紫金东坪金矿的爆破震动测试与研究

郑 晓,李万斌,周益龙

(1.崇礼紫金矿业有限责任公司, 河北张家口市 076350;2.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

紫金东坪金矿的爆破震动测试与研究

郑 晓1,李万斌1,周益龙2

(1.崇礼紫金矿业有限责任公司, 河北张家口市 076350;2.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

东坪金矿与长沙矿山研究就采矿方法和爆破测振进行合作研究,分析了爆破震动对周边居民区及环境的影响及可能造成的危害。通过爆破地震测试和对测试数据的分析,得出了该矿爆破振动的规律及公式,为该矿的爆破设计提供了依据。

爆破地震效应;中深孔爆破;硐室爆破;振动速度

1 概 述

崇礼紫金矿业公司前身为东坪金矿,1988年建成150t/d采选综合生产能力,经过扩建,目前生产能力已达2500t/d,是河北省重点黄金矿山之一。矿区分布有80余条含金石英脉群,6个矿带。其中1～70号脉群占全区总储量的90%以上。该脉群单层矿体呈脉状、扁豆状,由浅至深矿脉数量逐渐增多,并雁列平行成群产出。主要矿化集中富集在标高1250～900m区间。70#矿体与顶底板为碱性杂岩,硬度大、稳固性很好。矿体主要赋存于7～31线之间,走向N40°E,走向长600m,倾向NW,倾角20°～42°,控制的倾向斜深820m。矿体连续性好,端部存在分支复合现象。

对于缓倾斜厚大矿体,原设计采用充填法,两步骤回采。因各种原因,矿山采用中深孔空场法回采一步骤10m宽矿柱,20m宽的矿房没有回采。为了回采二步骤采场,崇礼紫金与长沙矿山研究院合作进行采矿方法研究,根据现况,采用分段扇形中深孔侧向崩矿嗣后强制崩落顶板崩落采矿法。盘区试验采场宽度100m,其中包括4个空区采场,3个回采采场。在矿体下盘布置分段平巷,每分段每个采场布置一条出矿进路,在回采采场开凿一条凿岩联络巷到矿体上盘,采场每一分段相隔25m平行矿体走向布置1条凿岩巷到两侧空区采场。在凿岩巷进行扇形中深孔凿岩,以两侧空区采场为自由面进行侧向崩矿,在分段出矿巷和底部结构出矿。在上中段采场直接顶板布置12个放顶硐室,微差一次性起爆崩落采场顶板处理采空区。

矿山井下爆破引起的地震波对矿区地表建筑物、构筑物和附近村庄民房的安全性有一定的影响,特别是在硐室大爆破时,由于总装药量与最大一段药量都比较大,所产生的爆破地震振速也大,爆破震动对周围环境的破坏效应也大。

东坪村距矿区较近,其建筑物一般是毛石房、一般砖瓦房,抗震能力差。矿山回采过程中采用扇形中深孔落矿,嗣后硐室放顶处理空区。一次装药量大,爆破对东坪村的影响较大。其次矿区有一条县旅游公路,公路距井下爆破点的距离较小,政府部门要求爆破震动不能影响公路。为了确定中深孔爆破及硐室爆破不影响东坪村、矿区周围建筑物、道路、行人、车辆安全,矿山与长沙矿山研究院合作进行爆破地震测试研究,建立一套经济方便的爆破地震监测系统,从而优化爆破参数、爆破方式、装药量等。

2 爆破震动现场监测

2.1 监测方案

为了测定爆破地震波对东坪村及矿区建筑物、构筑物的影响,在东坪村及矿区地表布置观测点,观测点的布置遵循以下原则:

(1)地面振动测量能真正测得建筑物所处地面的振动,又要避开建筑施工回填土的影响;

(2)测点布置在稳固的地基上;

(3)建筑物振动测量能反映建筑物、构筑物整体振动和易破坏的部位。

按照以上原则,在矿区和东坪村布置6个观测点,用经纬仪测出观测点的三维坐标,从而可以得到爆心与观测点的距离。

构筑物的破坏程度与质点的振动速度密切相关,因此,爆破地震波测试时通常测试质点的振动速度。矿山购置了成都中科测控有限公司的“3850爆破振动记录仪”,系统硬件包括传感器、振动记录仪、笔记本电脑。

爆破地震波在岩体中传播时,岩体质点的运动是三维的,可分解为互相垂直的3个方向的分量,实际测试过程需要同时测试这3个正交分量,再求其矢量和,以完整描述地震波在岩体中的传播规律。因此每一个测点要求有3个传感器分别测量3个方向的振动速度分量。

2.2 测试方法

用生石膏粉加水调制成浆糊状,将传感器粘结在被测物较为坚实的基座上。在安装过程中,垂直速度传感器应该尽量保持与水平面垂直;水平速度传感器的安装应该与水平面平行,用两只水平传感器分别测量径向、切向的速度。安装径向水平传感器应该水平指向爆心,切向水平速度传感器则与径向垂直并且和地面保持水平。3个传感器应安装在一起,构成一个关于爆心的三维直角坐标系。

3 结果分析

在东坪矿区1304,1264m中段进行中深孔爆破时,在矿区地表进行了多次的现场测量,得到26组数据。采用非电雷管起爆,单段雷管起爆进行6次地震波测试,多段雷管起爆进行10次测试。爆破震动测试结果和波形图显示出相同的规律:

(1)最大爆破震动速度由单段最大药量控制;

(2)不同段间爆破震动波未发生叠加;

(3)爆破振动各方向主频率在14～35Hz左右;

(4)爆破震动波的衰减时间约为60～90ms。在最大单段药量为530kg时,测点的振速只有0.45 cm/s,远少于爆破安全规程的允许值。因此,中深孔微差爆破一般不会产生爆破震动叠加,只要控制单段药量,可以放宽对总药量的限制。

目前对爆破振动预测广泛采用萨道夫斯基公式,但公式里参数与地质结构、岩土性质、地形等因素有关,因此对测得的实际数据用萨道夫斯基公式进行拟合。

计算震动速度的萨道夫斯基公式为:

利用最小二乘法对测得26组数据进行拟合,得到:K=479.76;α=1.94。因此,对于东坪金矿矿区内中深孔爆破引起的爆破振动速度可用式(2)计算:

爆破震动对结构的破坏与频率有关,震动的频率与结构的固有频率相同时容易发生共振,对结构危害最大,因此频谱分析可为装药量和爆破方式的选择、安全距离的计算提供可靠依据。从表1可以看出,同一次爆破,不同方向的主振频率有较大的差异,用3个方向最大分量确定总振幅不一定准确。对构筑物破坏最大的是径向、切向振幅。爆破振动的主频在12.8～34.8Hz之间,频带较窄。土坯房、砖房结构允许的振幅分别为0.7～1.2,2.3～2.8 cm/s。多次地震波测试表明矿区中深孔爆破不会对东坪村的民房产生破坏。

表1 爆破震动测试主频

图1是某次在矿区南山井爆破时测得地震波的波形图,爆破分析图1所示的爆破振动波形图得出,中深孔爆破震动波的衰减时间约为60～90ms。总装药量为1100kg,单段最大装药量为297kg,爆心距测点的距离为183m,测的合成振速为0.703 cm/s。

图1 爆破振动波形

4 工程应用

东坪金矿缓倾斜厚大矿体现采用空场崩落法,为了保证回采的安全,必须强制崩落矿体的顶板处理空区,一般强制崩落顶板采用硐室爆破。为保证放顶爆破对矿区相邻的东坪村不产生破坏性影响及人身安全,必须控制放顶工程的单段药量。经过分析比较决定采用多硐室微差一次性起爆放顶。试验采场放顶工程共设计12个放顶小硐室,放顶爆破没有对地表建筑物产生破坏性的影响。

4.1 最大单段药量的确定

硐室放顶爆破爆心与东坪的距离R=401m,安全规程允许的土坯房振速V=0.7cm/s,用前述的式(2)计算得到单段最大药量Q=2679kg,为了安全起见,多硐室放顶单段药量取1500kg。

4.2 其它爆破参数的确定

强制崩落空区顶板处理空区对爆破块度要求不高,因此采用松动爆破。松动爆破的计算公式如下:

式中:Q——爆破药量,1500kg;

e——炸药换算系数,对2号岩炸药e=1.0,对铵油炸药e=1.0～1.15;

k′——松动爆破药量系数,对多临空面或崩落爆破k′=(0.125～0.3)k,

k——标准单耗,kg/m3,一般为1.4;

W——最小抵抗线,m。

计算得到:W=15.3～20.5m。

根据现场实际情况,并考虑减少施工工程量,最小抵抗线取18m,放顶采场在1264m中段,在1344 m中段布置放顶硐室,顶板厚度平均27m左右,因此在1334中段施工放顶硐室时,采用向下掘进小井药室进行抵抗线调整,具体小井掘进深度根据钻孔深度进行设计。

爆破压缩圈半径计算公式为:

式中:Ry——压缩圈半径,即药包向下作用深度,m;

Q——药室装药量,kg;

△——炸药密度,一般取0.8～0.85t/m3;

μ——压缩系数,坚硬岩石一般为10。

计算得到Ry=1.6m。

松动爆破的破裂半径按下式计算:

计算得到R=14～18.9m。

根据上述计算,在试验采场直接顶板1334中段设计布置12个放顶硐室。

4.3 爆破效果

硐室放顶采用双发澳瑞凯雷管微差起爆破,硐室装药量1500kg,预测本次硐室放顶爆破使东坪村房屋产生的振幅为0.49cm/s,小于安全规程规定的允许值。

强制崩落顶板达到了预期效果,释放了采场顶板的应力,地表实测得到爆破地震波强度没有超过安全规程的允许值,实现了安全生产。

5 结 论

(1)东坪金矿通过中深孔爆破的现场监测和数据分析,获得了大量可靠的数据和一些规律。

(2)通过中深孔爆破地震监测,可以判定矿山在进行中深孔爆破时单段装药量控制650kg以下不会对东坪村的房屋产生破坏性影响。

(3)中深孔爆破地震监测和分析,为该矿硐室放顶大爆破设计提供了科学的数据,放顶工程采用多硐室放顶,减少单段炸药量,放顶大爆破没有对地表建筑物产生破坏性的影响。

(4)中深孔爆破、硐室放顶爆破采用微差爆破,可减小爆破地震的影响。进行微差爆破可以增大爆破量,减少爆破次数,降低爆破生产成本。

[1]露天大爆破编写组.露天大爆破[M].北京:冶金工业出版社,1979.

[2]刘石义,赵小稚,郑怀昌,等.矿山爆破地震波的测试分析[J].淄博学院学报(自然科学与工程版),2002,4(4).

[3]GB6722-2003.爆破安全规程[S].

[4]杨年华,林世雄.爆破振动测试技术探讨[J].爆破,2000,17(3).

2010-01-25)

郑 晓(1975-),男,河北张家口人,助理工程师,主要从事采矿技术管理工作,Email:DPZX4772152@163.com。