金属矿山台阶爆破振速预测研究

张光权，吴春平，施俊健，陶铁军

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083；2.北京矿冶研究总院，北京 100070)

炸药在介质中爆炸时，其释放出来的能量以不同的作用形式表现出来，其中冲击波能量占2%～20%，空穴和介质隆起能量占40%，噪声、热量及无用能量占40%～60%，用于破碎和介质运动的能量占很少一部分，其余的无用能量中很大一部分以空气冲击波、飞石和爆破振动等工程灾害方式表现出来[1]。在爆破有害效应中，爆破振动被认为是工程爆破中影响最大的公害之一。本文拟结合放马峪铁矿工程实践对爆破振动的振速进行理论预测及实证研究。

1 爆破振动规律与预测方法

1.1 爆破地震波及其影响因素

炸药在岩体中爆炸时，对岩体产生的扰动，这种扰动以应力波的形式传播便形成爆破地震波，当它的强度超过一定限度时，会引起地表或附近结构物的破坏，其造成破坏的程度主要决定于装药量和与震源的距离[2]。 影响爆破地震波产生和传播的因素很多，主要有爆源、距震源的距离以及爆破地震波传播区的地质、地形情况等。

1.2 爆破振速的预测方法

1.2.1 爆破振动速度公式

爆破质点峰值振动速度V的计算由萨道夫斯基公式确定[3]：

(1)

式中：V为保护对象所在地质点振动安全允许速度，cm·s-1；Q为炸药量，齐发爆破时为总药量，延时爆破为最大一段药量，kg；R为爆破振动安全允许距离，m；K、α为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，可通过现场试验确定。

1.2.2 用最小二乘法回归方法确定K、α值

lnV=lnK+αlnρ

(2)

设y=lnV，a=α，x=lnρ，b=lnK，则式(2)可以表示为：

y=ax+b

(3)

根据最小二乘法原理，待定参数a、b应使现场爆破试验实测值yi=lnVi与式拟合值y′=axi+b=alnρi+b的偏差最小。因此，问题转换为求解使残差平方和取得最小值时的a、b值：

(4)

式中n为现场爆破试验次数。

(5)

1.2.3 爆破振速的预测

通过现场爆破试验得到若干组介质质点振动速度及相应炸药量、爆源距的实测数据，利用最小二乘法回归K、α值，再用回归后的K、α值代入式(1)，建立矿山的爆破振动速度峰值预测公式，即可预测具体爆破工程中距爆源一定距离质点的振动速度。

2 放马峪铁矿爆破振速预测

2.1 爆破振动测试

本研究选用监测仪器为UBOX-20016型爆破振动记录仪，测试中采用脱机采集数据法。首先，根据爆破现场具体的地质地形布置测线，选择基岩作为传感器的布置点，测点呈直线形分布。在选定的监测地点安装传感器之前，清除地表浮土、浮石、疏松物，以及各种不利于黏接的物质，然后用强力快黏粉将传感器与基岩进行良好的耦合黏接；最后，将爆破振动记录仪与传感器连接，爆破前开机并调试。爆破完成后，将爆破振动记录仪带回与计算机连接读取数据。

2.2 测试数据处理

为尽量消除误差，取得较好的拟合效果，在密云县放马峪铁矿爆破现场测得了100多组数据。其中包含了3种不同地表、地形条件下所测得的数据，具体情况如表1所示。

表1 不同地表介质下的数据样本数

为了分析比较的公平性和真实性，在实际处理时剔除差异大的和不同地表介质条件下的监测数据。本研究分别从垂直向、水平切向、水平径向和振动速度矢量和4个途径，对处理后的原始数据进行分析，求出各自的K、α值，并据此拟合出相应的爆破振动速度预测公式。

2.2.1 垂直向振动速度分析

剔除在浮石上测得的数据点，以垂直振动速度Vc作为爆破振动速度回归结果，见图1。

图1 以垂直振动速度为准计算的回归结果

依据回归原理可得：

K=eb=e4.266=71.24，α=a=1.58。线性相关系数γ=0.808。

据此可得垂直向振动速度预测公式：

(6)

2.2.2 水平径向振动速度分析

以水平径向振动速度作为爆破振动速度回归结果，见图2。

图2 以水平径向振动速度为准计算的回归结果

依据回归原理可得：

K=eb=e4.85711=129，α=B=1.7。线性相关系数γ=0.9。

则水平径向振动速度预测公式如下：

(7)

2.2.3 水平切向振动速度分析

以水平切向振动速度作为爆破振动速度回归结果，见图3。

图3 以水平切向振动速度为准计算的回归结果

依据回归原理可得：

K=eb=e4. 66813=106，α=B=1.8。线性相关系数γ=0.892。

于是得出水平切向振动速度预测公式：

(8)

2.2.4 振动速度矢量和分析

图4 以矢量振动速度为准计算的回归结果

依据回归原理可得：

K=eb=e4.643=103.855，α=a=1.465。线性相关系数γ=0.913。

据此可得出爆破振动速度矢量和预测公式：

(9)

3 爆破振速预测公式的应用

3.1 爆破振动速度最大值预测

根据回归公式，可以对不同药量、不同距离处爆破振动速度进行预测。根据试验铁矿目前实际情况，计算当最大单响药量Q=200 kg、250 kg、300 kg，R=50 m、80 m、100 m、150 m时的爆破振动速度，如表2所示。

表2 爆破振动速度计算预测值

由表2可以看出，爆破引起的质点振动速度在量值上，垂直振动速度居于中间，而径向振动速度最大。即使药量增大到300 kg，在120 m、200 m处的振动速度也远远满足《爆破安全规程》的相关要求。实际最大药量为250 kg时，在120 m、200 m处的振动速度预测值分别为0.86 cm·s-1、0.36 cm·s-1，与《爆破安全规程》要求的2 cm·s-1相比还有很大的安全富余量。

3.2 居民区建(构)筑物振速预测

根据放马峪铁矿采矿爆破安全设计方案，可以得到鞍子沟采场、四和采场、萝卜峪采场的最大一段起爆药量Q。依据放马峪采场现状平面图，可以计算出鞍子沟采场、四和采场、萝卜峪采场离最近民房的距离R。在实际最大单响药量Q和各采场最近民房的距离R基础上，计算各采场离最近民房的工作面爆破作业时民房处产生的振动速度V。

由上述分析可知，垂直向振速预测公式在68.1m以外预测精度最高，因此用垂直向振速预测公式分别预测实验所在矿山3个采场最近居民区的振动速度。同时为了便于比较，也计算了矢量和振速。计算结果见表3。

从计算结果可以看出，无论是垂直振速还是矢量和振速，最近民房处产生的振动速度均小于《爆破安全规程》规定的2cm·s-1，故设计装药量可行。

3.3 公式预测结果与实测值对比分析

计算基于最大单响药量Q=248.4 kg，爆破振动实际监测与回归公式计算预测对比分析结果见表4。

表3 居民区民房的振速计算值

表4 爆破振动实测值与计算值比较表

注：本表中误差为相对误差，取绝对值。

爆破振动实际监测值与回归公式计算值的对比分析表明，在较远距离68.1m以外，其振动速度预测精度较高，最大误差为9.3%，说明用其对68.1 m以外的振动速度进行预测，结果是可信的。而在近距离31.7 m附近振动速度预测的结果误差较大，误差最大达到59.5%，需在预测时结合实际采用适当的修正系数予以修正。

4 结 论

1)通过对放马峪铁矿爆破振动实测的120组数据进行分析，分别得出垂直向、水平切向、水平径向和振动速度矢量和的K、α值，由此得出了该矿各速度分量的4个爆破振动预测公式。

2)通过多次现场监测和对大量的实测数据分析发现，垂直振动速度回归公式能够反映放马峪铁矿爆破振动的实际情况，尤其适用于距爆源较远处垂直爆破振动速度的预测。

3)在对爆破区域附近居民区的爆破振动进行预测时发现，无论是垂直向振动速度还是矢量和振动速度，其预测值均不超过2 cm·s-1，表明最近民房处产生的振动速度是安全可靠的。

4)由萨道夫斯基公式经线形回归分析得出的爆破振速预测公式，对距爆源较近处质点振动速度预测误差较大，可在预测中结合实际情况用适当的修正系数予以修正。

[1] 杨小林, 侯爱军. 岩溶隧道掘进爆破的地震效应和安全标准[J]. 洛阳工业高等专科学校学报, 2007,17(1):1-5.

[2] 张立国. 爆破振动强度预测及其控制的研究[D].北京:北京科技大学, 2005.

[3] 汪旭光,于亚伦,刘殿中.爆破安全规程实施手册[M].北京:人民交通出版社,2004.