减振孔在缅甸某露天矿区爆破振动控制中的应用

孙 琰，刘敬智，李吉杨芙

(万宝矿产有限公司，北京 100053)

随着国民经济的快速发展，工程爆破施工得到越来越广泛的应用。相较于爆破产生的粉尘和噪声，爆破振动效应的危害尤为突出。 当爆破引起的振动达到一定强度时，就会造成如山地滑坡、建筑物坍塌等灾害[1]，为避免引起矿山的正常生产和附近居民的恐慌，及时采取得当的振动控制措施十分必要。

缅甸某露天铜矿矿区北侧230 m处有一佛教寺庙，是周边村民礼佛的重要场所。寺庙处爆破振动振速限值为5 mm/s，随着矿坑采掘深度的逐渐增加，爆破振动高程放大效应逐渐显现，寺庙处爆破振动振速数次接近5 mm/s。我国《爆破安全规程》(GB 6722—2014)对一般古建筑与古迹的最大安全允许质点振动速度规定为0.5 cm/s，缅甸相关法律法规虽未在此方面作出明确规定，但《缅甸矿业法》要求矿山企业必须对开采过程中存在的安全隐患采取相应措施，以减少对安全和环保的危害。因此，为有效降低矿山爆破对周边建筑物的影响，遵守中国和缅甸相关法律法规，开展相应的爆破振动控制研究十分必要。本文以此为背景，开展减振孔减振机理研究，通过测量寺庙附近的质点振动速度对减振孔减振效果进行分析与评价。

1 研究现状

目前的工程实践中降低爆破振动的技术措施主要有2方面[1]：①爆源控制方面：采用毫秒延期爆破，限制最大单响药量，增加布药的分散性和临空面，采用低爆速、低密度炸药；②传播控制方面：采用预裂爆破或施工减振沟、孔，进行爆破振动监测。

此前已有许多学者对减振孔的减振机理和作用效果进行了研究。惠峰等[2]通过数值模拟得出减振孔距爆源越近减振效果越好；孙金山等[3]通过相似材料模拟试验和数值模拟研究了地震波穿越软弱夹层时的衰减特征；邹绍明[4]介绍了控制爆破技术在地下大断面轻轨施工中的应用；蒋兰英[5]对地铁车站施工爆破进行了有无减振孔的对比试验，得出有无减振孔的振动差值比例。

2 减振孔减振机理

炸药在岩体中爆炸后，一部分能量以波的形式向外传播，在药包半径的10～15倍范围内，传播形式为冲击波；在药包半径的15～400倍范围内，传播形式为应力波，在远区则衰减为地震波。在一个近地表的爆破中，会存在纵向压力波(P波)、纵向稀疏波(N波)、瑞利表明波(R波)和剪切波(S波)，其中P波传播速度最快，本文按照入射地震波所穿越的介质形态分别讨论预裂缝及减振孔的减振机理。

2.1 透射介质为预裂缝或裂隙

为了便于研究，本文将缝面两侧的界面看作是非完全固结界面，研究地震波与界面之间的相互作用。当一种波入射时，会产生与入射波不同类型的透射波或反射波，P波垂直入射时无转换波，P波非垂直入射时有转换波[6]。为了简化研究，本文仅考虑P波垂直入射的情况，此时仅有透射P波和反射P波存在，无其他非同类型波产生(图1)。

图1 地震波入射缝隙示意图Fig.1 Schematic diagram of seismic wave incidence gap

在此模型中，边界条件如下所述。

应力连续条件见式(1)和式(2)。

σzz(I)=σzz(T)

(1)

σzx(I)=σzx(T)

(2)

位移不连续条件见式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：σ和u分别为应力和位移；z和x分别为坐标方向；I、T为减振孔两侧岩体，其中，I为入射侧，T为透射侧；Kn和Ks分别为法向节理刚度和切向节理刚度。

节理刚度表示界面上的应力与界面两侧位移间断值的比值。根据弹性介质的几何方程和胡克定律，计算公式见式(5)和式(6)。

(5)

(6)

对于入射空间和投射空间，界面处的位移关系应该满足式(7)和式(8)。

UI=(HI+HR)f(t)

(7)

UT=HTf(t)

(8)

式中：U、H分别为位移和幅值；I、R和T分别为入射波、反射波和透射波。

将应力波位移函数代入式(5)和式(6)，联立式(7)和式(8)，可以得出式(9)和式(10)。

(9)

(10)

由式(10)可知，透射波幅值与缝面节理刚度有关，节理刚度为零时，相当于缝面具有足够宽度，此时透射波消失；当节理刚度无穷大时，相当于缝面闭合，此时应力波完全透射。透射应力波的幅值与缝两侧岩体的波阻抗有关，波阻抗越大，反射幅值越大，透射幅值越小。若想取得一定的隔振效果，必须使得裂缝具有一定的宽度。理论上隔振效果与缝宽是正相关的。

2.2 透射介质为软弱夹层或钻孔区域

减振孔或软弱夹层的存在改变了波传递介质的物理力学性质，增大了介质的不均匀性，减小了钻孔附近区域岩体的波阻抗。此类情况可以视为波从一种介质传播到另一种波阻抗不同的介质中，仅考虑波的垂直入射，两种介质在界面处保持接触，满足界面两侧应力和位移连续的边界条件，据此可以得到式(11)～式(13)。

(11)

(12)

(13)

式中：Nσ、Nv和Nu分别为应力透射系数、速度透射系数和位移透射系数；n为入射介质波阻抗与透射介质波阻抗之比。由式(11)～式(13)可知，入射介质波阻抗与透射介质波阻抗之比越大，透射波幅值越小，隔振效果越好。

3 减振孔施工及振速监测方案

3.1 减振孔施工方案

寺庙距露天矿坑北侧最近距离为230 m，如图2所示。为了控制爆破振动振速，在寺庙外围增加3排大直径减振孔，孔内放置具有一定强度的橡胶管(HDPE管)以防止孔内充水，保证减振效果。橡胶管两端封闭，露出孔口1 m左右，露出段设置数个透气小孔。

选用现场钻孔设备DML250型钻机钻垂直孔。孔径为250 mm，孔深为18.5 m，孔网设计为2 m×2 m，三角形布孔，相邻排对应孔水平方向错开0.66 m，如图3所示。

图3 减振孔孔网参数Fig.3 Mesh parameters of shock absorbing holes

每根HDPE管长为19.5 m，外径为200 mm，管壁厚为15 mm，内径为170 mm，如图4所示。

根据《3～110 kV电网继电保护装置运行整定规程》DL/T 584-2007 和《电力系统继电保护与安全自动装置整定计算》可以发现，考虑到保护动作时间、断路器动作时间以及断路器断口熄弧特性相对固定，10 kV配电网线路重合闸时间主要与故障点断电熄弧去游离时间紧密相关。如果在断路器重合前，非永久性故障点已经成功熄弧，重合闸操作即可成功，否则重合闸将失败。

图4 HDPE管布置示意图Fig.4 HDPE pipe layout diagram

寺庙基座尺寸为58 m×51.4 m，距围墙外道路北侧距离为22.5 m，距围墙最近距离为18.9 m，围墙外道路宽为6 m，距道路南侧5.2 m处有1个水文观测点，观测点东南角5 m处有1排水沟，基本平行于道路方向。根据减振孔减振作用范围及寺庙宽度，取寺庙宽度对应两侧各延伸20 m作为减振孔钻孔区域，钻孔区域总长度为94 m，对应寺庙基座西南侧张角为26°，东南侧张角为39°，如图5所示。

图5 减振孔钻孔范围示意图Fig.5 Schematic diagram of shock absorbing holes

3.2 振速监测方案

利用TC-4850爆破测振仪监测寺庙所控区域质点的振动速度。该测振仪通过三分量速度传感器可以测得某点相互垂直的三个方向(X、Y和Z)上的振动速度，通过波形分析软件可以对三个方向的速度进行矢量合成。矢量合成遵循平行四边形法则，见式(14)。

三矢量合成值=

(14)

在寺庙周围沿着垂直于减振孔方向布置A、B、C、D四个测点，其中，A测点位于3排减振孔南侧(靠近矿区爆源)，B测点、C测点、D测点位于3排减振孔北侧(靠近寺庙区域)，沿着平行减振孔方向布置E测点和F测点，线段EF和线段AD相互垂直且相交于测点C处，测点布置如图6所示。

图6 寺庙周边振速测点布置示意图Fig.6 Layout diagram of vibration velocity measuring points around the temple

4 减振效果分析

收集2018年11月26日—2019年6月4日期间测振仪所采集的有效数据进行分析，为保证试验结果的准确性，本试验将钻凿减振孔作为唯一变量，其他工程条件保持不变。通过对比施工减振孔前和施工不同排数减振孔后的测点振动速度来对减振效果进行评价，每个阶段分别取两组对比数据，数据结果见表1。各测点振速值均为三矢量合成最大值，振速变化反映了孔后各有效点振速平均值相较于测点A振速的变化百分比，负值代表下降。

由表1可知，未施工减振孔时，各测点振速值变化不大，施工减振孔后，减振孔后各测点(震源异侧)振速较减振孔前的测点A(震源同侧)均有所下降，降幅在17%～58%之间。对比3号和4号、5号和6号及7号和8号这3组数据可知，孔后各点振速的降幅不仅与减振孔排数有关，且与测点A的振速有关，即与入射地震波的振速有关，入射地震波的振速越大，降幅越明显。

表1 各测点有效振动速度数据表Table 1 Effective vibration velocity data table of each measuring point

根据萨道夫斯基公式及实际工程经验，质点峰值振动速度与单响药量、测点到爆源的距离、测点与爆源的高程差以及测点至爆源间的地形地质条件有关。受限于此，本试验无法通过固定A点的振动速度来观察减振孔后各点振速随着减振孔排数增加的变化情况。但是，对比3号、5号、7号3组数据可知，这三组数据中测点A的振速值相差不大，随着减振孔排数的增加，减振孔后各点振速降幅也随之增加。

相关研究和现场工程实践表明，高程对爆破振动存在放大效应，测点与爆源高程差越大，振动速率也越大，利用原有的萨道夫斯基经验公式并不能准确地计算寺庙附近测点振速，可用改进的萨道夫斯基公式进行计算，见式(15)。

(15)

式中：K′为作用系数；β为高差作用指数；Q为最大单响药量；R为测点距炮区的距离；H为爆破质点与测点的高程差。

根据施工3排减振孔后的测点C爆破振动测试数据及爆区装药记录数据进行拟合计算，可以得到测点C振速拟合公式，见式(16)。

(16)

设定v值后，可通过式(16)计算得到各台阶单孔最大允许爆破装药量，对爆破作业进行指导。实践结果表明，施工减振孔后，可以适当提高单孔装药量，从而减小孔距或排距，降低了矿山穿爆成本，提升了经济效益。该项控制措施切实降低了矿山爆破振动对临近寺庙的影响，加强了当地居民对矿山企业的信任，有助于“一带一路”倡议相关项目的深入进行。

5 结 论

1) 入射地震波穿越预裂缝或裂隙时，透射波幅值与缝面节理刚度和缝面两侧岩体波阻抗有关，节理刚度越小，透射幅值越小；缝面两侧岩体波阻抗越大，透射幅值越小。在实际工程应用中，可以通过增加减振区域的宽度来提高减振效果。

2) 入射地震波穿越软弱夹层或减振孔区域时，透射波幅值与两侧岩体和夹层区域的波阻抗比值有关，比值越大，地震波衰减程度越高。在实际工程应用中，可以通过减小减振孔距或加密减振孔来提高减振效果。

3) 缅甸某矿附近寺庙外围施工的减振孔可以有效降低入射地震波的振速，减少对被保护对象的振动危害，振速降幅为17%～58%。入射爆炸地震波振速越大，减振孔的减振效果越明显。利用考虑高程放大效应的振速计算公式可以计算得到该矿山各台阶单孔最大允许爆破装药量，对爆破作业进行指导。该结论可以为今后莱比塘矿区附近的爆破振动控制提供一定参考。

4) 施工减振孔可以适当降低穿爆成本，化解部分社区风险，具有一定的经济效益和社会效益。