张庄铁矿爆破振动规律和振速安全性研究
2021-11-18汪文良王南南
汪文良 王南南
(安徽马钢张庄矿业有限责任公司)
张庄铁矿为大型鞍山式沉积变质铁矿床,矿体埋藏在厚146~196 m的第四系覆盖层之下,属隐伏矿床。矿山生产规模为500万t/a,采用大直径深孔阶段空场嗣后充填法,阶段高度为85 m,采场宽度为15~20 m,采场长度为矿体厚度。矿山目前回采-390 m中段(-385~-300 m水平),在-385 m水平布置受矿巷,在受矿巷中施工上向扇形深孔,拉底爆破形成采场底部堑沟;在-300 m水平布置凿岩巷,在凿岩巷中施工下向垂直深孔,落矿采用VCR爆破法。
矿区地表分布有数个村庄,其中张庄村位于矿区工业场地的西北侧,与1#副井的最短水平距离约75 m,村庄内房屋建筑大多数为砖混结构的一般民用建筑。为降低矿山生产爆破对村庄的影响,采用萨道夫斯基公式对爆破振动传播规律进行回归分析,判断矿山生产时,不同爆破规模和位置对村庄的影响程度,从而计算最大单段药量[1-5]。
1 矿山测振期间的生产爆破方案
1.1 上向扇形深孔爆破
底部上向扇形孔孔径为80 mm,最小抵抗线为1.8~2.5 m。按炸药能在待爆岩体内平均分配的原则布孔,采用散装乳化炸药耦合装药;扇形孔孔底距a=2.1~2.4 m、孔口距b=0.2~0.4 m。起爆时先起爆中间孔,后起爆边孔,每排6个段发,一般最大单响不超过220 kg。
1.2 下向垂直深孔爆破
下向垂直深孔孔径为165 mm,孔深为52 m,每排布置4个主爆孔和2个边孔,排距为3.5 m,边孔间距为1.5 m。主爆孔装140 mm药卷乳化炸药,边孔装70 mm药卷乳化炸药,每2个或3个药卷间隔1 m。采用倒台阶后退式侧向崩矿爆破,每次爆破2排,每排炮孔分2次爆破,第一次爆破25 m,第二次破顶,采用孔间微差起爆方式,相邻2孔微差间隔时间为25 ms,一般最大单响药量不超过270 kg。
2 测点布置
爆破振动传播(衰减)规律与震动波传播途经的地质条件有关,根据监测期间地下采场爆破位置及张庄村民房位置,为了更准确地预测-390 m中段生产爆破振动对张庄村房屋建筑的影响,本次爆破振动监测总体以张庄村为中心,沿矿体走向的北线和西、南线布置测点,使测点数据更好地反映爆破振动传播(衰减)规律。
根据测振期间的生产采场位置,采场主要分布在张庄村的北侧和中南侧,因较远的爆区振动传播至民房位置时振动信号微弱,仪器难以检测,因此仅对民房1 km以内的爆区进行测振,实际现场测线总长度一般控制在350~600 m。测点布置在爆区地表与民房之间(测线),每次爆破布置测点4~5个。根据采场爆心分布,在单次监测过程中利用远端测点得到了补充数据。按测振爆破的时间顺序,对爆区中心(以BX开头)和测点(以CD开头)进行编号。矿山与周边建筑物位置如图1所示。
3 爆破振动监测数据处理及分析
爆破振动强度受装药量、爆心距、高程差、岩性、爆破方法、穿爆参数、爆破地形和方向等诸多因素的影响,对于该矿的生产爆破,与地层岩性相关的地质影响因素以及爆破地震波的衰减系数在一定范围内基本保持不变或变动不大,而药量、爆心距等因素几乎每一炮都在变动。为确定爆破振动传播规律,通过统计实测数据,依据萨道夫斯基经验公式,采用线性回归分析方法对数据进行分析处理。
3.1 爆破振动监测原始数据
爆破振动监测共得到58条监测数据,其中可用于回归预测分析的有效数据及波形有52条,按北线和西、南线对数据进行归类统计,分别进行线性拟合分析,北线和西、南线的数据相关度均大于0.9、F检验值均大于50,拟合优度均大于80%,符合相关要求。其中北线和西、南线的爆破振动测试原始数据(部分展示)见表1和表2。
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3.2 爆破振动传播规律
基于萨道夫斯基公式,应用线性回归分析法对52个相关数据进行拟合,其中北线统计有效数据有18条,西、南线统计有34条。从统计的数据来看,所有的监测数据其竖向振动速度均为最大单向振速,根据《爆破振动监测技术规范》,选择竖向单向振速进行拟合分析。
拟合得出北线的场地系数K=383.48,衰减系数α=1.7297,即北线振动传播(衰减)规律为
式中,V为振动速度,m/s;Q为一次起爆最大药量,kg;R为装药中心至目标距离,m。
西、南线的场地系数K=390.91,衰减系数α=1.621 3。即西、南线振动传播(衰减)规律为
从拟合得出的爆破振动衰减公式中看出,北线和西、南线的场地系数和衰减系数基本一致。西、南方向的场地系数K值较北线略大,说明正对村庄聚居地的正西和偏南方向的采场爆破时,在一定装药量的前提下,近爆区的质点振速相对较大;西、南线衰减系数α较小,说明正西和偏南方向的采场爆破时,其振动波衰减相对较小。总体而言,相比其它矿山,该矿爆破振动沿爆区至民房方向的传播特点是场地系数K值偏大,说明在一定的最大段装药量的前提下,近爆区处的质点振速幅值相对较大;衰减系数α较小,表明振动衰减较慢。
3.3 相关性检验
对北线振动回归分析数据进行相关性检验,北线回归计算的相关系数r为0.932 5,显著程度F检验值为106.666 4,标准差为0.145 2,说明拟合数据相关度高,回归结果可靠。
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对于西、南线振动回归分析数据进行相关性检验,西、南线回归计算的相关系数r为0.903 2,显著程度F检验值为141.738 9,标准差为0.234 0,说明说明拟合数据相关度高,回归结果可靠。
3.4 爆破振动速度预测及分析
根据矿山实际生产情况,一般单个矿房在垂直方向按上、中、下3个分层进行爆破落矿,最上分层为垂直深孔破顶落矿、中间分层为垂直深孔侧崩落矿、下分层为扇形孔落矿形成集矿堑沟。为便于计算,取各个分层的中心位置为爆心位置。针对-390 m中段生产爆破,取矿房上分层爆心标高为-315 m,中间分层爆心标高为-345 m,下分层的爆心标高为-375 m。根据张庄矿爆破生产现状,对各起爆部位的设计装药量进行统计,见表3。
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根据统计可知,扇形孔最大单段药量为246 kg,垂直深孔最大单段药量为288 kg。按现状爆破最大单段装药量以及对应的爆心位置,在-390 m中段正常生产时对村庄聚居地的振动速度进行预测。根据测振期间垂直向最大峰值振速的频率分布,多在10~50 Hz,对于张庄村的一般民用建筑,取下限值2.0 cm/s为质点安全振速,张庄村地表标高统一按+34 m考虑。
针对北线采场,以距离张庄村聚居地最近的301X矿房为界,二者之间的最短平面距离为139 m,分别对扇形孔、垂直深孔、切割天井以及扩槽孔爆破进行振速预测,按照各生产工序最大单段药量进行计算。对于张庄村聚居地一般民用建筑而言,其预测振动速度均不超过《爆破安全规程》规定。结果详见表4。
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针对西、南线方向采场,以距离张庄村聚居地最近的103X矿房为界,二者之间的最短平面距离为113 m,分别对扇形孔、垂直深孔、切割天井以及扩槽孔爆破进行振速预测,对于张庄村聚居地一般民用建筑而言,其预测振动速度均不超过《爆破安全规程》规定。结果详见表5。
4 结论
(1)基于萨道夫斯基公式,使用线性回归法对爆破振动监测数据进行回归分析,得到了适用于该矿地下爆破至村庄聚居地方向的爆破振动传播规律,通过相关性检验,拟合相关度高,回归结果可靠。
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(2)预测结果显示,北线振动速度最大为0.38 cm/s、最小为0.16 cm/s;西、南线振动速度最大为0.62 cm/s,最小为0.27 cm/s,振动速度均不超过《爆破安全规程》中对于一般民用建筑安全允许振速规定。
(3)考虑农村民房建筑结构存在一定的差异性,从安全角度考虑,在后续生产爆破过程中,实际最大单段装药量应不超过监测期间的最大段药量288 kg,生产过程中应严格按爆破设计装药连线起爆。