新疆金宝铁矿露天爆破振动速度安全允许值研究

黄 磊 何 祥

(1.新疆金宝矿业有限责任公司，新疆 阿勒泰 836199；2.中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

爆破地震效应是一个比较复杂的问题，它受到多种因素的影响，如果爆破作业控制不当，爆破振动将给边坡安全带来隐患[1]。金宝铁矿日常台阶深孔爆破采用逐孔起爆爆破、靠帮爆破采用预裂爆破，采场周边具有一定的振感。矿山的岩体以新鲜岩石为主，南帮局部区域存在风化带，岩体普遍发育陡倾顺层节理和软弱夹层，研究爆破振动对边坡影响非常重要。

为保证矿山的正常生产，减少爆破振动对边坡的损伤破坏，对金宝铁矿露天开采爆破振动进行监测分析。首先，对金宝铁矿进行多次多爆破振动监测，采集有效爆破振动数据；其次，采用萨道夫斯基经验公式法和美国矿务局公式分别建立了爆破峰值振动速度预测模型；第三，基于回归的爆破峰值振动速度预测模型，依据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)和工程类比等手段，综合确定爆破振动速度安全允许值；最后，给出降低或控制爆破振动危害的具体建议。

造成爆破地震破坏的主要原因是面波的作用，因波的传播途径和延迟时间的不同，导致波群的相互干扰和重叠。因此，在实测得到的爆破地震波形图中，往往也不加区分。实践中将波形图的初始阶段称为初振相，中间振幅较大的一段称为主振相，后面一段称为余振相，见图1。表示质点振动的参量有位移、速度、加速度和频率[2]。

图1 爆破振动波形

1 金宝铁矿爆破振动测试

1.1 金宝铁矿爆破设计

金宝铁矿爆破作业采用深孔台阶爆破，采用高精度逐孔起爆网络，其中靠帮爆破采用预裂爆破。台阶高度12.0 m，台阶坡面角68°，穿孔作业采用潜孔钻机作业，梅花形布孔，边坡孔直径110 mm，主爆区炮孔直径140 mm或150 mm。主爆区爆坡台阶坡面角75°，台阶高度12.0 m。岩石爆破孔网参数6.5 m×5.5 m或5.5 m×4.5 m，矿石爆破孔网参数4.5 m×3.5 m。边坡预裂爆破孔孔距为1.2 m，其辅助孔孔网参数3.0 m×3.0 m。超深1.5～2.0 m，预裂孔药包直径32 mm，堵塞长度3.0 m，最小抵抗线5.0 m。生产爆破采用现场混装如花炸药，靠帮爆破采用如花炸药成品。生产爆破网络示意图，见图2。

图2 金宝铁矿爆破布孔示意图

1.2 爆破振动监测方法

爆破振动测试系统一般包括拾震器(速度传感器)、转换器、放大器、数据处理器、记录仪等设备,见图3。爆破振动测试采用NUBOX-8016型智能振动测试仪，可同时对爆破振动的X、Y和Z三个方向的振速进行测试。

图3 爆破振动测试系统示意图

根据爆破点的位置、测试点的布置原则以及现场条件，分别对北帮和南帮进行了测试。将测点布置在台阶的内侧或外侧，垂直于边坡走向方向，传感器的安放应保持传感器金属外壳底面处于水平，安装时需要将传感器的X方向对准爆心[3]。爆破前将爆破振动测试系统安装至监测点，戴爆破结束后取回设备采集监测数据进行下一步分析。

1.3 爆破振动测试结果

爆破振动监测的主要指标为质点振动速度和主振频率。本次测点布置在金宝铁矿的爆破水平质点振动速度分别在0.235～4.584 cm/s，振动主频分布在16.2 Hz左右；爆破垂直质点振动速度在0.222～2.956 cm/s，振动主频15.8 Hz左右；质点矢量和速度主要分布在0.259～5.025 cm/s，主频9.97 Hz。

长期以来萨道夫斯基公式在我国露天爆破峰值振动速度预测方面得到了广泛应用，对于一般矿山该式能较好的拟合爆破峰值振动速度预测/模型。但一些条件下，露天爆破采用美国矿务局的经验公式也可获得较好的拟合，为业界接受[2]，两者公式如下，公式(1)为萨道夫斯基公式，公式(2)为美国矿务局的经验公式。

(1)

(2)

式中：R—爆破振动安全允许距离，m ；Q—炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，kg；V—保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s；k，α—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，通过现场试验确定。

上述测试结果中，Q、R、V均为已知量，k、α值为待求取量，其取值需通过拟合方式确定。采用美国矿务局经验公式和萨道夫斯基公式，基于统计分析软件进行边坡爆破测振实测数据进行拟合，获取爆破峰值振动速度与比例药量之间的关系见图4、图5，得到边坡爆破振动峰值速度模型X，Y，Z与矢量和预测模型k、α值,见表1。

图4 美国矿务局经验公式拟合(取对爆破振动影响较大的k，α值)

图5 萨道夫斯基公式拟合(取对爆破振动影响较大的k，α值)

表1 金宝铁矿爆破峰值振动速度预测模型k、α值取值

萨道夫斯基公式拟合结果与经验值差异较大，这可能是由于矿区岩层呈陡倾顺层结构，层理、断层等软弱面较多，爆破震动波在传播过程发生反射，衰减较大造成。美国矿务局经验公式中药量对爆破震动影响要大于萨道夫斯基公式，因此拟合结果相关性较高，地形、地质条件系数和衰减系数《爆破安全规程》(GB6722-2014)中相关经验数值较为吻合，建议采用该公式。

2 爆破振动速度安全允许值

2.1 工程类比法

金宝铁矿北帮节理发育，岩石风化程度一般，除裂缝区外，边坡稳定性较好，岩体允许峰值质点振动速度可参考袁家村铁矿爆破振动速度安全允许值，取16.95 cm/s；金宝铁矿南帮上部受褶皱、断层和风化影响局部区域边坡稳定性较差，建议参考朱家包包铁矿爆破振动速度安全允许值，取8.00 cm/s，见表2。

表2 我国露天矿山岩质边坡爆破振动速度安全允许值

2.2 爆破安全规程法

《爆破安全规程》(GB6722-2014)中规定了保护对象为“永久性岩石高边坡”的安全允许质点振动速度，见表3。本次爆破振动测试测得的东北帮、西帮和南帮质点振动速度在X，Y，Z三个方向上主频分布范围为10～16 Hz。由表3可知，金宝铁矿边坡安全允许质点振动速度为8.0～12.0 cm/s。

表3 永久性岩石高边坡安全允许质点振动速度

综上所述，得到金宝铁矿边坡质点安全允许振动速度，见表4。

表4 爆破振动速度安全允许值 (cm·s-1)

3 靠帮爆破建议

目前金宝铁矿采用逐孔起爆和预裂爆破工艺减小对边坡损伤与扰动，依据本次边坡爆破振动测试与分析，对金宝铁矿的爆破提出以下降振措施的建议：

1)控制临近边坡生产爆破的最大同段药量。利用表1确定的金宝铁矿边坡爆破峰值振动速度预测模型和表4确定的金宝铁矿爆破振动速度安全允许值，计算临近边坡生产爆破的最大同段药量，进而指导爆破设计与施工。

2)金宝铁矿边坡结构面多为顺层陡倾结构面，爆破的主抛掷方向平行于边坡结构面倾向时，爆破效果不如爆破的主抛掷方向平行于最终边坡走向[4]。因此，合理地确定采场采剥顺序，尽可能调整靠近最终边坡时爆破的主抛掷方向，使其平行于最终边坡的走向，降低爆破振动对边坡的累积损伤程度。

3) 继续做好靠帮预裂爆破工作。根据相邻矿山成功经验[5]，靠帮爆破预裂孔采用间隔不耦合装药，预裂孔线装药米度平均0.7 kg/m，底部1.5 m加强装药1.8 kg/m；在软弱破碎带设置缓冲孔减小主爆孔的影响。

4 结语

1)对现场爆破振动数据采集、分析和采用经验公式回归得到金宝铁矿爆破质点峰值振动速度预测模型，采用美国矿务局经验公式对爆破振动拟合结果较为适合该矿特征。

2)分别通过工程类比、《爆破安全规程》(GB6722-2014)、临界质点振动速度计算得到金宝铁矿边坡质点安全允许振动速度，其中北帮为12.0 cm/s，南帮为8.0 cm/s。

3)利用该爆破峰值振动速度预测模型和爆破振动速度安全允许值，可反算临近边坡生产爆破的最大同段药量，进而指导爆破设计与施工。