安家岭露天煤矿爆破振动实测研究

史灵杰

（中煤平朔集团有限公司 生产技术管理中心，山西 朔州 036006）

露天矿的矿界周围通常有民用建筑物、工业和商业建筑、公路铁路、以及其他建筑设施等，随着露天煤矿开采靠近边界或者开采到界，露天煤矿日常爆破作业产生的振动会对矿界周边的建筑和工程产生不良影响[1-2]。爆破安全规程里面对各种构筑物可承受的振动分类设置了限制，针对不同的构筑物爆破作业产生的振动必须在规定的范围内[3]。一些学者通过对爆破振动的预测进行了理论和数值模拟研究[4]，对各种工况下给予了对应的爆破系数K 和震波衰减系数α 参考值[5]。另一些学者对爆破振动进行了实测研究[6-8]，以及爆破振动的控制措施[9-10]。研究发现，不同地质条件和岩土参数，导致爆破系数K和震波衰减系数α 不同，矿界周边建筑物的保护等级不一样，所以爆破振动对周边构筑物的振动损害不能仅仅根据理论和数值模拟计算。具体的工程需要对爆破振动进行实测确定相应的爆破系数K 和震波衰减系数α，也要对周边建筑物保护等级的调查研究[11-12]。为此，以安家岭露天煤矿的日常爆破为研究对象，通过对爆破振动和爆破振幅进行实际测量，从而为露天煤矿的边界优化以及爆破优化提供依据。

1 工程概况

安家岭露天煤矿采用单斗-卡车综合开采工艺。上部黄土层外包，岩石剥离采用单斗-卡车开采工艺，采煤采用单斗-卡车-地表半固定破碎站-带式输送机半连续工艺。安家岭露天矿主要开采4#煤、9#煤、11#煤3 个煤层。

目前安家岭露天煤矿采剥工作面沿当前开采方向逐渐靠近东部境界，东部境界附近有马关河、平陶公路、后安矿、白芦煤矿、民房、煤场等重要设施，当前的爆破方案在实施过程中对上述设施已存在振动影响。随着大规模的日常爆破作业距离建（构）筑物及设施越来越近，因此爆破产生的安全隐患不容忽视，尤其是爆破冲击波、飞石、地震波等爆破危害。不仅容易引起经济损失、民事纠纷、生产效益，还可能造成露天矿不能正常生产。

2 爆破方案

安家岭露天煤矿采用铵油炸药，炸药密度850 kg/m3，起爆采用450 gTNT 炸药。若孔内有水则选用岩石乳化炸药。根据钻孔的孔径不同爆破方案主要分为以下3 种：

1）方案I。孔径D=250 mm，台阶高度H=16～17 m，孔深L=18 m，底盘抵抗线W=7～8 m，装药长度l1=13 m，填塞长度l2=5 m，炸药单耗q=0.65 kg/m3；孔距a 与排距b 为a=b=7 m（8 m）。孔内延期时间均为600 ms，第1 排孔间延期间隔为42 ms，第1 排至第5 排为65 ms，第5 排至第6 排为100 ms。如果炮孔共5 排，则第1 排至第4 排为65 ms；第4 排至第

5 排为100 ms。

2）方案II。孔径D=200 mm，台阶高度H=16 m，孔深L=17 m，底盘抵抗线W=7 m，装药长度l1=11 m，填塞长度l2=6 m，炸药单耗q=0.375 kg/m3，孔距a与排距b 为a=b=7 m。孔内延期时间均为600 ms；第1 排孔间延期间隔42 ms；第1 排至第5 排65 ms；第5 排至第6 排100 ms。如果炮孔共5 排，则第1 排至第4 排65 ms；第4 排至第5 排100 ms。

3）方案III。孔径D=165 mm，台阶高度H=16 m，孔深L=17 m，底盘抵抗线W=5 m，l1=13 m；填塞长度l2=5 m，炸药单耗q=0.611 kg/m3，孔距a 与排距b为a=b=5 m。延期时间：孔内延期时间均为600 ms；第1 排孔间延期间隔为42 ms；第1 排至第5 排为65 ms；第5 排至第6 排为100 ms。如果炮孔共5 排，则第1 排至第4 排为65 ms；第4 排至第5 排为100 ms。

现有的爆破方案主要针对露天煤矿的日常正常生产，未考虑振动对矿界外的不利影响，必须进行系列优化才能使爆破振动产生的危害在可控范围内。

3 监测方案

3.1 监测仪器

采用TC-4850 爆破测振仪和CBSD-VM-M01型网络测振仪对安家岭露天煤矿日常爆破振动进行监测，TC-4850 爆破测振仪具有体积小、质量轻、具有耐压、抗击、方便携带等优点，非常适合于工程爆破数据采集。该仪器包括矢量传感器、数据采集系统、分析软件3 部分，能完成加速度、速度、频率、持时等动态过程的监测、记录、分析。CBSD-VM-M01型网络测振仪是融合了互联网、身份识别、移动网络、智能感知等先进科研技术成果，将传感器和测振仪进行融合研制出的新型网络测振仪。该测振仪是用1 台控制分析以作为现场操作的客户终端和管理平台，可同时管理多台（最多256 台）网络测振仪子机（智能传感器），实现了测振数据记录、传输全过程无缝管理、测振现场无布线、测振数据自动向中国爆破网信息系统（工程爆破云计算数据中心）实时上传，可实时分析爆破振动衰减规律（计算参数），为测振信息共享和数据挖掘提供了新测途径，使大数据管理模式具体化，为大数据挖掘提供了坚实的基础。

3.2 测点布置

根据开采方案确定的50、100、150、200 m 4 个区间段，制定不同监测方案。监测过程中，将传感器x 方向指向爆源，即轴向；传感器y 方向与爆区长度方向平行，即切向；传感器z 方向竖直向上，即垂向。测点布置如图1。

1）方案1。第1 排测点与爆区的水平距离为250 m，测点布置在爆区上一水平台阶位置，间距为10 m，按3×4 矩阵式排列。

2）方案2。第1 排测点与爆区的水平距离为150 m，测点位置与爆区处于同一水平台阶位置，间距为10 m，按3×2 矩阵式排列。

3）方案3。第1 个测点与爆区的水平距离为100 m，测点位置与爆区处于同一水平台阶位置，间距为10 m，按单列布置。

4）方案4。第1 个测点与爆区的水平距离为100 m，测点位置与爆区处于同一水平台阶位置，间距为10 m，按“L”形排列。

5）方案5。第1 个测点与爆区左边的垂直距离为100 m，测点位置与爆区处于同一水平台阶位置，间距为10 m，按3×2 矩阵式排列。

6）方案6。第1 排测点与爆区的水平距离为30 m，第2 排测点与爆区的水平距离为50 m 测点位置与爆区处于同一水平台阶位置，按5×2 矩阵式排列。

7）方案7。第1 个测点与爆区的直线距离为300～500 m，测点位置与爆区处于同一水平台阶位置，间距为10 m，按“L”形排列。

4 监测结果

质点的震动峰值速度和炸药一次爆破量，爆破距离以及岩性有关，世界各国都有相对应的经验公式，这些经验公式之间有微小的差异，但计算结果基本一致，计算结果差异较小。在我国，震波传播速度的经验公式如式（1）：

式中：V 为质点震动峰值速度，cm/s；Q 为次爆破的炸药量，kg；R 为测点与震源中心之间距离，m；K 为系数，与炸药种类及药量分布有关；α 为震波衰减系数，与岩性及纵横波型有关。

对7 个监测方案在x、y、z 方向的产生的振幅和振动速度这2 个数据进行了实测并记录。将7 个监测方案的实测数据代入式（1）进行回归分析，得出的系数K 和震波衰减系数α 结果见表1。

表1 系数K 和震波衰减系数α 实测结果

考虑到安家岭东部境界附近的建筑结构为土窑洞、土坯房、一般民用建筑及工业和上也建筑物，振动频率在10 Hz 左右，考虑土窑洞不搬迁和搬迁2种情况，不搬迁时振动速度限定为0.25 cm/s，搬迁时振动速度限按一般民用建筑物确定为1.5 cm/s，按照正常爆破时的炸药量把表1 的系数K 和震波衰减系数α 代入式（1）反算得到的安全距离见表2。

表2 土窑洞不搬迁和搬迁时的最小安全距离

从表2 可以看出，土窑洞不搬迁时正常爆破的最小安全距离是451 m，土窑洞搬迁时正常爆破按照一般民用建筑物考虑最小安全距离是165 m。土窑洞对露天煤矿的正常爆破作业的安全距离影响巨大，建议露天煤矿尽早进行搬迁工作。

5 结论

安家岭露天煤矿日常爆破作业的系数K 和震波衰减系数α 在x、y、z 方向的值分别为146.09、1.91、139.41、1.78，128.30、1.84。露天煤矿正常爆破作业时考虑到土窑洞最小安全距离是451 m，土窑洞搬迁时按照一般民用建筑物考虑时最小安全距离为165 m。土窑洞对露天煤矿的正常爆破作业的安全距离影响巨大，建议露天煤矿尽早进行搬迁工作。