露天矿高陡边坡采场爆破振动监测与分析*

王文才，曹宇，赵永岗

(1.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010；2.包头钢铁公司集团白云铁矿，内蒙古 包头 014080)

随着金属露天矿逐渐转入深部开采，其边坡的垂直高度在200～400 m已较为多见.而爆破作业作为露天矿生产的一个必要环节，频繁地对高陡边坡的稳定性产生着影响.

众多学者针对这一问题做了大量的研究，取得了一系列成果.宋光明等[1]通过将高差影响因素纳入质点垂直振速经验公式，确定了其边坡上爆破振动波衰减经验方程.蒋楠等[2]基于量纲分析研究了不同坡度边坡高程效应对爆破振动速度衰减的影响.杨珊等[3]采用一元及二元线性回归分析法得出经验方程进而研究隧道爆破振动传播规律，并据此确定出最大段药量作为隧道爆破的安全判据.付波等[4]对高边坡的爆破振动利用现场实测与LS-DYNA结合的方式确定其高程放大效应是一个局部的动力响应，在坡顶线以及台阶平台中点处较为明显.叶海旺等[5]通过引入新的地形影响因子，对爆破振动质点峰值速度预测公式进行了重构.

以内蒙中北部某露天矿为例，采用现场监测的方法，基于萨道夫斯基回归分析理论及其修正形式，研究和确定爆破振动速度在高陡边坡上的传递变化规律.

1 工程背景

某矿位于内蒙地轴与内蒙华力西晚期褶皱带接触带的南侧，区内地层强烈褶皱变质，断裂发育.岩浆岩种类繁多，呈多期侵入，地质情况复杂.矿区呈近东西狭长带状展布，长近10 km，宽近2 km，面积约为18 km2，矿山年产量近1.5 Mt/a.开采台阶高度15 m，台阶坡面角平均为75°，平台宽度30 m.随着露天开采年限的增加，该采场现进入深深部开采阶段.

根据该矿生产爆破的具体实施情况，本次爆破振动监测实验持续时间长，监测位置沿露天矿南帮边坡不同台阶高程布置，采集得到的数据，分析探究本矿台阶爆破振动衰减规律.

2 爆破振动监测分析

2.1 监测仪器及监测参数的选择

本次爆破振动测试系统组成如图1所示，其中最关键的是拾振器和测振仪的布设与选择.两者共同决定爆破地震波拾取的精确性和拾取数据的可靠性.本次爆破边坡监测采用成都中科测控的TC-4850型爆破振动监测仪；该设备体积小巧，携带方便.具有通用性，可以与速度、加速度传感器等匹配，完成不同测试需求.该仪器拥有自适应量程，采样后能立即预览值、频率及波形等信息，无需外接电脑支持.配备TCS-B3型号的x，y，z方向三维一体速度传感器，具体参数见表1.

图1 TC-4850爆破振动测试系统示意图

表1 三维一体速度传感器主要技术指标参数

2.2 监测点布置情况

该露天矿采用深孔爆破的爆破工艺破岩，其炸药填塞方式为连续装药，炸药选用乳化油炸药和黑梯药坨的组合方式.且为充分释放爆破产生的高压爆轰气体更好的破碎岩体，在炮孔上部采用现场岩粉进行填塞.

在起爆网络连接上采用数字导爆管分段起爆方式.其爆区的规模根据靠界爆破或台阶爆破等不同类型，单段最大药量为400～1 000 kg不同，一次爆破炸药用量在18～30 t左右.采场爆破振动实测数据如表2所示.

将表2实测数据以监测点峰值速度为纵坐标，测点与爆区的水平距离为横坐标绘制如图2所示的振速与距离关系图.

图2 振速与距离关系图

表2 露天矿高陡边坡采场爆破振动监测数据

由图2可知该矿爆破振动在高陡台阶上的传播规律为：

①水平径向振速一般大于水平切向和垂向振速.且随着水平距离的逐渐增大，3向振速逐渐接近；其中垂向振速衰减速率要显著大于水平径向及水平切向振速衰减速率，这与测点所处位置的岩体力学性质以及与爆心的距离有关[6，7].

②监测爆破区域与测振点位置均不同，图2监测结果结合其高程差显示3向振速均出现随着水平距离及高程的增大而增大的现象，这表明该处出现不同程度的爆破振动高程放大效应.其中受高程影响最大的是垂向振速，侧面印证了高程放大效应具有方向性且在垂直方向更加显著的结论，与文献[8-10]描述一致.

2.依托《协定公约》相关规范指引，借鉴欧盟和美国经验，全球金融账户涉税信息自动交换行动参与国应积极制定实施或完善相关法律制度。欧盟通过立法保护个人信息已有较长的历史，已经经历了五个发展阶段。其立法宗旨和保护规范逐步完成了由规范处理到人权保护的转变。《欧盟个人数据保护指令》为成员国立法保护个人信息设立了最低标准，确立了数据质量原则，赋予信息主体广泛的权利，对后来的个人信息保护法的制定影响巨大。《欧盟通用数据保护条例》进一步强调了欧盟个人信息保护的可操作性和合作性。

③监测结果表明，水平径向、水平切向及垂向峰值振速均小于15 cm/s，其峰值位于《爆破安全规程》规定的允许范围内，且爆破过程中边坡的整体稳定性较好；表明当前爆破方案较为合理[11].

3 高陡边坡振动速度传播的回归分析

3.1 基于爆心距的一元回归分析

国内外广泛采用的计算方法是前苏联学者提出的爆破地震振动衰减经验公式.曾一度作为我国《爆破安全规程》(GB 6722—2003)中爆破振动安全允许距离的变形计算方式.公式的具体形式为：

(1)

式中：V为质点振速，cm/s；Q为最大一段装药量，kg(齐发爆破时取总药量；延迟爆破时为最大一段的药量)；R为台阶布置测点与爆区中心的距离，m；K，α是指相关系数，其中，K为地形系数，α为爆破振速衰减系数.

对式(1)左右同时取对数，整理得：

(2)

根据(2)式经回归分析得到式(3)～(5)，其回归拟合曲线如图3所示.

萨式水平径向振速：

(3)

萨式水平切向回归曲线：

(4)

萨式垂向回归曲线：

(5)

图3 萨式回归拟合曲线图(a)水平径向回归曲线(B2=0.92)；(b)水平切向回归曲线(B2=0.93)；(c)水平切向回归曲线(B2=0.88)

3.2 基于爆心距和高程差的二元回归分析

对于爆破振动在非平整地面的传播规律，不少学者考虑高程差对其带来的影响，常用的有长江科学院[12]提出的预测公式：

(6)

经Origin软件拟合求得系数k，α，β及相关性系数B2，得式(7)～(9).

(7)

(8)

(9)

由式(7)～(9)可知，高程对爆破振动速度的影响垂向最大，切向次之，径向最小；垂向振速的β是负值，说明该范围内垂向振速具有一定的高程放大效应.

3.3爆破振动传播公式对比与优选

从表3的B2可以得出，二元回归的振速传播公式，其精度要高于一元回归的振速传播公式；且二元回归拟合的衰减系数α值均比一元回归拟合的α值小，说明爆破振速不是完全由α决定的，其也受到了高程参数一定程度的影响.

表3 二元回归拟合参数对比表

其中，X，Y，Z分别代表水平径向、水平切向及垂向.

4 结论

1)二元回归的采场爆破振速传播公式，其精度要高于一元回归的振速传播公式；且二元回归拟合的衰减系数α值均比一元回归拟合的α值小，说明爆破振速不是完全由α决定的，也受到了高程参数一定程度的影响.

2)采场爆破振速随着传播距离的增大而衰减，但高程对爆破振速具有一定的放大效应.一般前者占主导地位，因而一般不表现出高程的放大效应；只有在后者占主导地位时，才表现出高程的放大效应.

3)高程对爆破振动速度的影响垂向最大，切向次之，径向最小.在该矿的振速测定中，垂向振速的β是负值，说明该范围内垂向振速具有一定的高程放大效应，而切向和径向振速未表现出高程的放大效应.