石英脉型钨矿山中深孔爆破震动规律分析与预测

2019-03-16谢世勇叶光祥叶际寰张树标

中国钨业 2019年4期

谢世勇，叶光祥，叶际寰，李春，张树标

（1.赣州有色冶金研究所，江西赣州341000；2.江西下垄钨业有限公司，江西大余341518）

0 引言

赣南作为我国黑钨矿资源主要产地，矿床类型以石英脉型为主，可细分为单脉型与细脉带型，与之相应的落矿方法主要有浅孔落矿与中深孔落矿[1-2]。与浅孔落矿相比，中深孔落矿极大地提高了矿块生产能力和劳动效率[3]，但其一次爆破药量多达数吨，甚至上十吨，爆破产生的冲击波、毒气和震动等灾害已成为赣南钨矿山安全生产影响因素之一，尤其是爆破震动，其受爆破条件、传播介质、受震物体结构及动态响应等因素影响，具有衰减瞬时、频率复杂多变、传播距离远、危害难以预测和察觉等特点，极易造成生命和财产损失[4]。为此，在中深孔落矿开采技术环境下，亟须对爆破震动开展相关研究，准确预测爆破震动灾害，为爆破设计、爆破灾害防护和控制提供依据。

1 工程概况

下垄钨业左拔矿区采用分段凿岩阶段崩落法开采密集型细脉带矿体[5]，分段凿岩阶段落矿，各分段凿上向扇形孔，多孔粒状铵油炸药崩矿，炸药单耗0.45 kg/t，装药密度0.99 g/cm3，各孔口留0.5～1.5 m不装药，炮泥填塞，采用电雷管起爆，段、排微差起爆，其炮孔排面及爆破网络如图1所示。

图1 矿块爆破炮孔及起爆网络示意图Fig.1 Schematic diagram of blasting holes and initiating networks for mine blocks

2 爆破测点布置

本次爆破震动现场监测的主要目的是通过多次爆破监测，寻找该矿区爆破震动规律，与此同时，保护重要巷道、硐室。根据现场调研情况，沿186中段矿脉走向方向布置测线1条（5个测点），保护测点1个，测点布置如图2所示。此外，在爆源附近236中段主扇房、186中段变电硐室布置保护测点各1个。

图2 186中段爆破测点布置图Fig.2 Layout of blasting measuring points in the middle section of186

3 爆破震动规律分析

为进行爆破震动规律分析，进行了5次爆破震动监测，每次布置8个测点，共测得35组有效数据。通过MATLAB平台，运用信号分析技术，揭示了不同药量、爆心距条件下震动速度、频率和能量的变化规律[6-9]。

3.1 速度变化规律

对现场测得的35组数据分3个方向（x、y、z）进行萨道夫斯基经验公式拟合，求得矿区场地系数k和衰减指数α，揭示质点峰值振动速度与装药量、爆心距间关系，拟合所得模型如下：

式中：Q—炸药量，爆破单段最大炸药量，kg；R—测点与爆源中心的距离，m；

在地质条件一定，爆破器材、装药结构相同时，震动速度随着单段最大药量的增加或爆心距的减小而增大。

3.2 频率变化规律

对矿区每一次爆破震动数据频带范围及主震频率进行统计，结果如图3、图4所示。震动波形频率范围主要集中在0～500 Hz，大于500 Hz的波形数量仅占所有测震数据的8%；主震频率分布直方图显示所有震动波形主震频率均小于180 Hz，低于100 Hz的震动波形占据主要位置，占比83.9%。

图3 频带分布直方图Fig.3 Frequency distribution histogram

图4 主震频率分布直方图Fig.4 Histogram of main earthquake frequency distribution

在确保爆心距相同或相近的情况下，进行主震频率随药量的变化规律研究，如表1。爆破震动波形主震频率随单段最大药量的增加呈降低现象，降低程度在各药量段却有所不同，小药量段降低大，大药量段降低小。与此同时，还发现，同样炸药量下，段别越多，单段最大炸药量越小，波形频率构成越复杂。

对药量相近的两次爆破震动信号主震频率与爆心距进行统计分析，得到主震频率随爆心距的分布图，见图5。大规律上可以发现，当爆心距在180 m范围内，主振频率大小不一、数据分散、杂乱无章；超过280 m后，主振频率以低频为主，且集中在12.2～35.4 Hz内，这一现象符合岩体对高频信号衰减作用大于低频信号的规律。同时，可认为在左拔矿区这种缺陷（采空区、断层、岩性交替等）岩体条件下，爆破中、高频部分在爆心距280 m内基本衰减完成。此外，还可大胆猜测：传播介质一定的条件下，其中高频衰减距离一定，并可通过现场实测得到。

表1 不同药量波形时频分析Tab.1 Time-frequency analysis of different dosage waveform

图5 主频随爆心距分布图Fig.5 Distribution diagram of main frequencies with the variation of explosion center distance

3.3 能量变化规律

以测点编号0207、0307爆破震动波形频带能量图（图6），说明单段最大炸药量与能量间关系，两者爆心距基本一致，对应的单段最大炸药量分别为4 009 kg、279.3 kg。在整个频带范围内，单段最大炸药量大者频带能量随炸药量变化呈现不同规律，0～120 Hz区间内更大，120～200 Hz更小，超过200 Hz基本一致。说明在爆破震动主频范围内，各频带能量随着单段最大药量的增加而增大。此外，还能发现，爆破震动能量主要集中在中低频，频率大，能量反而小。

以测点编号0101、0102、0103爆破震动波形频带能量图（图7），说明爆心距与能量间关系，三者单段最大炸药量一致，对应爆心距分别约为50 m、70 m及150 m。除0～40 Hz外，各频带能量均呈现0101＞0102＞0103，说明各频带能量及爆破震动总能量随爆心距的增加不断减小；此外还发现，当爆心距分别为50 m、70 m、150 m时，其能量分布区间主要集中区域也不同，分别为0～360 Hz、0～200 Hz和0～120 Hz，这说明距离越近能量分布越发散、主震频带加宽，距离越远能量分布往低频集中。

图6 频带能量图Fig.6 Band energy diagram

图7 频带能量图Fig.7 Band energy diagram

4 爆破震动波形预测

爆破震动波形预测是指对爆破震动速度、加速度、频率、持续时间等多个物理量的整体预测，各参量融合于波形中。

首先，对现场获取的爆破震动波形进行7层小波包分解，并对各频段波形进行最小二乘法回归拟合，分析不同频率波形的传播规律；其次，将一个最接近矿区场地信息的频段波形作为预测基函数，再对各频段波形进行归一化得到子基函数；最后，将对应频段的传播规律赋予子基函数得到预测模型，各方向信号预测模型如图8～10。输入确定的单段最大药量及爆心距进行反演重构，即可得特定情况下的预测波形。