鞍钢铁矿爆破效果瞬态分析*

潘鹏飞 郭 浩 栾 辉 郭连军 张大宁 徐振洋 王 乐 刘 鑫

(1.鞍钢集团矿业公司;2.辽宁科技大学矿业工程学院)

鞍钢铁矿爆破效果瞬态分析*

潘鹏飞1郭 浩2栾 辉1郭连军2张大宁2徐振洋2王 乐2刘 鑫2

(1.鞍钢集团矿业公司;2.辽宁科技大学矿业工程学院)

爆破效果一直是衡量爆破质量的标准，瞬时效果往往对爆破的质量起到决定性作用。就大孤山露天铁矿的实际爆破情况，通过运用TC-4850测振仪对地震波监测和利用高速摄影仪对爆破产生的瞬间效果进行摄影，并用Blasting vibration analysis软件和ProAnalyst软件对测振数据和拍摄的图片分析,得出地震波的衰减情况，充分利用以上指标评价爆破效果，以此指导以后的爆破设计。

爆破效果 测振仪 高速摄影 数据分析

爆破在给矿山挖掘方面带来优势的同时，也带来了诸多隐患，如爆破震动、粉尘、噪音等。近年来随着工程爆破技术的发展，在理论和实践中都积累了丰富的经验，对我国爆破行业的发展起到了推进作用[1]。同时所带来的负面危害也越来越被重视,但由于爆炸过程时间短，借助高速摄影和爆破振动测试仪对其爆破过程及效果评价分析。

1 工程概况

某矿山是鞍钢的铁矿石原料地之一，该铁矿矿床是由水沉积后经过变质作用而形成[2]，有3个主要矿体，其中1#矿体为主矿体，2#、3#矿体规模很小。

本次爆破对象为-78 m阶段水平靠帮岩石，爆破岩石量为29 929.48 t，炮孔直径为250 mm，底盘抵抗线为7 m；设计74个孔，单段最大药量为150 kg，采用方形布孔，孔网参数为6 m×5 m，孔深8～12 m，水深3 m，装药6 m；使用乳化铵油炸药，空气间隔填塞，连续柱状装药，设计单耗为0.375 kg/t；采用串并联，毫秒微差逐孔起爆，孔内400，250 ms，孔外17，25，65 ms,孔内雷管157发，地表雷管74发，爆区炮孔布置见图1。

2 爆破振动监测方法

2.1 爆破振动监测仪器

采用成都中科研究所最新研制的TC-4850爆破振动监测仪器，具有体积小、重量轻、耐压抗击、可靠易用等优点，并可配接相应的传感器，能完成加速度、速度、位移、压力、温度、湿度等动态监测、记录、报警和分析。

图1 炮孔布置(单位：m)

本次爆破选择三维一体传感器，无论从灵敏度、准确度，还是便携性、易安装性等方面均能满足测试要求。

2.2 测点布置

选取具有代表性的位置进行爆破振动监测，按照试验需要，一方面研究爆破对边坡的稳定性影响，另一方面研究自由面对爆破地震波衰减程度的影响。根据现场实际情况布设了6个测震点，以爆区的几何中心为爆源中心，一排靠近边坡，一排靠近自由面，每排中2个相邻测点的距离为30 m，径向成直线排列。

2.3 传感器的安装

为获得准确的爆破信号，传感器的选择和固定非常重要[3]。此次被测点为坚硬岩石，可以采用石膏将传感器固定在岩石表面，传感器的X方向指向主爆孔方向，这样会避免测量误差[4]。

3 爆破振动监测数据分析

3.1 波形分析

在此次测振中，测点2靠近边坡侧，且所测得的波形比较完好，测量数据能较好地反应传播情况，见图2。

图2 X、Y、Z方向波形图

通过对测点2的波形进行三维矢量合成后分析，此次爆破地震波的持续时间大约在0.8 s，该测点在0.259 8 s的振动速度达到最大，为7.065 m/s。三维通道中，Z方向的振速最大，说明垂直振动对测点的影响作用最大。而3个方向的主振频率分别为14.599,8.791,16.949 Hz,均属于低频波。对Z方向波形进行FFT变换，见图3。

图3 FFT变换图

由图3可知，爆破地震波的主振频率一般在0～200 Hz。根据以往的工程爆破经验，中低频地震波对建筑物的危害更大[5]。在爆破设计中要考虑低频在爆破地震频率所占的比率，尽量降低低频的百分率，这样可以更好地减少危害。大孤山铁矿的稳定性比较好，根据我国《爆破安全规程》(GB 6722—2003)，安全允许振速在15～30 cm/s，此次爆破中最大振速远远小于这一安全值，边坡在安全范围内；本次爆破振动的持续时间也比较短，通过高速摄影仪对爆破的回放也证明了这一点。

将天然地震归结为多次大的爆破地震在同一时刻的组合，也就是说在爆破量达到一定规模时，爆破地震波的频率会接近天然地震频率，这也从另一方面说明了微差爆破降低爆破振动的作用。《爆破安全规程》规定以质点峰值振动速度作为评价标准。但此单一强度在某些方面不能完全作为判断的依据，应考虑质点峰值的振动幅值、频率和持续时间三要素综合作用，衡量爆破震动效应的危害程度。

对波的振动速度进行一阶积分，得出瞬时的波振动位移幅值，见图4。可以得出，X方向在0.3 s震动的幅值达到800 cm，Y方向在0.35 s 震动的幅值达到1 050 cm，Z方向在 0.13 s震动幅值达到620 cm，也就是在一定时间的范围内，爆破振动的持续时间越长，对被保护的建筑物危害就越大。

图4 瞬时位移与时间关系

对震动速度波形进行一阶微分，得出此测点的瞬时加速度。加速度是爆破动力的集中体现，瞬时加速度越大，说明此时炮孔中的爆炸能最大，见图5。可以看出，在0.25 s时，X方向最大加速度为0.73 cm/s2；在0.53 s时，Y方向加速度为0.69 cm/s2；在0.52 s时，Z方向最大加速度为0.68 cm/s2。垂直方向的振动最小，进而说明波在岩石中传播药柱的径向最大加速度大于切向最大加速度。

3.2 数据分析

本次爆破测振结果见表1。

对比测点1#～3#和测点4#～6#可知，距离爆源同距离的Y方向的最大振动速度沿自由面侧方向的波的衰减速度快于靠帮侧，靠帮侧岩体的最大幅值大于靠自由面侧。

以往普遍认为横波Y的破坏力是最大的，但从表1中可以得出Z方向的地震波不能完全代替爆破地震波的大小，应权衡共同波的三维矢量和，来体现爆破地震波的危害。

图5 瞬时加速度与时间的关系

表1 爆破振动数据

测得测点6#中Z方向的振动幅值很小，可能以前的爆破造成靠近自由面侧的岩体发生了大的裂隙，阻断了波的传播。在以后的开挖过程中，需要特别注意打孔、装药等问题。

在测点距离爆破区域较近的区域，X方向爆破地震波在空气中传播的波速也是很大的，在矢量合成方面也会影响幅值。

3.3 萨道夫斯基公式分析

将测得的速度采用萨道夫斯基经验公式进行药量推算[6]：

V=K(Q1/3/R)α,

(1)

式中，V为测得的爆破振动速度，cm/s;Q为同时爆破的炸药量，kg;R为测点至爆区的距离，m;K,α为与地质地形条件有关的系数，取200，1.6。

计算得到本次监测的最大药量约为330 kg,这与实际情况基本吻合，考虑在本次爆破的过程中，有二次爆破的影响因素，所测得数据难免存在误差。

4 高速摄影仪对爆破效果的分析

高速摄影仪是现代经济和国防科研中重要的瞬态成像设备[7],能直观记录各种超高速运动变化过程中的瞬时变化，如爆破飞石和爆破瞬间爆堆的抛掷方向等。

由于爆破时接触测试成本太高，借助高速摄影可以测出不同时刻爆破的瞬间变化。高速摄影具有局限性，频率太高会影响拍摄的时间，所以设置图像频率为500幅/s,图片分辨率为1 280×640像素。拍摄位置在本次爆破的上一个台阶距离爆破区域约180 m。拍摄的爆破瞬间见图6。

图6 爆破瞬间

对于高速摄影仪拍摄的图片，通过使用相应的ProAnalyst图像处理软件进行分析：

(1)此次爆破过程中，有2个预裂炮孔发生了穿爆，比较明显，在图像回放过程中没有大块飞石，爆堆形状、前冲距离都能满足爆破效果的要求。

(2)通过将拍摄的图像进行处理得出爆破烈度柱状图(图7)。可以看出，随着爆破进行，烈度慢慢增大，达到一定烈度后减小，前期变化速度快，后期变化速度慢，在爆破过程中峰值一直在变化。

图7 爆破烈度柱状图

(3)测得的爆破图像是由爆破过程中的多幅图片叠加得到的，该图片可以定位到任意时刻，查看不同时刻的爆破效果。

5 结 语

(1)在爆破测震过程中，传感器的固定、外界震源的干扰、传播介质(土层、岩石、裂隙、断层等增加了岩体的阻尼比)对地震波的传播影响很大。

(2)爆破振动监测数据分析表明，在距爆心同一距离的不同位置，地震波的波形差别很大，应充分考虑地质条件、外界因素的影响，必要时应将波速的合成量作为衡量被保护对象的标准,且充分考虑时间累积的影响。

(3)高速摄影仪很好地记录瞬时爆破过程，通过对图片进行处理，可以得出诸如爆堆形态、飞石瞬时速度等物理量，能直观有效地提供爆破效果依据。

[1] 王晓帆.复杂条件下多种控制爆破技术的综合应用[J].爆破，2014,31(2)：150-151.

[2] 刘殿书．中国爆破新技术Ⅱ[M]．北京：冶金工业出版社，2008.

[3] 张宝才,法立滕,马 宁，等.大孤山铁矿边坡爆破损伤分区研究[J].中国安全生产科学技术,2012,8(6):53-57.

[4] 刘 云.大孤山铁矿矿床地质特征分析[J].矿业工程，2010,8(2)：7-8.

[5] 王有凯,肖祯雁.858矿的爆破振动对相邻巷道的影响[J].工程爆破，2012,18(3):54-56.

[6] 张 挺.爆炸冲击波测试技术[M].北京:国防工业出版社，2006.

[7] 李景镇，孙凤山，龚向东，等.S-150型等待式超高速分幅摄影仪[C]//第25届高速摄影与光学国际会议论文集．博恩(法国)：国际光学工程学会，2003：336-341．

*国家自然科学基金项目(编号：51474123)。

2014-12-15)

潘鹏飞(1969—)，男，高级工程师，114000 辽宁省鞍山市。