爆破地震波传播规律试验研究*

安胜杰，易吉祥，池恩安，于海阔，欧阳天云,4

(1.保利久联控股集团有限责任公司，贵阳 550002；2.安顺新联爆破工程有限公司，安顺 561000；3.保利新联爆破工程集团有限公司，贵阳 550002；4.保利民爆哈密有限公司，哈密 839200)

1 工程概况

新疆别斯库都克露天煤矿(以下简称“别矿”)年产煤2×106t、年石方剥离量1.8×106m3，平均每天爆破岩石5×104m3、消耗炸药20 t。其开采形式采用工作帮梯级放坡，开采现状见图1。非工作帮位于西帮和南帮，经过长年的风化，有小型崩塌的风险，为解决底部平台爆破产生的振动对非工作帮的动力稳定性影响问题，需对底部平台爆破产生的地震波的动力响应规律进行试验研究，进而在爆破振动预测的基础上对底部平台的爆破参数进行调整，降低爆破振动危害。

图 1 露天煤矿开采现场示意图Fig. 1 Diagram of mining site of open pit coal mine

2 爆破振动试验研究

2.1 爆破振动试验方案

本次爆破振动试验主要是研究爆破地震波在边坡岩体中的传播衰减规律[1,2]，进而分析别矿露天边坡爆破动力响应特征规律，并通过大量振动测试数据回归萨道夫斯基方程中的参数K、α。根据对矿山地质调查，本次试验的台阶边坡岩性主要为砂岩，质地较硬，属于中硬岩，台阶边坡保存完好，有利于试验进行，现场台阶边坡状况见图2。

试验方案如下:

(1)现场振动监测点的布置

根据矿山实际生产情况和测点布置目的，选取岩体构造比较单一且地质条件相对较差的剖面进行爆破振动监测试验，在爆破区域的上部平台由近到远依次布置4个振动测试点:A、B、C、D，见图3。

图 2 台阶边坡现状图Fig. 2 Present situation map of step slope

图 3 测点布置示意图(单位:m)Fig. 3 Schematic diagram of measuring point layout(unit:m)

(2)现场传感器安装

在边坡岩体上找到合适的基岩，并将传感器用石膏固定在清理后的基岩上[3]。传感器X轴方向指向爆源，Y轴方向与爆源方向垂直，Z轴方向竖直向上。现场仪器布置，见图4所示。

图 4 现场仪器布置示意图Fig. 4 Schematic diagram of field instrument layout

别斯库都克露天煤矿爆破采用电子雷管微差起爆网路，孔排间采用毫秒微差延时网路来控制最大单响药量，采用三角形布孔方式[4]。爆破孔网参数见表1。

表1 爆破孔网参数表Table 1 Blasting hole network parameter table

2.2 爆破振动试验结果及分析

本次爆破振动试验共进行了7次，每次测得4组振动数据，其中除去2次异样数据后，还剩5次有效数据，包括有效测点数据共20组，60个爆破振动信号。爆破工艺参数见表2，爆破振动实测数据见表3。

表2 爆破工艺参数表Table 2 Blasting process parameter table

表3 爆破振动试验实测数据Table 3 Measured data of blasting vibration test

通过对表3中爆破振动实测数据进行分析，得出别矿台阶边坡爆破振动的响应特征[5]:

(1)整体数据显示，随着爆破振动在边坡上传播时间和距离的增加，三个方向上的振动峰值速度不断衰减，监测点距爆源的距离对爆破振动峰值速度的影响要远大于高程[6]。

(2)水平径向质点振动的峰值速度最大，水平切向次之，垂直向最小[7]。水平径向质点振动峰值范围为0.75～5.66 cm/s、水平切向为1.12～5.11 cm/s、垂直方向为0.72～3.82 cm/s，爆破振动合速度为2.053～8.392 cm/s。

3 爆破振动公式回归拟合

利用萨道夫斯基经验公式研究测点振速与爆心距和最大单响药量之间的关系[8-11]，利用MATLAB软件线性回归分析得到与传播地质条件和爆破方式有关的衰减系数K、α值，进而得到别矿爆破地震波的传播规律公式[8]。对萨道夫斯基公式两边取对数进行变形可得

(1)

则有线性回归方程

y=ax+b

(2)

利用MATLAB软件对采集到的振动数据进行拟合处理，得到符合现场实际工程影响爆破振动的相关参数K、α，三个方向速度及合速度拟合结果分别见式(3)、(4)、(5)、(6)。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，X方向和合速度方向拟合曲线结果见图5、图6。

图 5 水平径向速度线性拟合曲线图Fig. 5 Linear fitting curve of horizontal radial velocity

图 6 合速度线性拟合曲线图Fig. 6 Linear fitting curve of combined velocity

相关性系数R是评价线性关系的密切程度，即衡量回归分析值与真实值的相似度，R的值大于0.8且与1越接近，线性相关程度越高。三个方向速度及合速度拟合结果相关性系数均大于0.8，说明该测振结果具有一定的参考价值。

4 振动预测软件研发

当监测点距离爆源较远时，将整个爆区看作一个参考点O，该点的坐标O(x0,y,z0)计算公式见式(7)

(7)

式中:Xmin、Ymin、Zmin为所有炮孔X、Y、Z坐标中最小值；Xmax、Ymax、Zmax为所有炮孔X、Y、Z坐标中最大值。

监测点至爆源中心距离R的计算公式见式(8)

(8)

式中，x、y、z分别为监测点的GPS坐标。

当给定场地系数K，衰减系数α，最大单响药量和监测点的坐标后，便可根据萨道夫斯基经验公式预测该点的质点振动速度峰值，经过公式的相关变换，可实现校核最大单段起爆药量、校核振动安全距离。如图7所示。

图 7 爆破振动预测的软件界面Fig. 7 Software interface for blasting vibration prediction

5 结论

(1)别矿的爆破振动监测结果显示，随着爆心距的增大，边坡质点振动速度不断衰减，三个方向中水平径向峰值振速最大，水平切向次之，垂直方向最小，爆心距对爆破振动速度的影响要远大于高程。

(2)利用MATLAB软件结合萨道夫斯基经验公式对其进行线性拟合回归计算，获取了与传播地质条件和爆破方式有关的系数K、α值，其中水平径向K=276.99、α=1.074，水平切向K=94.07、α=1.355，垂直方向K=104.48、α=1.504，合速度方向K=227.47、α=1.48。

(3)结合试验的结果，编制爆破振动预测软件，实现了对测点位置振动峰值的预测、校核最大单段起爆药量、校核爆破振动的安全距离。