黑岱沟露天煤矿抛掷爆破振动规律研究

唐晓骞

（神华准格尔能源有限责任公司 黑岱沟露天煤矿，内蒙古 准格尔 010300）

对露天矿山大型抛掷爆破来说，危害最大的是爆破引起的地震。爆破地震的主要危害在以下几个方面：影响到边坡的稳定性、对周围附近的建筑物的安全性产生影响。在工程实际应用之中，人们经常运用经验公式进行相关爆破地震大小的计算，不过爆破地震波的影响因素很多，如：岩层地质结构、爆破地震波传播介质、爆破方案等。爆破振动强度的预测有2 个主要的目的：一是对爆破振动效应的研究，二是对爆破振动灾害的控制。对于爆破振动规律的研究问题，各国学者已经取得了显著的成果，在理论分析与经验公式等角度展开了大量的研究，得到了一系列的振动强度衰减规律经验公式[1-5]。

为了提高对衰减规律研究的精准度，能够更好的指导实际工程项目，在矿山工程中根据控制爆破地震的需要，很多学者进行了深入的研究。周传波[6]通过测定数据的回归分析，得出了能描述该矿深孔爆破地震波衰减规律的表达式，为该矿预测生产爆破地震强度和采取降震、减震措施提供了理论依据；费志超[7]根据工程实践和实测得到的速度峰值，分析了相同地质条件下不同爆破震动峰值速度衰减公式的关联，证明了在同一地区，应用不同的衰减公式指导爆破设计和施工时，会有不同的结论；殷延军[8]通过爆破震动测试，研究爆破质点峰值震速与主震频率的关系，找出适合露天矿爆破安全允许的爆破药量和安全距离，并指导生产爆破设计；郑炳旭[9]对监测数据进行了统计回归分析，归纳出爆破地震频率的总体规律。

1 工程概况

黑岱沟露天煤矿使用抛掷爆破技术在国内数首家，自2007 年3 月，露天煤矿成功进行了国内首次抛掷爆破，至今已成功实施了180 多次抛掷爆破，爆破的规模达到每次爆破量170 万m3，消耗炸药为1 300 t，相关技术经验在国内首屈一指，填补了国内抛掷爆破技术空白。抛掷炮区周围的南侧为空旷场地；北侧为3#、4#破碎站桥涵；东侧为空旷待开采区，西侧为煤炭开采区，有各种生产设备、设施。爆破周围环境相对空旷；该区域为丘陵山区的地质地貌，表层为10～40 m 的风化土所覆盖，风化土以下是水平产状厚层砂岩。

2 爆破振动测试系统

考虑到地震波的主振频率在200 以内，并且要满足GB 6722—2014 国家安全规程的要求，因此黑岱沟露天煤矿采用的是中科测控研发的便携式智能爆破测振仪TC-4850，其相应频率为5～500 Hz，可以在现场直接设置触发电平、记录精度、采集持时等采集参数，并且可以通过仪器自带的液晶显示屏实时显示出振动波形、峰值振速、振动频率等参数。因此可以满足黑岱沟露天煤矿的现场测试要求。TC-4850 爆破测振仪工作原理如图1。

图1 爆破振动测试系统工作原理

3 爆破设计参数

主要针对2018 年南区第5 次和第6 次抛掷爆破，孔深46～51 m，采用连续装药结构，主要采用现场混装铵油炸药。孔距为12 m，排间距为6～7 m，因为每一次爆破的总爆量都不同，所以每一次爆破孔数并不是都相同，而是根据需要进行设计，爆破设计参数见表1，采用逐孔起爆技术，孔间延期时间为9 ms，排间延期时间由前排往后依次为330、330、280、280、220、220、220、220、220、180、180 ms。

表1 爆破设计参数

4 黑岱沟露天矿振动规律

4.1 现场测试方案和振动监测数据

为记录爆破振动的全部历程，达到监测目的，按照测点布置原则，根据爆破的特点及爆区实际地质地形条件确定爆破地震测试方案如下：

1）在爆区北侧布置1 号侧线，并且保证测点在同一台阶上，测点编号为1#、2#、3#、4#。

2）为了分析在有预裂缝的前提下，爆区的震动对正后方的震动传播规律，在爆区正后方布置2 号测线，测点编号为5#、6#、7#、8#。

3）为了监测爆区南侧爆破地震波传播规律布置3 号测线，从而为处在爆区南侧的边坡稳定性作出判断，测点编号为9#、10#、11#、12#。

通过专业的数据软件处理，可以将时间振动数据以曲线的形式展示，抛掷爆破振速监测数据见表2。

4.2 爆破振动规律

经过对表2 中振动数据的整理汇总和处理，按萨达夫斯基速度公式，拟合计算出3 条测线上各个方向上的振速随比例距离的回归曲线及衰减公式。

1 号测线、2 号测线、3 号测线方向振动速度衰减拟合回归曲线对比图如图2～图4。

1 号测线水平径向振动速度Vx传播规律为：

1 号测线水平切向振动速度Vy传播规律为：

1 号测线垂向振动速度Vz传播规律为：

2 号测线水平径向振动速度Vx传播规律为：

表2 抛掷爆破振速监测数据

图2 1 号测线3 方向振动速度衰减拟合回归曲线对比图

2 号测线水平切向振动速度Vy传播规律为：

2 号测线垂向振动速度Vz传播规律为：

图3 2 号测线3 方向振动速度衰减拟合回归曲线对比图

3 号测线水平径向振动速度Vx传播规律为：

3 号测线水平切向振动速度Vy传播规律为：

3 号测线垂向振动速度Vz传播规律为：

图4 3 号测线3 方向振动速度衰减拟合回归曲线对比图

上述3 个测线所回归的规律，相关系数r 均在90%以上。

为对比分析不同爆破场地条件及地震波在不同方向上的传播规律，列出3 条测线萨道夫斯基公式中的K，α 值，3 个方向测线3 分量振速衰减回归K值见表3，3 个方向测线3 分量振速衰减回归α 值见表4。

表3 3 个方向测线3 分量振速衰减回归K 值

表4 3 个方向测线3 分量振速衰减回归α 值

对于同1 条测线的3 方向振速而言，垂直方向的K 值明显高于水平径向与水平切向的K 值，这表明3 分量振速中垂直方向上的振速最大。

对于3 个不同的测线方向而言，2 号测线所拟合参数值的绝对值明显低于1 号测线和3 号测线所拟合得到α 值的绝对值，这表明爆源后侧的振速的衰减速度要大于爆源两侧的地震波的衰减速度，说明爆破振动波穿过预裂爆破带振动强度减小明显，预裂爆破带起到了重要的减震作用。

4.3 爆破振动主频分析

根据表2 爆破振动主振频率的规律可知，水平径向爆破振动峰值振速比较大，主振频率相对较小，因此本节有必要对3 条测线上测点的水平径向爆破振动信号进行分析。

根据地震波在黏弹性介质中的传播理论，孟海利[10]通过量纲理论推导得到爆破振动主频率可以表示为：

式中：f 为主振频率，Hz；Q 为总装药量，kg；R 为爆心距，m；a1、a2为待定常数。

为了能够采用最小二乘法对公式进行线性回归，令：

利用式（1）对3 条测线所测振动主频进行非线性回归分析，鉴于振动3 方向所获取的主频衰减规律相类似，仅从水平径向方面研究主频衰减规律。

1 号测线水平径向的主振频率衰减规律为：

同样获得2 号、3 号测线水平径向的主振频率衰减规律为：

经过分析得出当测点距离爆源比较近的时候，3个方向的主振频率差距比较大，其中z 向频率最大，x 向频率和y 向频率数值比较接近；随着测点与爆源距离变大，3 个方向的主振频率趋于相同。

对于同一条测线上的数据，随着测点距离爆源的距离增大，各个方向的主振频率有减小的趋势。

振动主频分析：黑岱沟露天煤矿爆破振动的主频在3～30 Hz，在振动主频的衰减趋势上，随着爆心距的增大，主震频率有衰减的趋势。

由3 条测线振动主频与药量、距离的关系得出随着单段药量增加，抛掷爆破振动的主振频率有往低频发展的趋势，由于爆区附近建筑物主频较低，因此在爆区距离建筑较近时应采取措施，避免爆破主频与建筑物主频相近，如可采取减少单段起爆药量等方式。

5 结语

1）黑岱沟露天煤矿爆破时，质点3 方向的峰值振速有如下规律：水平径向X 方向的振速比水平切向Y 方向与垂直方向Z 方向的振速大。且3 方向峰值振速和爆心距成反比，和单段最大药量成正比。

2）根据萨道夫公式对爆破振动数据拟合回归，得到3 条测线爆破振动速度预测公式。

3）黑岱沟露天煤矿南区爆破振动主频在3～30 Hz，在振动主频的衰减趋势上，随着爆心距的增大，主震频率有衰减的趋势，并得到爆破振动水平方向主振频率预测公式。