基于爆破震动监测安全弱震震速阈值的确定

史秀志，黄敏，陈寿如

(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083)

基于爆破震动监测安全弱震震速阈值的确定

史秀志，黄敏，陈寿如

(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083)

工程爆破震动控制一直是爆破界的一个重要研究课题，而准确地预测爆破引起的质点震动速度是有效控制爆破震动危害的前提。主要介绍国内某一大型露天矿山的爆破现状以及爆破震动危害，且针对矿山目前现状，进行现场爆破震动监测以及数据分析，进而确定周边民房建筑物安全弱震震速阈值，并确定爆破最大段药量的控制，为降低露天矿山爆破震动危害提供了一定参考。

台阶爆破;爆破震动;震动监测;线性回归;震速阈值;最大段药量

0 引言

露天采场台阶爆破震动经常影响采场周边建筑设施和边坡稳定，降低露天采场爆破震动已成为矿山安全开采的重点课题。当前国内矿山采用的降震、减震措施主要有:微差爆破技术、控制最大段药量、采用分散装药结构、采用最小抵抗线原理、挖掘预裂带、采用不偶合装药结构等［1］。保证爆破震动安全的根本措施是降低爆破震动。各类降震措施中尽管采用的手段不同，但大多数是通过严格控制某一瞬间(段)的最大装药量来控制震动强度，使之与爆源到控制点距离相匹配［2］。

有关台阶爆破的震动效应成果显示，在爆破近区范围外，震动能量主要由最大段药量决定。因此目前广泛使用的微差爆破技术主要是通过控制最大段药量来控制爆破震动［3］。

国内某一大型露天矿山采场北帮台阶爆破地震已引起周边民房震动，造成该村房屋漏雨、倾斜、开裂，给周围村民生产生活造成一定影响。为构建和谐矿山生产体系，避免引起村民纠纷和安全事故的发生，必须进行露天采场深孔爆破地震对该周边环境影响的监测和评估，找出减小爆破地震强度的措施和确定爆破地震的安全距离，进而控制和降低爆破震动危害，保证今后采场爆破的顺利进行。

1 爆破现状

目前该露天采场已进入高边坡开采(+86m台阶)，频繁爆破施工对采场周边民房建筑物产生了较大影响，使工农关系一度紧张，影响整个采场的规划和爆破设计施工。

露天矿爆破工程中岩石主要为白云质灰岩，爆破方案为:当台阶高度为大于12m时采用孔内分段间隔装药，孔内孔间间隔延时微差爆破;当台阶高度小于10m时采用连续装药，孔间微差爆破;临近最终边坡时采用预裂爆破。爆破参数为:每次爆破炮孔数为8个，炮孔孔径250mm，孔深13～14m，孔距5m，为防止爆破产生根底，孔深超深0.5～1.5m。

起爆网路和起爆方式为:每个炮孔内，上部药包和下部药包分别用2发9段和2发8段毫秒导爆管雷管，孔内4发导爆管均引至孔外，两孔之间串联2发5段毫秒导爆管雷管组成非电雷管，孔外接力起爆网路，用火雷管起爆，实现孔内孔外延期微差起爆。

2 爆破震动监测

扩帮爆破区均位于+86m台阶，共进行5次爆破震动监测。在爆破区东北方向有一村庄，距离爆破区为315～510m。5次爆破装药情况:第一次、第二次和第五次爆破总装药量分别为1625，2100和1850kg，最大段药量均为150kg;第三次和第四次爆破总装药量分别为2200kg和1500kg，最大段药量分别为160kg和105kg。

从爆区到附近采场周边村庄的路径上布置12个测点，后3个监测点位于村庄民房建筑物平整地面上，每个测点都测定垂直和水平方向震动速度，共取得100组有效的爆破震动监测数据。

3 爆破震动回归分析

通过爆破震动测试可以了解爆破区爆破震动衰减规律，从而控制最大段药量，使最大震动速度控制在允许范围内。对爆破震动数据进行分析处理，观测爆破震动的峰值震速，利用该参量来反映受振测点在应力方面的受力状态，从而评价爆破震动地面建(构)筑物危害程度。一般而言，近区垂直方向的震速较大，远区水平径向的震速较大。相关数据的分析方法因考虑的因素差异而有所不同:不使用高差因子表达时，采用一元线性回归数理统计方法;当爆心与测点之间或各测点之间高差变化大时，可采用使用高差因子表达的二元线性回归方法，此方法可有效地预测复杂地形条件下测点的质点振动速度，且比传统预测公式具有更高的精度［4］。

从量纲分析的角度，质点震动速度可经验地表述为:

(1)不使用高差因子表达的萨道夫斯基公式:

(2)使用高差因子表达的萨道夫斯基公式:

式中:v——爆破震动震速峰值，cm/s;

ρ——比例药量;

Q——爆破最大段药量，kg;

R——爆心至测点的距离，m;

S——爆心至测点的水平距离，m;

K——场地条件系数，由测震试验确定;

β——高差影响指数，由测震试验确定。

通过5次爆破震动监测数据，利用一元线性回归方法可求得k、α值，从而得到台阶爆破中爆破质点震速衰减方程，可有效地预测台阶爆破中距爆源一定距离处某测点的垂直震速和水平震速。由于5次爆破震动监测测点与爆心在垂直方向上的分布不一致性(在爆心上方和下方都有测点)，二元线性回归结果相关性很差，只能使用一元线性回归。同时为得到尽可能准确的分析结果，必须剔除一些因偶然误差而造成偏差较大的数据，此时得到的线性回归相关系数可以达到合适的要求，并且满足实际需要，如垂直震动速度共有51组数据，剔除A2#、D5#两组数据，得到的相关系数是0.9099。水平震动速度共用49组数据，监测数据显示:同一测点上垂直震动速度普遍大于水平震动速度，因而采用垂直震动速度来控制震动危害较为合理、也较为严格。

线性回归主要参数见表1。对表1中测试数据进行线性回归分析，结果为:K=177.89，α=1.470，相关系数S=0.9099。因此对于本次爆破震动监测的垂直震动速度的爆破震动传播规律的萨道夫斯基公式可以表示为:

公式(3)是从51组样本中回归得到的，样本数量充足，相关系数较大，具有一定的准确性和可靠性，其回归结果较好地反映了爆破震动垂直质点震速在该矿北帮扩帮台阶爆破中岩层和地质条件下随着比例药量变化的衰减规律，在随后的爆破震动控制中应将公式(3)作为重要的参考依据。

4 房屋危害程度评估

5次爆破震动监测中，采场周边村庄房屋地面上3个监测点的监测结果表明:垂直震动速度范围从0.049～0.417cm/s，最大震动速度为0.417 cm/s，主频为22.71Hz，所测定的地震波主频范围在19.04～24.14Hz。参照GB6722－2003《爆破安全规程》第6.2.2条款有关规定:一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物爆破震动频率在10～50Hz之间时，安全允许振速为2.3～2.8cm/s。根据式(3)，可计算最不利情况，即当爆心测点距R为275m(以前台阶爆破中爆心最接近民房的距离)，最大段药量为250kg时，房屋地面的最大垂直震速仅为0.691cm/s;当爆心测点距R为350m，最大段药量为250kg时，房屋地面的最大垂直震速仅为0.485 cm/s，均比安全允许振速2.3cm/s要小得多。说明在现今爆破条件下，当最大段药量小于250kg时，从爆破震动速度方面来评估民房建筑物是安全的，这样的爆破震动速度不会造成房屋的结构性损伤。

5 房屋安全弱震震速阈值的确定

考虑到生产爆破的长期性和频繁性，当房屋建筑结构承受震动速度超过一定值时会引起疲劳损伤积累，加剧其破坏过程，因此就应留有较大的安全系数。参照以往类似工程的成功经验，确定采场周边民房不损伤的弱震震速阈值V0=0.50cm/s［5］。

该露天矿每次爆破设计都进行爆破地震速度计算，根据《爆破安全规程》规定，将民房和厂房的爆破震动速度控制在2cm/s和2.5cm/s以内。两年多来，一直按这样震动速度进行控制，但村民仍然反映很强烈，这样的事实说明实际应用的控制震动速度必须要比上述严格很多，因此确定房屋安全弱震震速阈值V1=0.50cm/s是合适的，也具有较大的安全系数。

表1 垂直震动速度线性回归主要参数

现场爆破震动监测发现，当位于房屋地面上监测点爆破震动速度超过0.4cm/s时，许多村民反映强烈，而小于该值时全体村民无人投诉。为构建和谐社会，彻底改善采场周边环境，应采取更加严格的爆破震动控制措施，因而确定采场周边村民不投诉的房屋安全弱震震速阈值V2=0.35cm/s。

综上所述，确定今后房屋安全弱震震速阈值范围V=0.35～0.50cm/s。

另外高善堂［6］认为同一场地的爆破地震波传播规律是不相同的，近区衰减快，K值大，中远区则相反，因此应根据距爆源中心的近区和中远区地震波衰减速度不同的规律，分别计算。如果采用综合的K、α值，那么计算出来的振动速度对近区偏小，对中深区偏大。可知按以上安全弱震震速阈值对中远距离(ρ＜0.05)的民房安全性进行评估同样具有一定的可靠性。

6 最大段药量控制

在安全弱震震速阈值条件下，可计算出爆心测点距R与最大段药量Q之间的关系。当房屋安全弱震震速阈值为0.50cm/s和0.35cm/s时，距离爆破区域为310m左右的村庄民房允许的最大段药量分别为185kg和90kg左右;今后按房屋安全弱震震速阈值来控制最大段药量，可将爆破震动对民房危害以及对村民生产生活的影响降至最低。

7 结语

通过对最大段药量控制可以有效地降低爆破震动的峰值质点振速，其主要原理是:在保证矿岩能够充分破碎的条件下，减少爆破能量源的大小可以降低爆破震动强度［7］。

露天采场台阶爆破进行爆破震动的控制还应尽量使用清碴爆破和单排孔起爆、适当增加各相邻段的起爆时间间隔、合理安排台阶爆破的采场工作面推进方向、台阶爆破中使用小直径炮孔、扩大每次生产规模时的孔内外微差起爆网路、合理安排台阶爆破的采场工作面推进方向、尽量使不抗震建(构)筑物处在起爆方向的侧向等。另外辜大志等［8］认为改变起爆顺序，采用斜线或“V”型起爆，可以取得较好的降震效果。有孔底空气间隔装药比无孔底空气间隔装药平均降震率达到10%～15%，大块降低率达30%以上。卢文川等［9］对露天铁矿中深孔爆破进行研究，认为通过预裂爆破和空气间隔装药联合降震技术，可降低30%的中深孔爆破震动。总之各种技术措施只有综合运用才能有效地降低爆破震动效应，才能保障矿山安全有序的生产。

［1］王域.露天矿降震技术研究［C］∥第五届全国矿山采选技术进展报告会.马鞍山:《矿业快报》杂志社，2006，444:537－539.

［2］张志呈.浅谈评价爆破地震效应的方法和标准［J］.爆破器材，1998，27(3):32－35.

［3］黄杰安，林杭.岩土介质爆破地震波的传播特性分析［J］.基础与前沿研究，2008，24(3):39－42.

［4］胡刚，吴云龙.爆破地震振动控制的一种方法［J］.煤炭技术，2004，23(4):104－106.

［5］陈寿如，唐信来，王恒富，等.爆厦门机场高速路JC2、JC3合同段爆破震动监测与控制技术研究［R］.长沙:中南大学，2008.

［6］高善堂.爆破振动速度计算系数的合理确定［J］.矿业研究与开发，1995，15(3):51－53.

［7］刑东升，谢圣权，陈寿如.露天采场爆破震动的监测与控制［R］.长沙:中南大学，2003.

［8］辜大志，谢圣权，陈寿如.孔底空气间隔装药改善爆破震动效果的研究［J］.采矿技术，2004，4(4):64－66.

［9］卢文川，庄世勇，高洪亮.爆破震动危害的控制［J］.矿业工程，2004，2(3):35－37.

2011－07－06)

史秀志(1966－)，男，河北沙河人，博士，教授，从事采矿与岩土方面的教学与研究，Email:shixiuzhi@263.net。