西湾露天煤矿爆破对临近建筑物的振动影响分析

2022-08-19王用学吴明福冯海宾

露天采矿技术 2022年4期

侯鹏，王用学，陈晨，吴明福，冯海宾

（陕西神延煤炭有限责任公司西湾露天矿，陕西榆林 719000）

露天煤矿爆破过程中产生的爆破震动会对周边的建构筑物造成影响，长时间、高震动速度也坑导致建构筑开裂破坏甚至坍塌[1]。爆破震动具有震幅大、频率高、衰减快、持续时间短等特点[2]，加强对爆破震动的检测和研究，采取有效控制措施减小震动的危害是必要的。爆破震动速度与距离、岩性、单孔药量、总药量、起爆方法、传播介质等因素有关，常用萨道夫斯基经验公式进行震动速度的计算[3]。

随着西湾露天矿开采推进，采掘场爆破作业位置距离工业厂区日趋靠近，爆破震感明显强烈，且对露天矿周边其他厂矿企业及居民造成了一定影响。为此，通过爆破震动监测及有效安全距离计算，对开展有效的爆破震动控制措施提供基础依据。

1 爆破振动检测方案

西湾露天煤矿煤和岩石均采用台阶深孔松动爆破方式进行破碎，选用现场混装乳化炸药，毫秒延期导爆管起爆系统[4]。煤层平均厚度11.13 m，钻孔选用孔径165 mm 的潜孔钻机，孔网参数一般为10 m×8 m，单孔最大装药量300 kg，一次爆破总药量不超过25 t。岩石选用孔径250 mm 的牙轮钻机，孔网参数一般为14 m×9 m，单孔最大装药量760 kg，一次爆破总药量不超过50 t。

1.1 爆破振动检测机理

在岩土介质中，高能量震源的瞬时激振（如爆破、打桩、强夯等），使岩土体产生剧烈的振动，这种振动在岩土介质中，依靠介质相邻点间的相互作用，以激振点（区域）为中心，以地震波的形式向外围传播[5]。一般而言，地震波的振幅（或能量）随着离开震源的距离增加而减小，这一现象称为振动的衰减；其衰减的原因有2 个方面：①地震波离开震源的距离越远，其波阵面越大，即引起振动的区域越大，致使波阵面上能量密度减小，导致振动衰减；②介质发生振动，相邻介质或相邻介质的质点间发生摩擦，将传播至此的动能转变为热能而消耗掉，导致振动衰减[6]。

地震波的传播与衰减，不仅会在三维空间内表现出来，而且会在时间上表现出来。当沿着离开震源的矢径方向在介质表面布置拾振器时，地震波就会在拾振器上反映出来。从理论角度出发，假设振动的速度变化规律符合f（x，t）关系，则振动的位移和加速度的变化规律分别为∫f（x，t）dt 和f＇（x，t）。但是在实际的工程中，速度、位移和加速度之间，这种严格的积分和导数关系是难以确定的。在实际工程中，是以数理统计方法配以数据处理进行研究分析的。通过对监测点拾振信号的研究分析，即可确定地震波的振动速度幅值，从而根据这种已知区的振动，推断爆破施工振动对已有建筑物的影响。

地震波在介质中的传播衰减规律，不仅与爆源的能量大小有关，还受到传播方向上的地形条件及地质构造对它的影响。使用苏联萨道夫斯基经验公式[3，7]反映这一关系，具体关系如下：

式中：R 为爆破振动安全允许距离，m；Q 为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，kg；V 为保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s；K、α 为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，通过现场试验确定。

1.2 监测对象及内容

爆破测试主要包括2 个方面的内容：①研究爆破地震波的衰减规律，地质构造及地形条件对它的影响，地震波参数和爆破方式的关系；②研究建筑物，对于爆破振动的响应特征，这一响应特征与爆破方式、构筑物结构特点的关系[8]。就具体内容而言，爆破振动测试的内容包括：地表质点振动速度、振动位移、振动加速度测试；结构、建筑物的反应谱测试。

西湾露天煤矿爆破作业诱发的施工振动，会对邻近的建筑物、设施、设备造成不同程度的影响和破坏，受爆破振动影响的区域主要集中在采坑的东侧和北侧。该区域内的保护物大致可以分为5 类，分别是变电站、一般民用建筑（住宅类）、工业和商业建筑物（办公类）、有生产装备的厂区及在建地块。

岩土爆破施工对建筑物结构影响的容许振动值，应符合现行国家标准GB 6722—2014《爆破安全规程》的要求[9]。西湾露天煤矿爆破振动监测项目中，周边变电站的容许振动值可按“运行中的水电站及发电厂中心控制设备”执行；厂区北侧民房、十九局驻地、西湾露天矿公寓楼及大雁驻地周边建筑物的容许振动值时可按“一般民用建筑物”执行；其他工业、商用建筑物的容许振动值时可按“工业和商业建筑物”执行；东元精细化工有限公司、西湾露天矿坑水处理站、西湾煤矿锅炉房、西湾露天矿缓冲仓的容许振动值选择时，不仅要考虑该区域的建筑物类型，还应该考虑厂区内已安装运行的生产装置，鉴于GB 6722—2014《爆破安全规程》中并未提及该类建筑物的容许振动值，考虑到化工企业的特殊性以及遭遇破坏后会造成次生危害的发生，因此此类建筑的容许振动值按更高的标准执行，即借鉴GB 50868—2013《建筑工程容许振动标准》中“通用机械基础在时域范围内的容许振动值（隔振基础）”执行[10]。另外，由于板块类项目尚未加盖建筑物，本次暂不考虑其安全振动限值。结合《爆破安全规程》，确定不同被保护对象分类及振动速度允许值，西湾露天煤矿爆破震动检测保护对象分类见表1。

表1 西湾露天煤矿爆破震动检测保护对象分类

1.3 监测方法及测点布置

爆破振动监测设备选用L20－N 型爆破测振仪测量，爆破振速监测精度为0.000 1 cm/s。

为了真实反映观测区域内爆破对邻近不同区域的建筑物（设施设备）的影响程度，每个影响区域内不少于2 个观测点，观测点应涵盖该区域内距爆破作业点最近的建筑物和抗震等级最弱的设施。为了真实反映观测区域内爆破振动衰减规律，用于衰减计算的监测线不少于3 条，且每条监测线测点数量不少于6 个。传感器应安装在保护物的基岩上，安装时保持传感器安装底面与地面平行、z 向与地面垂直、x 向（箭头）指向爆源，最后使用胶剂或夹具将传感器的安装底面与地面紧密接触；仪器应放置于防护箱内，使用膨胀螺栓将防护箱固定，需外接交流电对仪器或其他设备供电时，电源适配器和插线板应置于防护箱内，防护箱外电线裸露部分应套PVC 管并固定[11]。

2 爆破振动监测结果

在本次的爆破振动监测中，共统计监测8 轮次爆破数据，各轮监测爆破参数及检测点参数统计表见表2。以第1 轮爆破振动检测为例，获得的测点处三向峰值速度见表3。

表2 爆破参数及检测点参数统计表

表3 测点三向峰值速度表

按照萨氏公司拟合获得各向速度衰减公式：

同理，可以依据其他各轮爆破爆破震动监测数据，获得爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数K、a。

为了准确的计算K 和a，对萨道夫斯基经验公式进行变换：

以第1 轮爆破检测的13 个建筑物容许振动值检测点为例，得到的爆破振动对建筑物安全振动速度评判见表4。

表4 爆破振动对建筑物安全振动速度评判

利用各个数据的3 个分量的最大幅值与该类建筑物振动容许值进行对比，确定未超过容许值的数据13 个，超过容许值的数据0 个，即本次爆破对所有临近检测建筑物布置检测点的振动影响均未超过爆破振动限值。

根据8 次爆破所有检测点峰值振速对比，第2次爆破中污水处理厂布设检测点的z 向峰值振速0.777 cm/s 超过安全振动速度限值0.7 cm/s；第6 次爆破中厂区内110 kV 变电站处x 向峰值振速0.511 cm/s 超过安全振动速度限值0.5 cm/s；第8 次爆破中厂区内110 kV 变电站处z 向峰值振速0.546 cm/s超过安全振动速度限值0.5 cm/s。

结合所获得的爆破振动检测数据分析，污水处理厂及厂内110 kV 变电站处振动速度有些许超出限值情况，应重点采取减震措施。