复杂环境下深孔爆破减振参数优化分析

熊小军,李修贤,俞欣君

(广西工程技术研究院有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

随着我国现代化水平的高速发展,深孔爆破作为一项低成本、高效率的爆破技术被广泛应用于露天石、矿开采中。由于深孔爆破具有一次起爆量大、单孔装药多等特点,在利用该技术取得较大经济效益的同时,也会产生相对较大的爆破振动效应[1]。而在复杂环境下实施爆破作业时,对爆破振动的控制要求更加严格。一旦控制不当可能会造成边坡失稳、仪器设备损坏、民房及建筑设施剧烈震动甚至产生裂隙等,造成不必要的经济损失,引发民事纠纷等问题[2]。广西某高速公路项目位于百色市平果市榜圩镇,项目石场待爆破山体周围环境复杂。由于项目工期紧,每次爆破工程量大,爆破施工时所产生的爆破振动对周边的影响也较为明显,大而频繁的爆破振动不但会对周边建(构)筑物及已建边坡造成损伤,还容易引起民事纠纷问题,影响项目进度。因此,在爆破施工过程中,如何优化与爆破振动相关的爆破参数,将爆破振动控制在可接受的范围之内,是该工程亟待解决的问题。

近年来,国内学者对深孔爆破减振技术做了研究,并取得一定的研究成果。张彪等[3]通过数值模拟技术与现场测试相结合的方法,探究孤石深孔爆破对周边建筑结构的影响效应。鲁超等[4]通过小波分析法和经验模态分解法对金属矿井深孔爆破振动信号进行分析,得到主分量峰值频率,并结合我国最新安全判定标准,提出合理化建议措施。闫鸿皓等[5]通过非对称三角形荷载频谱的分析,分别对比了四种改良型中深孔爆破的情况,探究出了荷载时长与主振频率的关系。李修贤等[6]在中深孔爆破实践中,基于量纲分析法,建立出考虑高差、地形、地貌等多种影响因素的爆破振动预测模型。

本文在露天石场爆破实践中,采用正交试验的思想,以5种重要爆破参数作为影响因素指标,以爆破振动峰值速度的大小作为试验指标。得出5种影响因素的最优组合,并计算出本次优化后降振效果,为后续爆破施工中参数的选择提供技术参考。

1 工程概况

项目所在地属于剥蚀侵蚀低山丘陵地貌,山体宽大,连绵起伏,自然斜坡多为20°～40°。区域内多为林地,地质进入第四纪以来稳定性较好,工程建设条件良好,适宜公路工程建设。区域内出露的地层从晚古生代泥盆系至新生代的第四系,分布最广的是三叠系中统(T2)。石场爆破区域岩性主要为石炭系灰岩,局部夹泥灰岩,表层中风化,少量覆土。岩石硬度系数f=(6～8)左右。

石场山体南侧毗邻高速路主线,对面是已建边坡;山体西偏北约50 m有料场、生活区;东偏南不足150 m处有主路桥梁;东北侧距离民房约300 m。爆区周围环境示意图如图1所示。

图1 爆区周围环境示意图

2 爆破振动的影响因素及范围

就某一项目而言,爆破振动的影响因素可分为可控因素和不可控因素。可控因素可以通过优化爆破工艺来改变,如:药量、孔网参数、填塞情况、延期设置、起爆方式等。不可控因素不易改变,如:爆区及周边岩石种类和等级、动力学特征、风化程度、节理裂隙发育情况等。本文着重对影响爆破振动的5种主要可控因素进行研究。

单段最大药量:单段最大药量是影响爆破振动的主要影响因素之一。其与爆破振动之间存在某种正比关系。近年来兴起的毫秒延期爆破技术正是利用降低单端药量的原理,有效地降低了爆破振动。在该工程中,钻孔深9 m左右,爆区环境相对复杂,为了安全起见,单段最大药量应≤60 kg;为了保证爆破效果,单段药量应≥40 kg。

延期时间:延期时间分为排间延期时间和孔间延期时间。合理的延期时间不但能减小相邻炮孔爆炸时所产生的夹制作用,有助于岩体的二次破碎,还可以有效避免爆破振动峰值速度叠加,从而对爆破地振波能量产生干涉,部分能量相互抵消,达到减小爆破振动的作用。实践表明:多段毫秒延期爆破较齐发爆破可以减弱爆破振动50%以上[7]。

填塞长度:合理的填塞长度可以有效防止炸药能量从孔口端外泄,提高炸药能量利用率,改善爆破效果。根据现场实际工程情况,并结合相关研究[8],该工程设计填塞长度为3.8 m、4.2 m、4.6 m和5 m。

炮孔密集系数:即孔距与排拒之比,一般≥1。在炸药单耗一定的情况下,适当增大孔间距及缩小孔排距可以使更多炸药能量用于岩体破碎,从而有效减少用于爆破振动的部分能量[9]。该工程炮孔密集系数分别取值:0.8、1、1.2、1.4。

3 现场正交试验

正交试验的特点是可以同时考虑多种因素,并以代表性较强的最少试验次数,得出各因素水平对试验结果的影响权重,确定出影响因素的主次顺序,最终得到最有益的因素指标组合[10]。该工程利用正交试验,探究对减弱爆破振动最有利的因素指标组合,从而指导下一步施工。

3.1 因素水平的确立

本次试验场地的地质系数与岩体情况大致相同,且在同一高程条件下进行爆破试验。选择主路桥梁为爆破振动监测点,距离爆区约150 m。为了使监测结果更为准确,每次监测均在桥梁的同一位置,且使用两台仪器同时监测,最后取平均值作为最终结果。设单段最大药量为因素A,排间延期时间为因素B,孔间延期时间为因素C,填塞长度为因素D,炮孔密集系数为因素E。为了使因素水平更具有科学性和代表性,每个因素共设置4个水平,建立因素-水平表如表1所示。

表1 因素-水平表

3.2 试验方案及结果

为了减少试验误差,提高延时精度,本次试验以数码管起爆网络连接,除以上因素水平表中的5项因素外,其他试验条件尽可能相同。为了在充分包含5种试验因素的前提下,尽可能地减少试验次数,提高效率,采用L16(45)正交试验表。根据每次试验的测振结果建立各参数试验设计如表2所示。

表2 各参数试验设计表

3.3 试验结果分析

(1)极差分析。对表2进行极差分析,得到每个因素各水平下的指标总和K(K1,K2,K3,K4)和指标均值Kavg(k1,k2,k3,k4),再经过一系列计算处理得到R值,计算结果如表3所示。

表3 极差分析表

(2)显著性方差分析。为了估计本次试验误差大小,分析试验精度,对爆破振动峰值速度数据再进行显著性方差分析,分析结果如表4所示。

表4 显著性检验与方差分析表

在极差分析中,因素对试验的影响程度是用R值表示的,R值越大则影响程度越高。而在显著性方差分析中,因素对试验的影响程度是用F值表示的,F比大于F临界值,则表示因素影响显著性高。由表3和表4可知,在5种因素中,对于爆破振动影响程度最大因素为单段最大药量,其次是排间延期时间。影响最小的是炮孔密集系数,由于其F比远小于F临界值,且R最小,故为非重要影响因素。

4 最优参数确定及优化效果分析

4.1 最优参数确定

以各因素指标为横坐标,以爆破振动峰值速度指标均值为纵坐标,根据表2和表3中的信息,绘制因素-水平直方图如图2所示。

图2 因素-水平直方图

由图2可以看出,对于降低爆破振动最有利的因素水平分别为:单段最大药量取40 kg,排间延期时间取150 ms,孔间延期时间取50 ms,填塞长度取3.8 m,炮孔密集系数取1.1。

4.2 效果分析

为了检验本次优化效果,在石场爆区对面已建边坡上一点进行了两次数据采集。该监测点距离爆区60 m,监测结果显示相比于优化前,爆破振动峰值速度有了明显的降低。具体爆破参数与监测结果如表5所示。

表5 优化前后数据对比表

每次优化前后爆破振动峰值速度的差值与优化前爆破振动峰值速度之比为降振率,本次优化效果用两次降振率的平均值表示。由式(1)和式(2)计算可知,第一次降振率为25.9%,第二次降振率为23.5%,本次优化效果为24.7%。

振

(1)

(2)

5 结语

(1)正交试验法能够同时考虑多种因素,并以代表性较强的最少试验次数,得出各因素水平对试验结果的影响权重,不但极大地减少了工作量,还能保证数据的均衡性,非常适合爆破参数的优化。

(2)除试验研究的5项因素外,控制其他试验条件尽可能相同是试验能否成功的关键,如爆破点高程、地质情况、测振点位置等。采用两台测振仪器在一点同时监测有助于提高测振的精度。

(3)极差分析可以直观地分析出每个因素对试验结果影响程度的大小,而显著性方差分析可以得出因素对试验结果是否具有显著性影响,将两种分析方法结合使用,使得分析结果更具有说服力。

(4)最终优化后的爆破参数为:单段最大药量取40 kg,排间延期时间取150 ms,孔间延期时间取50 ms,填塞长度取3.8 m,炮孔密集系数取1.1。本次优化效果为24.7%。