白马铁矿田家村南采区爆破测振及村民房屋影响研究*

胡方强,张春阳,谭 海,姜婷婷,KABILA Kevin Mbuyu

(1.攀钢集团矿业有限公司，攀枝花 617000;2.武汉理工大学 资源与环境工程学院，武汉 430070)

爆破是矿山开采和工程施工常见的作业方式，不可避免给周围环境带来干扰甚至安全隐患。为弄清爆破振动的影响程度，测振在爆破作业过程中具有重要意义。黄磊和何祥采用NUBOX-8016型智能振动测试仪确定了金宝铁矿爆破峰值振动速度衰减规律[1]，论证了金宝铁矿爆破振动对边坡稳定性的影响。随着计算机技术发展，数值模拟可以弥补爆破测振的不足。梁琨等结合现场爆破振动监测及ANSYS/LS-DYNA，分析小净距隧道爆破开挖中，后行洞上台阶爆破对先行洞的动力响应[2]；程平等通过LS-DYNA得到了爆破振动下围岩应力分布、位移变化规律[3]，以及地震波沿隧道轴向及衬砌环向的速度衰减规律。此外，试验也是有效的研究手段，黄锡琴等通过混凝土模型爆破试验研究露天矿爆破振动规律[4]，爆破振动高程效应与炸药量间的关系。总之，他们的研究为爆破振动危害防控提供了理论依据。

目前爆破振动危害防控的措施较多，例如，数码电子雷管的使用实现了延期精准调控，使爆破震动大幅度降低[5]；孙颖等提出了相应的爆破振动控制标准及措施，用于葛洲坝3号船闸爆破拆除作业[6]；张袁娟等采用预裂缝进行防振减振[7]；余红兵和赵明生提出了覆盖防护、减震沟隔离、钢管排架防护[8]，最大单响药量控制、爆破网路优化等防控措施。

以白马铁矿田家村南采场为研究对象，自生产以来，采场爆破振动已引起当地村民关注，并担心对房屋造成安全隐患。参考已有研究成果，本文通过爆破振速监测、数据处理和振速反算，结合相关规程评估爆破振动对房屋的影响，并提出相应减振建议。

1 工程概况及测点布置

白马铁矿是攀钢集团重要的钒钛磁铁矿生产基地，田家村属于二期新开采场，位于四川省攀枝花市米易县境内。采场矿体走向近南、北，长度约3000 m，倾向西，倾角60°～65°，121b、122b基础储量(B+C级)为1.98亿t。二期设计开采规模为500万t/a，于2010年10月开始基建，2011年投产，2012年达到500万t/a，2019年为计算年，采剥总量2250万t/a，生产剥采比3.50，服务年限约33 a，其中稳产时间约30 a。采场台阶高度15 m，目前采用C150 mm型液压钻穿孔，孔网参数岩石5 m×5 m，矿石4 m×5 m。矿山环境及现状见图1所示。

图 1 露天采场开采现状Fig. 1 Mining status in the open stope

考虑到房屋位置、露天采场现状、地质地貌特征、岩土体非均质性，以及当前矿山开采现状，爆破测振爆源位置选为1600 m、1570 m、1555 m、1525 m平台，它们离村庄的距离最近，爆源与测点相对位置如图2所示。

图 2 爆源与测点位置及村庄分区Fig. 2 The location of explosion sources,measuring point and village division

2 采区爆破设计

该矿山采用混装炸药爆破，导爆管雷管反向起爆。设计台阶高度15 m，炮孔孔径160 mm，孔深约17.5 m，堵塞长度约5～8 m。在10月10日，1570台阶采用三角形布孔，总数94个，孔距5～6 m，排距4 m，最小抵抗线3 m；1600台阶布孔71个，孔距5.5/6 m，排距4 m，孔深17.1～18.2 m，填塞长度大于等于5 m，超深2.5 m，最小抵抗线3 m。在10月12日，1555台阶布孔112个(三角形布孔)，孔距5.5/6 m，排距4 m，最小抵抗线3 m，孔深15.8～17.8 m，填塞长度大于5 m，超深2.5 m。在10月14日，1525台阶布孔37个，孔距5.5 m，排距4 m，最小抵抗线3 m，填塞长度大于等于5 m，超深2.5 m，孔深16.7～17.3 m。采用连续装药结构，岩粉堵塞炮孔。典型的台阶切面如图3所示。

图 3 典型的爆区切面图(单位：m)Fig. 3 Typical section of blast zone(unit:m)

采用导爆管雷管起爆，典型孔间延时、起爆顺序见图4所示，为确保起爆炮孔的爆破振动峰值最大，降低其他炮孔干扰，将设计的单孔起爆调整为前两孔同时起爆，因此对于1570 m、1600 m、1555 m和1525 m台阶，单孔最大药量分别为520 kg、280 kg、520 kg、530 kg。

图 4 典型的起爆网路Fig. 4 Typical detonating network

3 爆破振动测试及数据分析

3.1 测点布置原则

为了获得更多测振数据，每条测线上布置5～6个测点，各测点振速传感器尽可能位于同一直线上。根据爆破破岩机理，振动波在爆源近区衰减快、远区衰减慢，呈幂指数衰减规律。考虑到爆破测试单段最大药量均为520 kg左右，因此，测点遵循近密远疏布置，测线范围在1000 m以内。为了全面反映爆破地震波衰减规律，并保证测量仪器安全，在各测线上，测点1(图2)的爆心距选取为120～250 m。相邻测点间的距离取为20～50 m，根据实际地形情况合理布置，确保在近区、中远区均能采集到振动数据。现场典型的爆破振动监测点如图5所示，对于村庄外测点，测振仪多安装在地表坚硬稳固的基岩上，而对于村内测点，测振仪可安装在居民院中的水泥地面上。

图 5 现场典型测点Fig. 5 Typical measuring points on site

3.2 数据处理与特征分析

在爆破结束确认安全后，方可收装仪器，并及时进行数据整理。现场一共布置了三条测线(图2)，典型的爆破振动波形如图6所示，它显示了测线1上测点2的爆破振动波形，其中X、Y、Z分别代表测点指向爆源方向(水平径向)、垂直于X方向(水平切向)、竖直方向。该点位于采场内，振动速度相对较大，其中X轴振速达到了1.75 cm/s，而Y和Z轴的振速相对小一些，但也分别为1.1 cm/s和1.01 cm/s。当然随着离爆心距离增大，振速逐渐减小。此外，从图6中还可以看出，爆破振动的持续时间大概为0.5 s。

图 6 测线1上测点2的爆破振动波形图(1570台阶)Fig. 6 Blasting vibration waveform of line 1 measuring point 2(1570 bench)

为了分析爆破振动的衰减规律，以测线1上1570台阶爆破为例，整理后的数据如表1所示。表中Q代表单响最大药量(kg)，Vp为爆破振动峰值速度(cm/s)，f为峰值振速的频率(Hz)，X、Y、Z分别为水平径向、水平切向、竖直方向，D为测点到爆源的距离(m)。各测点位置及编号见图2所示，其中测点5、6位于田家村内，且测线3的5号测点位于离采场境界300 m范围以内。

表1 爆破振动数据表(1570台阶1号测线)Table 1 Blasting vibration data sheet(No.1 line of 1570 bench)

测线上爆破振动速度的峰值基本对应于最先起爆的炮孔。测线1上的测点1、2安装在下一个平台基岩上，离震源最近，故振动速度较大；测点3、4刚好位于开采境界之外，与测点1、2间有一小土坡，会加快爆破振速衰减，测点5、6位于村内水泥地面上，距离起爆点高差大，距离远，且有水沟隔开，因此振速衰减最大，其值均小于0.10 cm/s。此外，由于地震波在传播过程中发生了叠加，个别通道采集的峰值不在波的前端。

爆源与民宅间地质条件复杂，有岩石、土、破碎带、沟渠等，地震波衰减较岩体快。爆区与民宅间的高程差约70多m，回归需要考虑高差影响。根据国家爆破安全规程及国内外研究成果，一般采用萨道夫斯基经验公式分析爆破振动传播与衰减规律

(1)

式中:K为与地质、爆破方法等因素有关的系数；α为与地质条件有关的地震波衰减系数；Q为与振速V值相对应的最大一段起爆药量，kg；R为测点与爆心之间的距离，m。

采用最小二乘法对实测数据进行回归分析，获取对应K、α值，它们在各方向的差异，由断层分布、节理裂隙发育、地形地貌等因素决定。对比发现，在测线2上，X、Y和Z方向的K和α值为最不利组合，它们对应的爆破振速相对最大，因此，采用测线2上K、α值进行爆破振速反算更为合理。三条测线的K、α值如表2所示。

表2 各测线K、α回归值Table 2 K and α values obtained from regression of each measuring line

3.3 回归结果验证与爆破评估

村内测点振速反算结果表明：爆破振速反算值与实测值较为接近，反算值总体上稍大于实测值，如表3所示，这是由于振动波离开露天坑后，进入土质坡面，振动速度衰减相对加快，此外，还受到地形地貌、沟等因素影响，可见，K、α的回归值稍微偏大。不过，为了提高评估的可靠性，需考虑最不利状况，因此，本文采用测线2的K、α组合。

表3 村内测点振速实测值与反算值对比Table 3 Comparison of measured value and back-calculation value of vibration velocity of measuring points in the village

根据测线2的K、α值，对矿山2019年7月—2020年10月的爆破作业进行反算验证，考虑到爆区与住宅的距离、沟等影响因素，将田家村划分为三个典型区域(图2)。反算结果表明：村内各测点X、Y和Z方向的爆破振速均不超过《爆破安全规程》GB6722—2014中13.2.2条规定的安全允许振速范围(0 Hz

表4 爆破振速最大反算值分布范围(Z方向)Table 4 Distribution range of maximum back-calculation value of blasting vibration velocity(Z direction)

3.4 未来爆破振速预测与评估

预测台阶如图7所示，在台阶上选取靠近村庄的参考点共3个，单孔药量分别为：260 kg、270 kg、280 kg、290 kg(目前爆破常用单孔药量)。反算结果表明：最终境界各台阶爆破作业时，村庄内测点振速反算值总体大于当前振速；对于1435 m(参考点2)和1465 m(参考点1)台阶最靠近村庄处，Z方向爆破振速(分别对于区域1和区域2)可能会超过或接近《爆破安全规程(GB6722—2014)》中“土窑洞、土坯房、毛石房屋”规定的安全允许标准，但仍低于《爆破安全规程(GB6722—2014)》中“一般民用建筑物”爆破振动安全允许标准，Z方向典型爆破振速反算值如表5所示。

图 7 采场最终境界爆破振速预测参考点位置Fig. 7 Location of reference point for prediction of blasting vibration velocity at final boundary of stope

此外，为了使最终境界各台阶爆破振速与当前爆破振速接近，必须降低单孔药量，优化爆破方案；对于靠近村庄处，最大单孔药量应小于199 kg(以V<0.45 cm/s计算)。考虑到最终境界图的精度问题，以及今后开采调整，因此，反算结果和允许最大单孔药量仅作为参考。

4 结论

田家村内测点爆破振速均低于《爆破安全规程(GB6722—2014)》中“土窑洞、土坯房、毛石房屋”和“一般民用建筑物”爆破振动安全允许标准。

选取最不利条件下各坐标轴K、α值，反算村内测点振速，结果表明：反算值总体上大于实测值，这是由于K、α依据露天坑内矿岩区测点反算得出，坑外地表为土层，且受到地形、沟等不利因素影响；此外，反算验证了K、α值的可靠性。

考虑最不利因素、爆破的长期作用，当前逐孔起爆单孔药量不应超过384 kg(以离爆破点最近房屋计算)；以目前逐孔起爆设计的最大单孔药量290 kg计算，爆破点离房屋最近距离应大于288 m(V<0.45 cm/s)。建议矿山继续采用逐孔起爆技术，加快电子数码雷管的应用，实现精准延时，进一步降低爆破振速。根据最终境界爆破振速预测值，今后的爆破方案需适当调整，以便控制爆破振速不超过当前水平。

以上结论只适用当前矿区开采范围，当爆区位置变动较多后建议复核，而最终境界各台阶爆破振速反算值只能作为参考。