西湾露天矿预裂爆破减震效果研究
时间：2022-12-08 12:45:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
许中阳
(中国矿业大学（北京）， 北京 100089)
西湾露天煤矿矿区南北长约18 km，东西宽约4.1 km，面积73.47 km2，地层产状平缓，煤层近水平分布，倾角1°左右，主采煤层平均厚度为11.13 m，视密度为1.32 g/cm3，真密度为1.38 g/cm3。西湾露天煤矿煤、岩均采用台阶深孔孔间延时爆破方式进行作业，日常采剥量大，爆破频次高，为了减小日常爆破作业产生的振动对矿区内关键建筑物的影响[1-3]，多采用预裂爆破对爆破振动进行控制，因此，确定合理的预裂爆破参数，对爆破效果至关重要。本文以西湾露天矿预裂爆破参数为研究对象，研究适用于西湾矿的预裂爆破合理参数[4]，以期获得最大程度的减振效果。
爆破地震波在介质中传播时，常用介质质点的位移、速度、加速度来描述其振动强度。质点加速度能直接反映振动力强弱，并且用于测量加速度的仪器体积小、方便测量。因此，初期多用质点加速度来表征振动强度，但是通过大量研究表明，用加速度指标作为岩体破坏标准时分散性很大，而岩石产生破坏的临界振动速度和岩体稳定性有较统一的对应关系，并且质点振动速度跟地表建（构）筑物破坏和失稳相关性较好，因此大多数国家都采用质点振速来作为爆破振动判据。
《爆破安全规程》（GB 6722-2014）中使用萨道夫斯基公式来计算预测爆破振动峰值速度，如式（1）所示：
式中，V为质点振动速度峰值，cm/s；
Q为炸药量，齐发爆破时为总药量，延时爆破时为最大单段药量，kg；
R为质点至爆源距离，m；
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。
在萨道夫斯基公式回归方法中常用线性拟合法，即用足够多的实测数据（单段最大药量Q、质点距爆源距离R、质点峰值振速V）通过最小二乘法反演计算K、α的大小，而线性回归残差平方和与评价爆破振动拟合值偏差程度的残差平方和并不相同，已有研究表明[5-9]，非线性回归的分析方法准确度要高于线性回归方法，采用非线性回归法拟合的过程如下。
评价爆破振动速度衰减公式拟合值与实测值偏差程度通过残差平方和M2来反映：
式中，Vi为介质质点i的振动速度幅值，cm/s；
Pi为比例药量。
将非线性残差平方和M2最小作为拟合标准，直接对萨道夫斯基公式进行回归分析。根据二元函数的极值定理，满足M2最小的必要条件为：
整理得：
式（5）为非线性方程组，直接求解比较困难，可以利用数值方法求解。观察式（5），构造方程为：
式（7）为非线性方程，可利用牛顿迭代法求解其根。该法需用到函数f(α)的导数，对α求导得：
计算出α值后，可由式（8）计算得出K值:
为了对预裂爆破振动规律进行预测，前期对西湾露天煤矿矿区爆破振动进行了监测，共得到118组监测数据，由于矿区测点距离爆区较近，因此不能用最大单孔药量作为Q值（总药量）来进行拟合；
有时爆区较大，矿区内某些测点距离相比一般测试距离较远，应剔除这些测点数据。通过对数据进行筛选、整理后，开展非线性拟合。
图1为矿区水平横向X方向峰值振速传播规律拟合图，其中K值为30.99，α值为0.73，拟合的相关性系数为0.73，拟合回归X方向的振动衰减规律为：
图2为矿区水平径向Y方向峰值振速传播规律拟合图，其中K值为41.29，α值为0.89，拟合的相关性系数为0.63，拟合回归Y方向的振动衰减规律为：
图1 水平横向（X方向）回归分析结果
图2 水平径向（Y方向）回归分析结果
图3为矿区垂直向Z方向峰值振速传播规律拟合图，其中K值为74.31，α值为1.06，拟合的相关性系数为0.72，拟合回归Z方向振动衰减规律为：
图3 垂直向（Z方向）回归分析结果
影响预裂爆破效果的因素有很多，本次方案设计主要考虑炮孔间距a、线装药密度q、爆孔直径d，不耦合系数k等。
2.1 预裂孔孔径与间距
西湾露天矿目前采用的预裂孔钻孔设备是SWDA165潜孔钻，直径165 mm。由于钻机可旋转方向、角度有限，炮孔角度一般为90°。
预裂孔炮孔间距可由式（12）计算：
式中，a为炮孔间距，m；
σt为岩石抗拉强度，Pa；
p为炮孔壁面的压力，MPa，为了避免造成炮孔壁周边受压破坏，应通过调整不耦合系数使其小于等于岩石抗压强度；
d为炮孔直径，mm。
根据矿方提供的《西湾露天煤矿建矿地质报告》，煤层直接顶板的抗压强度为14.42～26.59 MPa，平均24.92 MPa；
抗拉强度为1.43～1.80 MPa，平均1.72 MPa。代入式（12）可计算出a≤15d。即预裂孔炮孔间距不能超过2.5 m。
2.2 预裂孔线装药密度
根据类似矿山及西湾露天矿区以往爆破经验，预裂孔的线装药密度按以下经验公式取值计算：
式中，q为预裂爆破的线装药密度，kg/m；
σc为岩石的极限抗压强度，MPa。
经计算，q取0.3 kg/m；
为克服孔底夹制作用，底部5 m高度范围内加强装药，取q为1.5 kg/m，此时单孔装药量为10.5 kg。
2.3 不耦合系数k
不耦合装药即药卷直径小于炮孔直径的一种装药形式，这种装药结构使得药卷与炮孔壁之间存在空气间隔，起爆时爆轰波通过空气介质作用到孔壁上，此时空气间隙起到缓冲储能作用，削弱了炮孔壁初始压力峰值，而后又将储存能量释放出来，延长了爆生气体在孔内的作用时间，以此来改善爆破效果。
结合矿区爆破生产经验，采用以下经验公式来计算预裂爆破不耦合系数：
式中，k为不耦合系数；
D为预裂孔直径，mm；
dc为药卷直径，mm。
本试验中采用2号岩石乳化炸药，药卷直径为65 mm，预裂孔直径为165 mm。根据国内外工程经验，不耦合系数一般取值为1.5～5，根据计算本试验中不耦合系数为2.5。
2.4 炸药及雷管类型的选择
根据西湾矿山实际生产情况，选用2号岩石乳化炸药。预裂孔起爆均采用导爆索。具体方案设计见表1。
表1 不同孔距下的预裂孔设计参数
为了研究不同孔距下预裂爆破的减振效果，预裂爆破试验场地设置在同一平台，每次爆破试验均在预裂孔后方布置4个测点，距离设置为50 m、100 m、150 m、200 m，测点布置如图4所示。
图4 测点布置
在同一台阶总共进行了3次不同孔距的预裂爆破试验，每次试验都保证主爆孔在同一延期时间及药量下进行，3次试验波形如图5、图6、图7所示（篇幅有限，仅选择测点2#数据进行展示），试验数据见表2。
由以上试验数据可知，随着预裂孔间距从2.5 m减小到1.5 m，爆破振动信号持续时间从2.0 s减小到1.0 s，从X方向离爆源最近的测点来看，爆破振动峰值有较大幅度减小，但这些也有可能是最大单段装药量的减小引起的，为了进一步探究预裂孔对 减振效果的影响，还需要进一步对数据进行分析。
图5 测点2#爆破振动原始信号（1.5 m孔距）
图6 测点2#爆破振动原始信号（2.0 m孔距）
4.1 减振率分析
本文主要从不同孔距下预裂爆破的减振率以 及爆破振动信号的频谱分析来优选最佳预裂爆破方案。
图7 测点2#爆破振动原始信号（2.5 m孔距）
表2 预裂爆破试验数据
减振率是衡量预裂爆破效果的重要指标[7]，爆破后产生的爆破地震波会通过岩石介质向外传播，合理的预裂爆破方案设计可以形成贯通的预裂缝，而减振率可以反映预裂缝对地震波的阻隔效果。
露天矿山中，减振率（Rd）的计算方法一般取间接计算法，即用预裂试验测得的质点振速V2与经 验公式预测的质点振速V1进 行对比，计算公式如下：
式中，V2可用仪器现场采集获得。因X方向拟合优度最高，因此选择式（9）计算V1，进而进行减振率的计算，计算结果见表3。
表3 预裂爆破试验数据
从上表可以看出，在满足设计的最大单段装 药量情况下，预裂爆破的减振效果明显，各测点 振速均有不同程度的下降，个别测点减振率范围 为4.76%～78.93%，平均减振率范围为13.14%～56.45%。当预裂孔孔距变小时减振率的平均值随之增大，但并不是孔距越小减振率均值越大，当孔距2.5 m时减振率的平均值最小，当孔距2.0 m时减振率平均值最大；
在预裂孔孔距一定时，随着测点距离的增大，减振率也随之增大，离爆区越远减振的效果越明显。
4.2 振动主频分析
实际工程中，有时会出现爆破振速低于安全振速从而造成建（构）筑物产生破坏的情况，这是因为爆破振动所产生的频率与建（构）筑物本身的频率相近，产生了共振现象。因此在研究爆破振动对周边建（构）筑物的影响中，频率作为爆破振动的3要素之一不可忽略，为了更好地了解不同预裂孔距下预裂爆破的振动主频特点，使用MATLAB对测点2#的数据进行快速傅里叶变换，结果如图8至图10所示。
图8 孔距1.5 m径向波形与频谱
图9 孔距2.0 m径向波形与频谱
图10 孔距2.5 m径向波形与频谱
由图8可知，预裂孔距1.5 m的波形信号主频为14.77 Hz，主频带范围为7～35 Hz，径向振速为2.03 cm/s。
由图9可知，预裂孔距2.0 m的波形信号主频为13.31 Hz，主频带范围为5～27 Hz，径向振速为1.43 cm/s。
由图10可知，预裂孔距2.5 m的波形信号主频为26.13 Hz，主频带范围为7～33 Hz，径向振速为3.69 cm/s。
从以上分析可知，随着预裂孔距的减小，爆破振动信号的主频和主频带范围也随之减小，但并不是预裂孔距最小时主频也最小，当预裂孔距为2.0 m时，振动主频最小，并且频带范围也随之变窄。根据现场试验可知，当预裂孔距为2.0 m时坡面出现了明显的预裂缝，由此可以推测出预裂缝是影响主频变化的主要因素，并且贯通良好的预裂缝还具有高频滤波性[7]。
本文对西湾露天矿不同参数的预裂爆破减振效果进行了研究，根据实测爆破振动速度与预测爆破振速速度的对比，分析不同参数预裂方案的爆破振动减振效果，分析得出如下结论：
（1）以在西湾露天矿爆破生产监测获得的爆破振动原始信号为依据，通过非线性拟合方法得出了矿区水平横向、水平径向和垂直向的振动衰减规律分别为：
（2）预裂爆破减振效果明显，各测点振速均有不同程度的下降，测点减振率范围为4.76%～78.93%，平均减振率范围为13.14%～56.45%，且减振率会随着预裂孔距的减小而增大，2.0 m孔距预裂方案减振效果最佳。
（3）随着预裂孔距的减小，爆破振动信号的主频和主频带范围也随之减小，当预裂孔距为2.0 m 时，振动主频最小。
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