露天矿山爆破技术对矿山安全的影响分析

李文明

（神华能源有限责任公司 哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 准格尔 010300）

随着我国经济水平的不断提升，对矿产资源的需求也在不断的上升，随之矿山的生产能力也要不断的增长，以此来适应社会对矿产资源的需求。要想增加矿产资源的生产能力，主要是改进爆破技术，不但要加大爆破的规模，还要增加爆破的次数。但是随着爆破规模与次数的增多，相应的问题也随之增加，例如爆破振动危害越来越强，临近建构筑物产生损伤愈发严重，对矿山的安全也有着重大的影响[1]。

露天矿山爆破技术除了会对矿山的安全产生重大的影响，其次受到最大影响的就是临近的民房或建构筑物。对临近的民房或建构筑物的影响程度主要取决于地质条件、建筑物构造、距离爆破点的距离、建筑物经历过爆破的次数、震动速度、频率等因素[2]。露天矿山爆破技术产生的爆破地震波是主要影响临近民房或建构筑物的原因。若是爆破产生的地震波超过建筑物所能承受的极限，就会造成建筑物的破坏。露天矿山爆破技术的涉及范围比较广泛，爆破工艺环节非常多，工作人员的技术水平又存在着不同，导致露天矿山爆破环节成为了最危险的环节，并且其对矿山的安全也有着至关重要的影响。因此，本文主要对露天矿山爆破技术对矿山安全的影响进行分析。

1 露天矿山爆破技术对矿山安全的影响分析

随着露天矿山爆破技术使用次数的逐渐增加，相应的事故发生的概率也大大的增加，国家对矿山的安全生产越来越重视，针对矿山的安全生产制定了标准与制度。在矿山行业的角度上看，为爆破作业提出了更高的要求与水准，特别是露天矿山的爆破作业。在现今，由于安全与环保因素的限制，露天矿山开采的难度逐渐的加大，因此，为了适应社会对矿产资源的需求，必须保证在进行爆破作业时，保证矿山以及临近的民房、建筑物的安全，这是在爆破作业前首要考虑的因素。露天矿山在进行爆破时，其产生的冲击荷载与地震产生的能量波非常相似，但爆破产生的冲击荷载具有自身独特的特点，例如荷载强度大、震源浅、振动频率较高、持续时间较短等。露天矿山爆破必须在满足临近民房或建构筑物安全的前提下，依据《爆破安全规程》来对其进行制定，也就是说以某一段主振频率的安全允许振速对爆破进行相应的控制。本文将采用GEO软件从露天矿山爆破的爆破荷载、矿山稳定性、矿山地基液化程度、振动速度以及爆破振动频率等五个方面来分析爆破对矿山安全的影响[3]。

1.1 爆破荷载分析

在露天矿山爆破作业时，会设置较多的炮孔，同时炸药的装药结构非常复杂，每个炮孔均采用分段起爆，每个炮孔独立起爆。由于矿上岩层的不同，其物理力学性质也存在着巨大的差别，也就是爆破振动波所传播的介质是不同的，每个炮孔产生的振动波在传输的过程中是相互叠加的，因此，矿山爆破所产生的振动波是很复杂的随机波，并且具有不稳定的特点。露天矿山爆破产生的振动波的时间短，振动波还具有不稳定以及突变的特点，因此无法用一种函数来对其进行表示。现今，比较常用的方法是统计学分析方法，根据对爆破现场振动波的实时监测，对其进行统计并分析，得出爆破振动波的传播规律，主要是对爆破作业的爆源条件、矿山的地质条件、爆心距等因素进行详细的分析，得出相应的爆破振动速度预测公式。

现今，针对矿山爆破振动波衰减规律研究的相对比较多，学者提出了很多爆破振动波速度预测公式，其中应用较为广泛的是萨道夫斯基所提出的爆破振动波速度预测公式。因此本文也采用萨道夫斯基爆破振动波速度预测公式。在露天矿山进行爆破作业时，根据相关规定设计爆破实施的方案，在爆破时矿山核心部位的质点振动速度计算公式为

其中，V0表示的是矿山核心部位的质点振动速度；K表示的是与矿山地形、地质相关的系数；Q表示的是爆破需要的炸药量；α表示的是与矿山地形、地质相关的衰减系数；R表示的是爆破点与矿上核心部位之间的距离。随着矿山岩石的硬度的不断增加，K和α的取值会不断的增大，一般情况下，中等硬度岩石的取值范围为150-200，α的取值范围为1.5-2.0。本文按照爆破对矿山安全影响最大的状况进行研究，K取值为150，α取值为1.5。根据国家规定以及露天矿山的地质环境基础，规定Q的取值范围为不超过90kg。

根据公式（1）计算可得，矿山核心部位质点的最大振动速度为0.78cm/s。当质点的振动速度达到1.0 cm/s时，其加速度取值为0.01g。由于露天矿山采用爆破技术的炸药量大、爆破次数多的特点，因此，本文将其荷载效应适当的放大处理，将其加速度设为0.02g，持续时间设为1.0s。则爆破产生的冲击荷载变化过程为：当爆破时间为0.3S时，产生的冲击荷载加速度最大，达到顶峰时刻，也就是其荷载最大，对矿山的安全影响也就最大；在0.3s之前，随着时间的增加，荷载加速度是在不断的增加，对矿山安全的影响也在不断的加大；而在0.3s后，随着时间的增加，荷载加速度是在不断的减小，其对矿山安全产生的影响也在减小。

1.2 矿山稳定性分析

依据相关规定与要求，矿山的稳定性主要采用毕肖普法进行计算，主要是根据矿山岩层间的作用力来进行计算，其计算公式为

其中，W表示的是矿山的稳定安全系数；Wc表示的是水平爆破惯性力对矿山核心部位的力矩；A,B分别表示的是矿山岩层的重量和垂直爆破惯性力；C表示的是矿山有效抗振强度指标；u表示的是作用于岩层的孔隙压力；M,N分别表示的是矿山岩层的厚度与面积。

露天矿山爆破产生的振动效应相当于地震产生的振动效应，对其进行模拟，也就是说利用水平向爆破加速度来表示爆破振动的大小，从而分析爆破对矿山稳定性的影响[4]。爆破对矿山稳定性的影响主要表现为：在露天矿山爆破振动荷载的作用下，矿山的孔隙压力会随之升高，导致矿山的有效抗振能力降低，岩层的强度也会减小，会造成矿山岩层开裂以及矿山稳定性会失衡。

根据矿山的实际爆破环节以及环境，考虑到对比分析的需要，建立模型对矿山稳定性进行记录，主要分为两种情况，如表1所示。

表1 矿山稳定性情况记录表

矿山的稳定成果分析结果如表2所示。

表2 矿山的稳定成果分析表

根据表1可以看出：在矿山进行爆破作业时，在其产生的爆破荷载的作用下，产生的横向振动荷载会随之增加。在矿山稳定安全系数既定的情况下，其稳定性能会随之下降。主要表现为在不同的矿山状态下对应的岩层与矿山地基的稳定性均会下降：岩层的稳定性会从70下降到64，矿山地基的稳定性会从53降到50。岩层与矿山地基的稳定性下降后，导致矿山整体的安全性下降，由此可见爆破对矿山的安全有着重大的影响[5]。

根据表2可以看出，进行爆破作业时，矿山的岩层与地基的安全系数也会发生极大的变化，岩层的安全系数从1.78下降到1.56，地基的安全系数从1.52下降到1.34，但是下降后的安全系数也符合国家的最小安全系数，说明此次爆破对矿山的稳定性有所影响，但是其爆破振动会导致岩层与地基的松动等现象的发生，还有可能发生局部的塌陷，从而影响矿山整体的稳定性。

1.3 矿上地基液化分析

矿山在爆破荷载的作用下，其矿山内孔隙压力的分布会随着地基深度的不同有着不同的孔隙压力值。一般情况下，在爆破作业中，爆破振动会导致孔隙压力产生，随着矿山地基的不断加深，其孔隙压力也是逐渐增加的，其深度越深，孔隙压力也就越大，对矿山安全的影响程度随之加大。

矿山地基主要由砂粉质岩层组成，其岩层的组成为：岩层厚度为20m～40m占据3%，岩层厚度为10m～20m占据2%，岩层厚度为5m～10m占据10%，岩层厚度为2m～5m占据15%，岩层厚度为1m～2m占据43%，岩层厚度为小于1m占据27%，其岩层之间的分界线并不明显，因此，在计算时采取的是估计值。根据爆破液化爆破方法，矿山地基的岩层厚度小于5m的占比超过60%，因此，矿山地基在爆破作业存在液化的可能性。根据研究发现，随着矿山地基的不断增加，地基液化的可能性也在不断的增加，从而影响矿山的安全与稳定。

1.4 爆破振动速度分析

露天矿山进行爆破作业时，距离矿山的核心部分非常近，因此，爆破所产生的振动波对矿山安全的影响非常大，并且不容忽视，同时对临近的民房以及建筑物也会产生相应的影响。在矿山中，其山腰位置是矿山的核心位置，其是矿山安全的关键因素，所以，在爆破作业时，应该对其进行重点关注。

露天矿山爆破技术主要是通过爆破产生的振动对矿山的安全产生影响，因此，本文基于振动速度对矿山安全的影响进行分析。一般情况下，振动对矿山的山顶、山脚、山腰以及顶脚产生的影响比较大，对其进行重点分析。

通过对矿山典型位置的选择，采用萨道夫斯基爆破振动波速度预测公式对每个位置的竖直方向与水平方向的振动峰值速度进行计算，其结果如表3所示。

表3 矿山典型位置振动峰值速度

根据表3可知，在水平方向的振动速度从山顶到山脚位置的变化趋势为先增大后减小，最大的振动速度出现在山腰位置，顶脚位置的振动速度次之，山顶位置的振动速度最小；而竖直方向的振动速度从山顶到山脚位置的变化趋势为减小，山顶位置的振动速度最大，山脚位置的振动速度最小。

将计算得到的山腰振动速度与山脚振动速度进行对比可以发现，竖直方向和水平方向山腰振动速度均比山脚振动速度大，主要是由于山腰与山脚存在着高度差，导致爆破振动波在矿山介质的传播过程中产生了高程放大效应。在水平方向山腰的振动速度大于其他位置的振动速度，这对矿山的安全会产生比较大的影响，会导致矿山产生裂纹，进而对矿山的安全产生威胁。

1.5 爆破振动频率分析

在露天矿山爆破方案中，每个炮孔是相对独立、呈空间状态进行分布的。每个炮孔产生的振动波在传播的过程中相互影响形成了矿山爆破振动波。但是由于炮孔的爆破时间、传播介质、传播距离的不同，导致振动波的频率比较分散，其振动波能量分布有所不同，振动波也具备多样性。爆破振动波对矿山安全的影响并不是某一振动波所导致的，若是只考虑单一的振动波对矿山安全的影响，得到的结果往往与实际情况偏差很大，这也是导致很多事故发生的根本原因。

我国在《爆破安全规程》中规定了不同频率下矿山的爆破振动速度控制范围。通过对露天矿山典型位置的振动频率进行研究发现：矿山爆破振动波的频率是会受到传播距离的影响，随着传播距离的增加，振动波频率会降低。当爆破振动波传播距离为10m～15m时，其振动频率比较分散，频率为30 Hz～100 Hz；当振动波传播到40m～60m时，振动频率趋于稳定，振动频率为20 Hz～35 Hz；产生振动频率衰减的主要原因是矿山岩层风化现象比较严重，导致振动波在传播的过程中，风化的岩层会对高振动频率产生衰减的作用。而低振动频率与矿山的自振频率更加接近，会产生共振现象，对矿山安全的影响加大。因此，在矿山爆破的过程中，不但要注意振动速度对矿山安全的影响，也要注意振动频率因素，其对矿山安全也存在着巨大的影响。

2 结语

本文主要研究爆破技术对矿山安全的影响，主要从五个方面分析爆破技术对矿山安全的影响：一是爆破荷载方面，当时间为0.3s时，爆破荷载达到最大，其对矿山安全的影响程度最大；二是矿山稳定性方面，爆破会影响矿山岩层与地基的稳定系数，从而影响矿山的安全；三是矿山地基液化方面，随着矿山地基的加深，爆破对其产生的液化影响越大，导致矿山安全性减小；四是爆破振动速度方面，矿山顶脚位置的振动速度若是达到典型位置中的最大，矿山会出现裂纹，从而威胁到矿山的安全；五是振动频率，随着振动波传播距离的增加，振动频率会降低，越来越接近矿山的自振频率，产生共振现象，对矿山安全产生威胁。但是，本文所考虑的方面不够全面，需要对其进行进一步探索与研究。