铜陵监狱石料厂爆破地震效应监测与影响分析

摘要：采用地震专业仪器全面真实地获取爆破监测数据，以期为爆破效应的科学分析提供直接和客观的度量，从中找到与爆破影响有关的因素，并提出风险防范措施。从爆破振速、能量衰减、优势频率等关键参数入手，利用H/V谱比法评估场地反应的影响，采用爆破震级来核实和验算爆破能量，并拟合得到该区域的能量衰减规律，用波形时频分析法得到能量分布和优势频率规律等。综合分析显示，爆破能量、波形高频成分等随着距离增大而快速衰减，仪器烈度在同一栋楼随楼层增高而变大，仪器记录到的优势频率最大波速低于《爆破安全规程》规定，总体上爆破对周边建筑物震害影响较小。 研究表明，此次开展爆破地震效应监测与影响分析的方法可行，可用于指导矿山安全生产。

关键词： 爆破； 背景噪声； 优势频率； 频谱分析

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2024.03.008

铜陵因矿立市，导致居民点围矿而建，随着社会发展，人们对爆破振动危害性的关注度逐渐增强。由于矿山生产爆破是经常性的，因此周而复始的爆破生产都不可避免会对周围的建（构）筑物等造成危害［1-2］。爆破地震波在产生和传播的过程中受多种条件影响，如地质条件、爆心距、最大段药量和爆破方法等。在衡量爆破振动产生的影响方面，国内外学者大多采用爆破地震波引发振动场内建筑物节点最大振动速度的强弱作为爆破设计与施工的安全判据［3-5］。对于计算爆破振动速度，不同国家根据本国工程爆破经验给出了质点振速峰值速度衰减公式［6-7］，但总结的预测爆破振动速度公式大同小异。

在实践中，为尽可能减小爆破振动带来的影响，通常采用降低炸药量和采用分段延时爆破等方法。但是，降低了爆破药量，也减少了爆破施工总量，进而影响采矿强度和生产规模。因此，为了尽可能地减小由爆破地震所带来的危害，而不影响生产效率，适时监控矿山爆破产生的影响，分析爆破振动的控制技术及降震措施十分必要［8-9］。

1 矿山概况

监狱石料厂矿山位于铜陵监狱石料厂内，已关停多年，为遗留废矿区。由于其位于市区，一方面造成视觉污染，另一方面也影响城市规划。根据矿山治理修复需要，市政府明确由市港航集团负责实施。具体要求是将废矿区的A区进行生态修复，C区进行削坡爆破，B区进行场地平整爆破处理（图1），A区南面距离长江东路约320 m，B区爆破点东北面距离龙山湖苑小区约45 m，距离龙山湖小学约40 m，C区靠近山坡。

2 爆破震动监测布局与监测方法

监测布局：本研究在项目办地下室架设了一台强震仪（SLJ-100），在龙山湖苑小区4栋1、9、18层和龙山湖小学分别架设烈度仪（GL-P2B），见图2。烈度仪主要关注爆破引起地面振动的大小及对地表建筑的影响。测震仪记录地面的振动，可确定地震或爆炸事件时间、地点及震级大小等参数，短周期地震仪主要用于监测微震（爆炸）活动的强度等，宽频带地震仪用于地震波的频谱分析、波形及反演计算，探索地球深部构造，板块活动性等研究，此外地震监测也在工程建设上获得了广泛应用。此次分别在龙山湖小学、项目办地下室和铜陵站架设了3套测震仪（2套GL-S60，1套CMG-40TDE），监控布局见图2。

监测方法：在爆破点周边架设测震仪、烈度仪及强震仪，并和铜陵市地震台组网观测，根据现场获得的数据研究爆破能量随距离的衰减规律，通过速度幅值、频率的对比研究，讨论分析爆破对建筑物的安全性影响，可将结果用于指导矿山生产安全控制。

3 微震监测场地分析

3.1 烈度仪背景噪声

场地条件对地震动的影响是地震工程学关注的重点［10-11］，对于研究地震动的空间分布、工程场地地震安全性评价、建（构）筑物选址及其抗震设防具有重要理论意义和实用价值［12］。

我们科学布置了流动地震台阵，能实时记录现场振动数据。此试验利用H/V谱比法计算观测点位场地响应曲线，研究其场地条件对于地震动特性影响［13-15］，其结果如图3所示：1楼场地响应曲线整体平稳，无明显卓越周期；9楼和18楼存在明显波动，卓越频率约为1.2 Hz。

3.2 测震仪台基背景噪声

台基的噪声反映了台基的基本条件和观测环境的好坏，台站 （台网）的监测能力不仅取决于仪器的性能，而且还与台基的噪声背景有关。因此，分析数字地震台的噪声水平及特征，掌握数字地震台的观测动态范围对提高台站（台网）的监测能力尤为重要［16］。

从表1、图4可知居民区（L3412）、火车站（L3413）的背景噪声较项目办（L3411）、铜陵台（TOL）高，除铜陵台外，各点记录噪声谱在 1～40 Hz范围呈正向趋势，变化幅度（-180）～100 dB形态相同，说明场地背景存在差异，铜陵台仪器安装在洞室基岩上，场地条件优于爆破点附近场地。项目办仪器安装在基岩上，背景噪声与铜陵台相当。

4 爆破地震监测数据处理及分析

4.1 仪器烈度估算

仪器清晰记录了此次爆破峰值加速度PGA、峰值速度PGV，根据《仪器地震烈度计算暂行规程》中烈度的计算方法，计算出相应仪器烈度I值（表2），本次爆破影响在L3411点的烈度值最大为3度。龙山湖苑小区4栋所在区仪器烈度为2度，1楼PGA为3.3×10-2 m/s2，9楼为4.63×10-2 m/s2，18楼为5.91×10-2 m/s2，该栋楼最低仪器烈度为2度，最高为3度，随着楼层的增加，最大峰值加速度值逐步增加，仪器烈度阶跃式增加。

4.2 爆破当量估算

此次监测过程中用到2种型号测震仪，均清晰记录了本次爆破事件。其中GL-S60频带0.017～50 Hz，采样率100点/s；24位EDAS-24GN数据采集器 ，动态范围>140 dB；CMG-40TDE频带0.03～50 Hz，采样率100点/s；24位CMG-DM24，动态范围>90 dB。因地震监测仪架设地场地为松散覆盖层，并非在基岩上，对地震波具有放大效应，导致记录震级偏大。结合安徽地区地震监测台网震级校正经验值，并参考流动地震监测仪器野外观测经验，对本次震级计算进行震级校正，校正值为0.2级，取平均值为本次爆破震级，校正后为ML1.2。结合刘瑞丰研究员给出的爆破当量估算经验公式［17］：

ML=0.918lgY+0.923 .（1）

式中：ML表示地方性震级，Y表示爆破当量，单位为吨。将ML=1.2带入其中，计算得出Y=1.995 3吨，即估算当量为1.995 3吨，与实际使用爆破当量2吨一致。

本次试验根据仪器震级，反推出爆破当量为1.995 3吨，同时根据爆破炸药当量及爆点距离流动台的距离，估算爆破能量衰减规律，可以更好地对爆破造成的影响及能量估算进行详细的评估。经拟合得到爆破能量的回归衰减规律：

Em=1.22×106Q1/3R5.62 .（2）

式中：Em为峰值瞬时能量，Q为由震级能量反推出的爆破当量值，R为爆破源距离流动台观测的距离。根据爆破能量衰减公式、爆点距离以及由震级能量反推出的爆炸当量值，计算爆破能量衰减曲线（图5）。如图所示在爆点处能量处于峰值，随后急剧衰减，2 000 m处几乎殆尽。

4.3 爆破波形的能量分布

爆破波形其能量分布和优势频率分布如图6所示，爆破波形随着距离变化，其能量集中的优势频率同步变化。结合表2～3、图5～6分析得出：

对于安装在同一栋建筑内的监测仪器，我们观察到随着楼层的增高，仪器所记录到的烈度也相应增大，即同一地点的建（构）筑物受到爆破振动的影响与楼层高低有一定的关系。通过对比此次爆破峰值加速度PGA和烈度I值，发现龙山湖苑小区4栋1楼PGA为3.3×10-2 m/s2， 9楼为4.63×10-2 m/s2，18楼为5.91×10-2 m/s2，该栋楼最低仪器烈度为2度，最高为3度，随着楼层的增加，最大峰值加速度值逐步增加，仪器烈度阶跃式增加。这可能与低频振动导致高层建筑产生振动放大效应有关［18］。

爆破地震波的高频部分随传播距离容易衰减，而低频域基本不变［19］。随着距离增加，仪器记录的最大峰值加速度和仪器烈度逐渐减小，爆破产生的波形优势频率也在减小。L3411站点的优势频率约为37 Hz，L3412站点约为34 Hz，L3413站点约为12 Hz，TOL站点约为3.8 Hz。一般建筑物的自振频率是1～5 Hz，从监测分析数据可以看出，爆炸地震波的频率要远大于这一频率，在优势频率为37 Hz点处的最大波速为0.23 cm/s低于《爆破安全规程》［20］规定的振速（一般民用建筑为1～5 cm/s），因此，爆破地震波对周边建筑物震害影响较小。

5 结论与建议

（1） 利用地震监测台网综合分析显示本次爆破相当于震级ML1.2，爆破当量估算为1.995 3 吨，与实际爆破当量基本一致，说明利用地震监测台网监控并分析爆破影响方法可行。

（2） 根据表3和图5分析得出，在爆点处爆破能量处于顶峰值，在0.4 km处能量急剧衰减，在2 km处几乎衰减殆尽，爆破能量随距离衰减较快。

（3） 通过对爆破点周边流动监测台网数据进行分析处理，本次爆破监测到的最大仪器烈度为3度；距离爆破点1.24 km及以外区域其仪器烈度为1度，该仪器烈度地区无感。

（4） 随着最大峰值加速度和仪器烈度的减小，爆破波形的优势频率也在减小。从L3411站点的优势频率约为37 Hz，依次为L3412站点优势频率约为34 Hz，L3413站点优势频率约为12 Hz，TOL站点优势频率约为3.8 Hz。龙山湖苑小区4栋高层建筑卓越频率约为1.2 Hz，周期为0.83 s，该点记录到最大振速为0.16 cm/s，爆破产生烈度越往高层影响越明显。

建议：（1）围绕周边危房开展排查。对石料厂周边2 km内的居民房屋进行全面排查，对可能产生影响的老旧房、危房，应提前与房屋居住者进行对接，并妥善做好安置应对工作；（2）加强爆破技术控制。尽量控制爆破能量的优势方向，能量优势方向应为地下或无居民住宅地区。对可能产生飞石冲击的方向，应提前做好防护工作，减小爆破影响；（3）进一步完善爆破施工方案。走访调查石料厂周边1 000 m内民房发现，周边存在大量不设防的自建砖瓦土房，使用年限较久，在龙山湖苑小区现场能强烈感觉到爆破冲击波和振动，在距离爆破点45 m处的龙山湖小学能发现少量爆破飞石，虽然从振速上并没有超过标准，但由于受爆破生产振动影响，难免会造成不设防房屋出现小裂缝、掉瓦、碎玻璃等情况，甚至造成恐慌。可采取爆破前与工矿企业进行沟通，由工矿企业提供炸药当量，由地方地震部门开展实时监测，反推出因爆炸产生的地震烈度与震级等影响情况，根据影响程度适当调整爆破当量；（4）加强日常宣传科普，提高公众对爆破活动的科学认识和风险防范意识。在爆破施工前，提前与政府相关职能部门沟通，充分告知爆炸地附近的单位及社区，提前做好防范和应急准备。

参考文献：

［1］ 吕淑然.矿山爆破与安全知识问答［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［2］ 汪旭光，于亚伦，刘殿中.工程爆破实用手册［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 严伟，费虎，杨侨伟.邻近建筑城市隧道爆破振动影响规律研究［J］.交通节能与环保，2023，19（4）：222-227.

［4］ 林之岳，黎俊华，王道林.基于爆破振速演变规律的采场安全分析［J］.黄金，2023，44（3）：5-11.

［5］ 高赛红，汪胜莲.露天采场爆破对周边尾矿坝的稳定性影响研究［J］.工程爆破，2022，28（6）：137-144.

［6］ 徐言.基于萨道夫斯基公式分段修正的隧道爆破振动研究［J］.科学技术创新，2020（21）：103-104.

［7］ 王海军，王晟华，赵岩，等.京张高铁草帽山隧道爆破振动效应分析［J］.工程爆破，2021，27（5）：107-112.

［8］ 石绍海.矿山爆破振动与控制技术和降震措施［J］.山东冶金，2000，22（2）：1-4.

［9］ 沈珊珊.某矿山爆破地震效应监测与分析［J］.北京：有色金属（矿山部分），2010，62（2）：56-59.

［10］阿布都瓦里斯·阿布都瓦衣提，唐丽华.基于强震动观测记录的新疆南天山地区地震动特性统计分析［J］.内陆地震，2021，35（1）：48-59.

［11］阿里木江·亚力昆，唐丽华，刘志坚.和田市场地工程地质条件空间分布规律分析［J］.内陆地震，2021，35（1）：22-29.

［12］王海云.渭河盆地中土层场地对地震动的放大作用［J］.地球物理学报，2011，54（1）：137-150.

［13］何金刚，李文倩，陶正如.基于H/V谱比法的乌恰地区场地分类研究［J］.内陆地震，2019，33（1）：25-32.

［14］李文倩，何金刚，朱皓清.基于H/V谱比法的场地卓越频率研究［J］.内陆地震，2019，33（4）：314-320.

［15］李文倩，陶正如，姚远，等.基于H/V谱比法的新疆地区不同类别场地地震效应特征研究［J］.内陆地震，2022，36（3）：193-203.

［16］何彦，王宝柱，宋太成，等.新疆数字地震台站观测动态范围和台基噪声的分析［J］.内陆地震，2006，20（2）：178-182.

［17］刘瑞丰，李赞，张玲，等.爆炸当量估算的初步研究［J］.地震地磁观测与研究，2019，40（4）：1-7.

［18］于蕾.爆破振动对多层建筑物的安全影响［J］.铁道工程学报，2015，32（3）：86-89.

［19］张奇，白春华，刘庆明.爆炸地震波频谱特性研究［J］.北京理工大学学报，1999，19（3）：306-308.

［20］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 6722—2014 爆破安全规程［S］.北京：中国标准出版社，2014.

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MONITORING AND IMPACT ANALYSIS OF SEISMIC

EFFECTS OF MINE BLASTING IN TONGLING

PRISON STONE FACTORY

WU Mi1， LONG Jian-feng2， XIE Shi-wen2， GUO Yan-na3

（1.Tongling Seismological Bureau，Tongling 244000，Anhui ，China；2.Anhui Earthquake Agency，Hefei 230031，Anhui，China；

3.Tongling City Yuejiang experimental primary school，Tongling 244000，Anhui，China）

Abstract： In order to provide direct and objective measurement for the scientific analysis of blasting effect， the monitoring data are obtained comprehensively and truly by using seismic professional instruments， and the factors related to blasting effect are found out， and the risk prevention measures are put forward. Starting from the key parameters such as blasting vibration velocity， energy attenuation and dominant frequency， the H/V spectral ratio method is used to evaluate the influence of site response. The blasting magnitude is used to verify and check the blasting energy， and the energy attenuation law in this area is obtained by fitting. The energy distribution and dominant frequency law are obtained by waveform time-frequency analysis. Through the monitoring and analysis of mine blasting， it is concluded that the blasting energy， intensity， velocity and acceleration decrease with the increase of distance. The intensity increases with height on different floors of the same building; The maximum vibration speed recorded by the instrument is lower than that specified in Blasting Safety Regulations; Blasting has little effect on the earthquake damage of the surrounding buildings， but it is necessary to consider the long-term impact of blasting vibration on the self-built brick and earth house， and the long-term impact on the decoration and external tiles of the brick and concrete house. The monitoring test shows that it is feasible to develop the method of seismic effect monitoring and impact analysis of blasting， and the results can be used to guide mine safety production.

Key words： Blasting; Background noise; Dominant frequency; Spectrum analysis