基于矿区建(构)筑物保护的井下爆破振动控制研究_曾令峰.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 6 月爆破BLASTINGVol 40No 2Jun 2023doi:10 3963/j issn 1001 487X 2023 02 029基于矿区建(构)筑物保护的井下爆破振动控制研究曾令峰(紫金矿业建设集团(厦门)有限公司，厦门 361000)摘要:为了明确某地下矿山采场爆破振动对运输大巷和地表民房等的影响程度，并对其进行控制，应用现场工业试验的方式获取实测数据资料。试验首先采用 Blast-NET 型爆破监测仪对爆破引起的径、切、垂向振动速度和频率进行监测，根据萨道夫斯基公式，用一元回归分析法计算得出与地质条件相关的 K、值，从而获得了现场实际爆破振动速度计算公式。随后通过持续开展振动监测验证了计算公式的可靠性，并分别对逐排起爆、分段起爆、逐孔起爆三种不同起爆网路进行优化试验。研究结果表明，若考虑保护地表民房，在逐排起爆、分段起爆、逐孔起爆条件下，爆源与保护建筑物最小安全距离分别为 250 m、200 m、125 m;若考虑保护井下运输巷道，在逐排起爆、分段起爆、逐孔起爆条件下，爆源与保护建筑物最小安全距离分别为 30 m、25 m、25 m。最终认为:当预测振动速度满足逐排或逐排分段起爆条件时，矿山可采用导爆管雷管起爆;若仅满足逐孔起爆网路时，则只能采用数码电子雷管或高精度导爆管起爆网路。关键词:地下矿山;爆破振动监测;爆区建(构)筑物;微差爆破中图分类号:TD235文献标识码:A文章编号:1001 487X(2023)02 0210 07收稿日期:2023 01 06作者简介:曾令峰(1982 )，男，福建龙岩，安徽理工大学本科，工程师职称，从事矿山技术及管理工作，(E-mail)zlf2008happy sina com。esearch on Vibration Control of Underground Blastingbased on Structure Protection in Mining AreaZENG Ling-feng(Zijin Mining Construction Group(Xiamen)Co，Ltd，Xiamen 361000，China)Abstract:In order to determine the degree of impact of blasting vibrations on main haulage roadways and surfacebuildings near an underground mine，and to control these effects，it is necessary to obtain field test data through in-dustrial experimentation The Blast-NET blasting monitoring instrument was first used to monitor the radial，tangen-tial，and vertical vibration velocities and frequencies caused by the blasting According to the Sadovsky formula，the Kand values related to geological conditions were calculated using single-factor regression analysis，and the actualblasting vibration velocity calculation formula was obtained The reliability of the calculation formula was then verifiedthrough continuous vibration monitoring，and optimization experiments were conducted on three different blasting net-work configurations:row-by-row，segmented，and hole-by-hole The research results showed that if the protection ofsurface buildings is considered，the minimum safe distance between the source of the explosion and the protectedbuildings is 250 meters，200 meters，and 125 meters respectively for row-by-row，segmented，and hole-by-hole blas-ting If the protection of underground haulage roadways is considered，the minimum safe distance between the sourceof the explosion and the protected roadways is 30 meters，25 meters，and 25 meters respectively for row-by-row，seg-mented，and hole-by-hole blasting Finally，it is concluded that when the predicted vibration velocity meets the re-quirements of row-by-row or segmented blasting，the mine can use nonel detonators for blasting If the hole-by-holeblasting network is required，only digital electronic detonators or high-precision nonel detonators can be usedKey words:underground mine;blasting vibration monitoring;buildings(structures)in blasting area;millisec-ond blasting在控制爆破振动速度方面，国内外学者进行了相当的研究并得出了相应结论。阳生权等讨论了爆破地震安全判据及其在工程中的应用1-3，认为应该把地震幅值、频谱和持续时间三者同时纳入爆破地震安全判据;赵明生等通过研究认为响应速度安全评价指标与实际爆破震动结果相符合4-6，较振速-频率相关的双因素安全判据更能反映出爆破震动的特性和建(构)筑物的响应特性;罗明荣等针对现场实测超过安全规程允许振速的两组数据7，8，认为考虑爆破振动 3 要素与建筑物的动态响应的综合性安全判据，较传统的速度-频率的双因素安全判据更为可靠。杨凯等对地下爆破振动对地面环境的影响进行现场监测，提出振动速度衰减规律与药量控制标准9-11;李祥龙等为控制井下爆破振动对地表建筑物的影响12，13，采用数码电子雷管，并对现场爆破实施监测，为矿山爆破提供安全指导;厉建华等分析和评价地下矿山开采爆破振动对地表房屋的影响14，认为爆破振动的累积效应对房屋有较大的影响。王遵义等采用经验公式计算爆破安全允许距离15，得到了爆破振动对地表建筑沉降的影响的规律;张春锋等针对地下隧道爆破施工对邻近地下洞室群安全稳定性的影响进行了现场试验研究16;于蕾通过现场监测楼房不同层高的振动响应17，分析了普通多层建筑对爆破振动产生的高层放大效应现象;方前程等建立随机森林模型18，选取质点峰值振动速度、主频率、爆心距、屋盖形式等多个影响因素为爆区民用建筑物的保护提供了一种预测模型。综上所述，目前常用的方法还是通过现场监测，或引入预测模型结合爆破振动相关信息进行研究。为加强对某地下采场运输大巷及地表民房的保护，矿山工程技术人员根据现场实际工况，将爆破振动测试仪器与分析软件相结合，从建(构)筑物的安全阈值出发，多次进行了爆破设计优化试验，最终为控制矿山爆破振动确定了决策依据。1矿区概况1 1工程概况某地下金矿开采至上部中段，生产系统完善，主要采用分段凿岩阶段空场嗣后充填法进行开采，随着采矿量增大，爆破量也不断增大。采场钻凿上向扇形深孔，孔径 60 mm，孔深为 5 15 m，孔底距1 9 m，孔口距 0 2 m，排距 1 6 m，最小抵抗线1 7 m，散装铵油装药器装药，根据现场实际，每次爆破三排炮孔，扇形中深孔布孔及出矿方式见图 1。当现场采用逐排网路进行回采爆破时，往往出现地表振幅过大而导致民房受到影响，且对爆区附近的运输大巷也有负面作用。因此，有必要对地表民房及爆区附近的运输大巷道进行振动检测，并依据监测情况优化爆破网路以控制爆破振动效应。图 1扇形炮孔布孔及出矿方式图Fig 1Fan-shaped blasting layout1 2监测区域环境如图 2 所示，民用建筑物主要分布在采区的西偏北约 35、东偏北约 30以及南侧共计 3 个区域。其中南侧民用建筑物靠近风井，与采区中间相隔一片丘陵，距离采区较远，受到爆破振动影响较小;西北方向民用建筑物群，总体受到爆破振动影响不大，因此主要监测对象是采区东北侧的民用建筑群，其结构大多为砖混房或木质的土石房。同时，对于距离采场25 m 左右的井下运输大巷也同步进行监测。图 2某矿区平面布置示意图Fig 2Layout of the mine112第 40 卷第 2 期曾令峰基于矿区建(构)筑物保护的井下爆破振动控制研究2爆破振动监测2 1监测系统本次选取成都泰测科技有限公司研发的 Blast-NET 型爆破测振仪，其精度高、操作简单且可自动采集，此设备在隧道、矿山、路桥等基建项目中广泛使用，主要用于安全评估，具备稳定性和可靠性。见图 3。图 3测试系统实物图Fig 3The test system2 2监测原理井下回采爆破时，信号通过基岩传至传感器，传感器将信号输入至记录仪中储存;之后可利用 U 盘取数或直接将记录仪连接至个人电脑，再进行下一步的分析和处理。通过振动速度、频率、时程曲线等，分析得到爆破产生的影响10。并利用分析结果，调整爆破参数设计以及加强对相关对象的保护11。2 3现场监测2 3 1测点布置根据生产安排，回采爆破主要集中在 780 中段，所以监测计划将围绕此中段的爆破展开，以本中段的爆源为中心，选取距离最近的民房及附近运输大巷，进行多次爆破振动监测，测点布设如图 4 所示。图 4测点布置示意图(地表、井下)Fig 4Measuring point layout(surface，underground)在实际井下地下回采爆破监测中的测点布置时会发现，由于地表地形或一些已有物体的影响，很难保证各测点间完全按照有规律的距离进行布置，但为了保证后期拟合分析的顺利进行，各区域三台仪器至少应间隔一定空间距离，以保证数据的有效性。2 3 2监测过程在井下爆破前 1 h 到达监测区域，选择完整的基岩或结实的水泥地面，用铲子和水清理测点，去除表面的泥沙和杂物，浇筑事先准备好的石膏浆，将传感器调至水平(调平气泡居中)，并固定传感器，传感器上部箭头方向应指向爆源。固牢后，打开记录仪，选择自动模式及连续接收模式，同时将采样率设置为最小，避免遗漏信号，便可开始等待信号，图 5、6 为民房及地表、井下测点布置图。图 5地表建筑与井下巷道Fig 5Surface buildings and underground roadways图 6测点布置现场照片Fig 6Monitoring point arrangement3监测结果及分析3 1实测数据根据生产进度，对地下采场 780 中段不同规模的正常生产爆破进行监测，测得民房附近及运输大巷道多组振动速度有效数据，限于篇幅仅列出民房附近典型数据如表 1 所示。同时，对爆破振动信号进行 FFT 变换得到爆破振动频域图，分析表明，分段微差爆破时，实际监测爆破振动的主频基本分布在 10 90 Hz。3 2规律分析根据对 780 中段井下回采爆破的多次地表监测，进行线性拟合回归分析。经过挑选排除异常数据后的有效数据，利用萨道夫斯基公式进行拟合，则可得到相应的 K、值，一般有效数据越多，准确度越高。V=K3Q()(1)式中:V 为质点振动速度，cm/s;Q 为装药量(齐212爆破2023 年 6 月发起爆为总药量，微差起爆为最大段别药量)，kg;为爆源中心与监测位置距离，m;K、为与场地有关的系数、与地质条件有关的系数。表 1爆破振动监测数据整理表Table 1Blasting vibration data时间-爆破中段-仪器编号爆心距/m总药量/kg最大段装药量/kg最大合速度/(cms1)0720 780 A2901062 4192 80 23600720 780 C2801062 4192 80 22370720 780 D2661062 4192 80 27000724 780 A117626 5200 11 40560724 780 C146626 5200 10 93770724 780 D150626 5200 11 04920827 780 A4451241 6169 10 45500827 780 C4261241 6169 10 89140827 780 D4051241 6169 10 2390对采场爆破的有效振动数据进行拟合，得到V780=275 553Q()1 81(2)V巷道=198 513Q()1 68(3)由拟合的数据可知，780 中段附近和运输巷道附近的 K 和 a 值分别为 K=275 55，=1 81;K=198 51，=1 68。3 3规律验证为验证上述规律，根据采场爆破药量，对 780 中段的某次爆破运输大巷道与地表民房振动速度进行提前预测，并在爆破时进行监测，对比预测结果与监测结果，以验证得到的 K、值的置信度。见图 7。图 7爆破振动参考值单点定位验算Fig 7Validation of blasting vibration利用 Blast-Cloud 测振仪中软件的振速预测模块进行预测，测点相关空间参数应与实际监测时一致，最大段药量为 315 8 kg，预测得到民房附近测点的最大振速为 0 291467 cm/s。见图 8。对比实际监测得到的最大爆破振动合速度0 3199 cm/s，通过参考值 K、预测的爆破振动速度，准确度达到 91 1%。因此，可以认为该参考值K=275 55，=1 81 在该地区范围内的可置信度较好。图 80927-980-C#实测振动波形图Fig 8Measured vibration waveform by 0927-980-C#4爆破方案优化首先利用 K、求得不同爆源距离对应的极限单段装药量，并以矿山目前最大单段装药量(一排315 8 kg)为例，计算不同爆破网路(图 9、图 10、图11)下引起的不同距离运输大巷与地表民房爆破振动速度峰值(见表 2)。随后结合爆破安全规程如表 3，确定允许的振动速度峰值，从而选择合理的爆破方案。图 9普通导爆管逐排起爆网路Fig 9ow by row initiation network by nonel分析表 3 数据可知:1)若考虑保护地表民房，当最大单段起爆药量为 315 8 kg(即逐排起爆)时，爆源与保护建筑物最小安全距离为 250 m;当最大312第 40 卷第 2 期曾令峰基于矿区建(构)筑物保护的井下爆破振动控制研究单段起爆药量为 157 9 kg(即采用一排分两段起爆)时，爆源与保护建筑物最小安全距离为 200 m;当最大单段起爆药量为 39 5 kg(即采用逐孔起爆)时，爆源与保护建筑物最小安全距离为 125 m。图 10普通导爆管逐排分段起爆网路Fig 10Segment initiation network by nonel2)若考虑保护井下运输巷道，当最大单段起爆药量为 315 8 kg(即逐排起爆)时，爆源与保护建筑物最小安全距离为 30 m;当最大单段起爆药量为157 9 kg(即采用一排分两段起爆)时，爆源与保护建筑物最小安全距离为 25 m;当最大单段起爆药量为 39 5 kg(即采用逐孔起爆)时，爆源与保护建筑物最小安全距离为 25 m。图 11电子数码雷管逐孔起爆网路Fig 11Initiation network of electronic detonators显然，采用逐孔起爆技术所引起的爆破振动是最小的。当最大单段起爆药量为39 5 kg(即采用逐孔起爆)时，采用电子数码雷管或高精度导爆管雷管起爆网路，有利于保证地表建筑物及矿山运输巷道的安全。表 2不同距离所对应的极限单段装药量和爆破振动参考值Table 2eference values of limit charge and blasting vibration under different distances爆源距离/m爆破安全规程振动速度 V/(cms1)满足 爆破安全规程振动要求时不同距离处的极限单段装药量Q/kg不同起爆方式时的计算振动速度(装药量以最大一段计)逐排起爆，实际药量(315 8 kg)一排两段，实际药量(157 9 kg)逐孔起爆，实际药量(39 5 kg)计算振速计算振速计算振速25277 122 3315 176 9930478 816 4411 175 143518(矿山巷道K=198 51，=1 68)760 312 698 623 97401134 910 146 893 17451615 98 325 652 60502216 66 974 732 1812517 61 420 940 4115030 41 020 670 2917548 20 770 510 222000 45(民用建筑物K=275 55，=1 81)72 00 610 400 17225102 50 490 320 14250140 60 410 270 12275187 10 340 220 10300242 90 290 190 08表 3我国爆破振动安全判据(截取)Table 3Blasting vibration safety criteria(intercepted)序号保护对象类别f10 Hz安全允许指振动速度/(cms1)10 Hz f50 Hzf 50 Hz1土窑洞、土坯房、毛石房屋0 15 0 450 45 0 90 9 1 52一般民用建筑物1 5 2 02 0 2 52 5 3 03矿山巷道15 1818 2520 30412爆破2023 年 6 月5结论通过现场工业试验，确定了某地下矿山附近爆区的爆破振动速度衰减规律，并进行大量测试以验证其可靠性，并明确采场回采爆破作用下，爆破振动对运输大巷和地表民房的影响程度，讨论了不同起爆方式以及不同距离情况下产生的爆破振动速度，计算结果表明，当振动速度预测值满足普通导爆管逐排或逐排分段起爆网路时，可以采用导爆管雷管起爆，若仅满足逐孔起爆网路时，只能采用数码电子雷管或高精度导爆管雷管网路。参考文献(eferences)1 阳生权，廖先葵，刘宝琛 爆破地震安全判据的缺陷与改进 J 爆炸与冲击，2001(3):223-228 1YANG Sheng-quan，LIAO Xian-kui，LIU Bao-chen De-fects and improvements of blasting earthquake safety crite-riaJ Explosion and Impact，2001(3):223-228(inChinese)2 魏立恒，倪修能，郭洪雨，等 城市越岭长隧道爆破开挖振动影响研究 J 爆破，2022，39(1):159-167 2 WEI Li-heng，NI Xiu-neng，GUO Hong-yu，et al Study onthe impact of blasting and excavation of long tunnelsacross the ridges in citiesJ Blasting，2022，39(1):159-167(in Chinese)3 张研，王鹏鹏 基于 VM 的爆破振动速度预测模型 J 爆破，2022，39(1):168-174 3ZHANG Yan，WANG Peng-peng Prediction model ofblasting vibration velocity based on VMJ Blasting，2022，39(1):168-174(in Chinese)4 赵明生，梁开水，曹跃，等 爆破地震作用下建(构)筑物安全标准探讨 J 爆破，2008，25(4):24-27 4ZHAO Ming-sheng，LIANG Kai-shui，CAO Yue，et alDiscussion on safety standards of 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