露天矿台阶爆破对邻近巷道的振动监测及分析

董英健，郭连军，徐振洋，贾建军，常 跃，宁玉滢

(1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.鞍钢矿业爆破有限公司，辽宁 鞍山 114051)

露天矿生产过程中，由于爆破效率高且经济效益可观而视为矿山开采中首选的施工工艺，但台阶爆破在施工过程中产生振动引起爆区周围构筑物的损害，因此有必要对爆区周围环境进行安全性监测及分析。国内外专家在爆破振动危害效应方面做了大量的研究工作，理论和成果日趋成熟完善。肖望等[1]以水电站坝基为研究对象，提出爆破振动传播规律的公式，研究结构面与爆破振动速度的关系；陈思远等[2]结合大冶铁矿露天转地下工程，提出在深度影响下的爆破振动传播规律；为了研究桩井爆破对周围环境的影响，蒲传金等[3]进行爆破振动速度试验，推导出高程修正公式，提高了预测精度；周俊汝等[4]运用数值模拟方法，分析爆破振动主频衰减机制与规律，对爆破振动的危害做出准确的评价；针对公路隧道的围岩由于爆破施工导致的稳定性问题，江杰等[5]对广西玉象隧道开展爆破振动监测试验，提出隧道质点振速的传播衰减规律，对邻近巷道安全性评估具有指导意义。

目前大部分学者对露天矿爆破作业引起周围环境的振动规律做了研究，但多数爆破振动监测局限于地表，对地下受爆破振动影响的巷道安全性研究还较少。鞍钢某铁矿-68～-84 m台阶爆破施工过程中，考虑爆破振动对-110.2 m巷道的危害效应，对巷道进行监测并分析爆破振动波衰减规律及爆破振动能量的分布特征，有利于巷道安全性的深入评估。

1 工程概况

监测矿山是鞍山钢铁矿业主要生产矿石地之一，为生产需求准备在-68～-84 m台阶进行爆破开挖，此台阶初始设计三个爆区，其中爆区1布置36个主爆孔，炸药类型为铵油炸药，预裂孔24个，配合使用2号岩石乳化炸药；爆区2布孔70个，其中主爆孔46个，孔距、排距均为4 m，孔深16～17 m，单孔最大装药量为150 kg，炸药类型为铵油炸药，预裂孔24个，孔深18 m，配合使用乳化炸药；爆区3布置52个爆孔，其中主爆孔20个，孔深16 m,孔距、排距均为4 m，采用连续柱状装药结构；预裂炮孔32个，孔深17 m，配合使用2号岩石乳化炸药，采用径向不耦合装药结构及逐孔微差起爆方式。考虑到台阶爆破振动对-110.2 m巷道的影响，依照《爆破振动安全规程》(GB 6722—2014)的有关规定，对-68～-84 m台阶爆破作业进行振动监测，采集振动数据并进一步对爆破振动信号分析，为爆破施工现场提供科学的理论依据，同时有利于对巷道危害效应的准确预测。

2 台阶爆破振动监测内容

2.1 爆破振动峰值速度衰减理论

台阶爆破施工过程中，为描述爆破地震波的时频特性及衰减规律，主要从爆破振动速度与频率角度方面进行研究与分析[6-8]。该矿爆破施工在-68 m台阶位置，监测对象巷道位于-110.2 m位置，测点与药包垂直距离24 m，高程小于30 m，且高程影响不作考虑[9-10]。爆破振动质点峰值速度公式采用萨道夫斯基公式[11-12]，见下式。

式中：V为质点振动峰值速度，cm/s；K、a为与地质条件有关的衰减系数；Q为单段最大药量，kg。

2.2 监测设备及测点布设

爆破振动监测仪器是中国科学院成都测控公司生产的TC-4850测振仪，其中，与测振仪配套使用的三向传感器，同时能监测到水平切向X、水平径向Y和垂直方向Z的速度。在3个爆区中，考虑到爆区3离巷道较近，以爆区3为主要监测对象，该爆区共布置52个钻孔，均采用方形布孔形式，孔深13～17 m，孔距和排距均为4 m，孔径158 mm，地表延期时间为25 ms，主爆孔使用铵油炸药3 078 kg，而预裂孔使用乳化装药720 kg，采用导爆管雷管逐孔起爆。本次监测共布置9个测点，分别编号为1#～9#，其中，1#测点、2#测点、4#测点、7#测点布置在爆区周围的构筑物上，为了真实反映巷道的稳定性问题，将3#测点、5#测点、6#测点、8#测点、9#测点分别布置在巷道内裂隙较为严重的67、65、71、66、69位置，测点布置见图1。

图1 测点布置图Fig.1 Layout of measuring points

2.3 数据及处理分析

通过对巷道进行爆破振动速度实时监测，共得到9组数据，将实测的三向速度数据进行筛选对比，发现垂直方向相对于水平切向、水平径向振动速度较大，考虑将垂直方向的振速作为研究重点，对9组数据进行分析，研究爆破振动峰值速度的衰减规律及能量的分布特征，监测数据见表1。

由表1的爆破振动监测数据进行非线性拟合分析，运用Origin软件对以上测点进行拟合，得出爆破振动衰减系数K=141.66、a=1.74，并取相同起爆药量中任意的一个测点如1#测点、4#测点、8#测点进行校验，将相关参数带入理论公式，比较理论值与实测值的相对误差，见表2。

表1 爆破振动监测数据Table 1 Monitoring data of blasting vibration

表2 爆破振动速度实测值与理论值对比Table 2 Comparison of measured values and theoretical values of blasting vibration velocity

由表1和表2可知，爆破振动质点振动频率主要集中在10～50 Hz，巷道内质点振动峰值速度集中1～10 cm/s。由表3可知，符合爆破振动安全控制标准。其中爆破振动实测值小于理论值，相对误差范围处于1.3%～3.8%之间，造成该误差可能原因有：测点数目过少且由于巷道环境因素使得传感器无法安装在邻近爆区的巷道壁上，岩石性质的差异和外界条件如设备、落石的等噪声的干扰导致测振仪监测的数据存在误差。该理论公式对爆破振动峰值速度预测具有参考价值，需要在后期逐步修正以提高其准确性。

表3 爆破振动安全控制标准Table 3 Standard for safety control of blasting vibration

3 巷道监测信号的处理与分析

为了准确评估巷道在台阶爆破作用下的安全性，仅从质点振动峰值速度的角度研究缺乏说服力，难以将爆破振动对巷道的危害效应全面反映出来。而振动信号体现了爆破振动的本质特征，通过对爆破振动信号的分析来探索能量的分布规律，进而对巷道安全性作出真实性评价。

由于在5#测点位置处巷道发生了小部分片帮情况，且主频率达到55 Hz，可能是由于起爆位置位于爆区西南侧，当起爆时爆破地震波向5#测点方向传播，导致其能量叠加。为准确分析爆破振动对巷道的影响，对5#测点采集的数据展开研究，分析爆破振动信号的能量、频谱等变化规律及分布特征，可为爆破设计提供参考。5#测点爆破振动监测信号如图2所示。

图2 爆破振动信号波形图Fig.2 Waveform of blasting vibration signal

爆破振动信号作为一个非平稳且随机的信号，不能按照传统的方法对信号处理，为了真实反映信号的本质特征，对巷道所监测的5#测点爆破振动信号进行经验模态分解，获得12个本征模态函数分量c1～c12，目的是将复杂的信号转化一系列简单、线性信号来处理，保证信号反映的真实信息不被损失和遗漏，经验模态分解结果如图3所示。

图3 经验模态分解结果图Fig.3 Results of empirical mode decomposition

从图3中可以得到爆破振动信号经过经验模态分解后，信号中本征模态函数分量的高低频率依次被分解出来，其中c1～c6中波长较为接近，相对于后几个分量来说频率较大，可视为爆破振动信号的优势频段。其中c1分量频率最大，携带能量较低，说明在监测的过程中外界环境的干扰噪声掺杂于信号之中，为了准确分析爆破振动对巷道的危害效应，优先对信号进行消噪处理以还原其本质特征。c2分量分解过程中在1.3～1.5 s范围内出现了部分高频集中情况，表明了分解初期信号的低频率成分掺入高频率中，导致了低频率成分优先被分解，而部分信号高频成分在初始阶段没有完全被分解出来，造成信号处理过程中失真现象的发生，但从整个过程来看，爆破振动信号在传播过程中频率、振幅呈衰减趋势，符合爆破振动波的传播规律，部分分量c11的振幅却有增加的变化，与爆破地震波在传播时与周围的质点频率相近达到共振现象有紧密关系。爆破振动信号频谱如图4所示，从图4中可以看到爆破振动信号频率大部分处50 Hz以下，爆破振动能量集中在0～50 Hz之间，能量在低频率段分布较为均匀，且对巷道的安全性影响较大，这与巷道发生小部分落石片帮情况相符合，但同时对优化爆破参数、改变起爆方式等提供借鉴参考，进而降低爆破对巷道的危害效应。

对监测的振动信号做进一步计算，从瞬时能量谱、三维能量谱、时频谱等时频特性角度分析邻近巷道的安全性。从瞬时能量谱图中观察到信号出现了5个瞬时能量峰值(图5)，这是由于爆破过程中多段雷管起爆共同作用导致的，此外，在0.2 s时刻的瞬时能量最大，为降低爆破振动对巷道的危害，应适当增大逐孔起爆的延期时间，降低能量的叠加效应，减少能量在0.1～0.2 s时间段的集中，而在0.6 s时刻以后爆破振动信号的瞬时能量逐渐趋于0状态，反映出爆破地震波的能量在传播过程中随着时间逐渐衰减的特征。

图4 频谱曲线图Fig.4 Frequency spectrum diagram

图5 瞬时能量谱Fig.5 Instantaneous energy spectrum

为了表明爆破振动能量在时间、频率的变化特征，建立能量与时间、频率之间的关系。三维能量谱如图6所示。从三维能量谱中分析得到，爆破振动能量在高频带分布较少，且主要集中在0～50 Hz范围内，其中，在0～0.5 s、0～50 Hz爆破振动能量较为集中，且在0.2 s时刻的爆破振动能量最大，与瞬时能量谱、频谱的分析结果相吻合，考虑巷道的安全性，在0～0.2 s时间段内不能进行多段雷管起爆，以达到减少能量在低频段的集中分布的目的。

图6 三维能量谱Fig.6 Three-dimensional energy spectrum

4 结 论

对某铁矿-68 m台阶进行多次爆破开挖试验，考虑到爆破振动对邻近巷道的危害效应，在巷道内共布置9个测点并进行监测，对爆破振动监测结果数据处理以及爆破振动信号的分析得出以下结论。

1) 巷道内测点的振动峰值速度集中于1～10 cm/s，主频率集中分布在10～50 Hz之间，符合爆破振动安全标准。

2) 结合爆破振动监测数据并利用回归分析得到爆破振动衰减系数K=141.66，α=1.74，并对实测振速与理论振速对比，其相对误差分布在1.3%～3.8%之间，为巷道安全性评价提供理论依据。

3) 对巷道监测的爆破振动信号进行处理，得到了瞬时能量随着时间变化的规律，其中爆破振动瞬时能量出现5个峰值且在0.2 s时刻达到最大，为减小爆破振动对邻近巷道的危害，应增大逐孔起爆延期时间，降低在0～0.2 s时间段内爆破振动能量的叠加效应。

4) 由三维能量谱得出，爆破振动能量在高频带分布较少，其中在0～0.5 s、0～50 Hz爆破振动能量较为集中，且在0.2 s时刻的爆破振动能量最大，与瞬时能量谱、频谱的分析结果一致。