相互独立。

(3)微差爆破幅值图突峰数较多，主振频率较高，振动频率较丰富，且微差爆破振动波形较齐发爆破时复杂。微差爆破频谱曲线幅值明显低于齐发爆破。

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