考虑高程放大效应的永久减震孔降震研究①

李吉杨芙， 刘敬智， 孙 琰， 李银忠

(万宝矿产有限公司,北京100053)

在露天矿生产过程中,由于爆破理论的不成熟和作业环境的复杂性,矿山爆破震动对周围建(构)筑物造成破坏的灾害性事故时有发生［1-2］。 随着爆破规模扩大,由此引起的爆破震动效应可能导致附近建筑物出现裂纹甚至损毁,造成经济损失,阻滞生产进度,因而受到社会和政府的普遍关注。 目前,各种主动降震方法以及部分被动降震方法正被积极运用于生产实践中［3-6］。 在露天矿山中,随着开采台阶不断下降,爆破设计当中的理论计算公式因高程放大效应的影响不再适用［7］,但是目前大多数实际工程并未考虑高程影响［8-10］。 本文以缅甸Letpaduang 铜矿北部寺庙为监测点,在考虑高程因素的影响下,通过对寺庙附近爆破振速监测得到地震波强度理论计算公式以研究不同排数减震孔的降震作用和减震孔后不同位置的降震效果,并根据减震孔的降震成效和寺庙处爆破震动振速限值,重新划分爆破震动控制区以及探索减震孔受高程影响的长期降震作用。 此举对有效保障周边设施安全、保证正常生产、减少财产损耗、提高矿山经济效益和稳定当地社会情绪具有十分重要的现实意义。

1 工程概述

Letpaduang 矿座落于缅甸实皆省蒙育瓦镇,属于斑岩型铜矿经过风化淋滤及次生富集作用后形成的高硫化型铜矿床。 在Letpaduang 矿区北部有一座佛教寺庙,被列为重点保护对象。

根据爆破安全规程,寺庙处爆破震动振速限值为5 mm/s。 然而随着采坑深度不断下降,爆破振动高程放大效应逐渐显现。 在随机测试中,寺庙附近爆破震动振速多次逼近5 mm/s。 目前,佛塔周围爆破震动危害对矿山生产造成一定程度制约,已成为矿区亟待解决的问题。

2 减震机理

2.1 震动波传播机理

当炸药在岩石介质中爆破时,其爆破能量向外传播引起地面震动的弹性波称为地震波。 虽然地震波的总体能量仅占到炸药爆炸释放能量时的2%～6%［6］,但当其整体强度超过某一临界值时,将会使得地表建(构)筑物出现不同程度的损毁。 根据现场工程经验及相关文章描述,爆破震感在其他条件相同的情况下会随着监测点距离爆破源的高程增大而愈发明显,因此爆破地震效应不仅应考虑水平传播影响还应研究高程因素。

2.2 Letpaduang 铜矿现有减震措施

Letpaduang 铜矿现阶段主要利用参数调整、微差控制等主动手段对爆破震动进行消减,整体效果较好。然而随着采区的逐年加深,当前所采用方法的效果逐渐降低。 为了控制寺庙处爆破震动,结合现场实际情况,决定采用施工永久减震孔的被动降震方式以保障寺庙的安全稳固。

2.3 减震孔降震原理

在爆破点与被保护建(构)筑物之间设置深度超过被保护对象地基深度的减震孔将改变岩体的密度,当地震波传播至减震孔处时,将因介质特性(波阻抗特性ρc)变化发生反射和折射,其能量被泄放减弱,达到控制标准,从而保护建(构)筑物。 其传播路径见图1。

图1 地震波通过减震孔时的传播路径

由于空气不传播弹性波,因此不填充任何介质的空孔相比填充其他介质的减震孔更能在一定程度上加速削弱地震波的传播,减小爆破震动。 同时,空气填充的减震孔施工容易、快捷方便。 因此,本文进行的减震孔试验采用空气介质进行填充。

3 减震孔试验方案

3.1 减震孔布设

矿区北部寺庙基座尺寸51.4 m × 58 m,距围挡最近距离为18.9 m,距围挡内道路最近距离为22.5 m。在道路南侧存在树木、杂草,地势海拔不一、覆土层较厚,且距其5.2 m 处有一水文观测点,观测点东南角5 m处有一条排水沟,与道路方向基本平行。 同时,钻机作业时距围挡安全距离至少3 m。 因此,对道路进行拓宽改造,将减震孔钻孔位置设置于道路路面上。 结合减震作用范围和寺庙宽度,选定寺庙宽度对应两侧向外各自延伸20 m 作为钻孔区域,计算得到减震孔最终钻孔区域总长度94 m,左右两端分别对应寺庙基座张角26°和39°,如图2 所示。

依现场钻机设备情况,钻垂直孔,孔径250 mm。为发挥减震孔最大降震作用,应尽可能加大孔深,但为了方便制作套管,采取统一孔深,钻机目前最大钻孔深度19.5 m,考虑提杆后落灰,孔深统一为18.5 m。 根据钻机施工范围,减震孔孔网参数设计见图3,2 m ×2 m,3 排,三角形布孔,后排与前排孔在水平方向上错开0.66 m,合计钻孔数目144 个。

图2 减震孔钻孔范围示意及测点布置

图3 减震孔布孔设计

为保证降震效果,需防止孔内充水,在孔内放置具有一定强度的HDPE 橡胶管,该管两端封闭,管长19.5 m,外径200 mm,管壁15 mm,内径170 mm。 露出孔口1 m,出露段设置数个透气小孔,如图4 所示。

图4 HDPE 管放置示意图

3.2 振动监测设计

此次试验采用TC-4850 爆破测振仪进行监测,该设备属于一体化三维传感器,采样频率为1 ～50 kHz,16 位A/D,量化精度1/65 536。 当振动信号传递至三矢量传感器时,可用4850 爆测仪进行现场预览,随后可将数据输入电脑,通过数据值软件分析得到监测评估报告。 工作原理见图5。

图5 TC-4850 工作原理

本次试验在寺庙周围共放置6 台设备,分别位于减震孔排的中垂线上距第1 排减震孔前侧2 m(A点)、第3 排减震孔后侧2 m(B 点)、25 m(C 点)、70 m(D 点),C 点左、右两侧30 m(E、F 点)(如图2 所示)。每一排减震孔施工完成后,进行12 次爆破振动测试,共获得288 组波形数据。

4 考虑高程放大效应的降震效果分析

4.1 高程放大效应对爆破震动的影响

地震波强度理论计算通常采用萨道夫斯基的经验公式:

式中v 为爆破振动速率；K 和α 为与平整地形、地质条件、爆破方法以及装药结构等因素有关的场地系数和衰减指数；Q 和R 分别为最大单响药量和测点距炮区的距离。 通过在Letpaduang 矿长期爆破测振,发现使用式(1)进行回归计算得到的振速值与实测值存在较大差异。 记录距离相近、炸药量相当的爆破振动速率,如表1 所示,其中矢量合成速率均为A 点测振结果。

表1 高程对爆破震动的放大效应

将编号5 和27、11 和14、20 和35 数据进行两两对比,不难发现,随着高程增加,振动速率也随之增加,说明高程对爆破震动确实存在放大效应。 再将编号11 和20、14 和35 数据进行两两对比,可以看到,当距离、高差和药量相互作用时,有可能使得爆破振动速率不发生改变。 因此,当距离和高差无法改变时,调节单孔最大爆破药量对于降低振动速率显得至关重要。

4.2 不同减震孔排数的降震成效研究

为使地震波强度理论计算更加符合实际,现采用考虑高程放大效应的拓展式。 前人已对萨道夫斯基的变形式提出过各种形式的表达,但是多数并未将R 和岩性等因素对爆破质点距测点的高程差H 的影响纳入其中。 为减小误差,本文采用如下公式进行计算:

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式中K′为与边坡等凸形地貌有关的作用系数；β 为高差作用指数。

将式(2)两边同时取对数,得:

由于Q、R、H 均为已知数,因此可将式(3)函数化为:

为更好地显示减震孔对寺庙的保护作用,将C 点测振得到的数据进行多元线性回归分析,得到无减震孔、1 排减震孔、2 排减震孔以及3 排减震孔时爆破地震波速率的拟合计算公式,具体见表2。

表2 振动速率衰减拟合公式

通过对比表2 中各个公式不难发现,平地系数K与凸形地貌系数K′的乘积、衰减指数α 和高差作用指数β 随减震孔排数的变化趋势为:随着减震孔从0 排到1 排、1 排到2 排、2 排到3 排,衰减乘积系数KK′逐步减小,而α 和β 变化并不明显。 KK′对比变化趋势见表3。 从表3 可以看出,减震孔从无到1、2、3 排减震孔,降震效果逐渐弱化。

表3 衰减乘积系数KK′对比变化趋势

将有无减震孔时的最大振动速率按式(5)进行平均,并对比不同排间的变化百分比,得到减震率λ 如表4 所示。

式中v0n为第n 次爆破无减震孔时的最大振速；vn为第n 次爆破减震孔后的最大振速。 由于爆破点与测点的距离是测点相互之间距离的几十倍,可近似将A、B 两点视为同一点,因而v0n取A 点振速,vn取B 点振速。

表4 减震率变化趋势

虽然减震孔排数越多总降震效果越明显,但是单排减震孔的增加并未使得该效果得到显著提升,而是逐步趋缓。 因此,减震孔排数无需施工过多,只要能使被保护物处于安全范围即可。

4.3 寺庙附近不同监测点的降震成效

选取C、D、E、F 点进行对比,将3 排减震孔后各点地震波强度计算式列入表5 中。 纵观拟合公式,除衰减乘积因子KK′有所变化外,另外两个指数均无变化。由于目前某些炮区位置处于寺庙南稍偏东方向,因而地震波有时候会最先达到F 点,其次是C 点和E 点,最后是D 点。 因此在4 点当中,最东侧的F 点衰减乘子比C 点增大了0.31%,最西侧E 点的衰减乘子比C点减小了0.64%,最北侧D 点的衰减乘子比C 点减小了1.47%。 尽管公式当中系数变化较小,但上述比较表明爆破地震波的传播方位对于减震孔后的地震波振速计算存在着影响,所以若能将方位角归入理论计算式中将使得表达式更加精确。 不过,随着采坑逐渐南移,边帮逐渐拓展,寺庙与矿坑之间的距离逐年拉大,寺庙范围占整个矿区面积的比例逐年减小,4 个测点的变化将逐渐缩小,所以本文中永久减震孔对于保护寺庙来说受到爆破方位的影响可以忽略不计。

表5 寺庙附近各测点拟合公式

4.4 永久减震孔的长期降震效果分析

Letpaduang 铜矿圈定的终了境界台阶高度15 m,终了阶段坡面角65°,最终边坡角45°,安全/清扫平台宽度8 m/8 m/20 m(安全-安全-清扫),露天采场上口尺寸2 700 m × 1 900 m,下口尺寸600 m × 120 m,露采最高开采标高315 m,露采坑底标高-345 m。 矿区北部最高开采标高85 m,寺庙标高75 m,离终了边界最近距离266 m。 Letpaduang 铜矿台阶采用深孔台阶一次爆破成型,连续装药的爆破方案,高程H 以15 m为公差发生变化；同一台阶处R 越小,爆破震动越剧烈,而终了边界是离寺庙最近的矿区位置,因此将最终境界模型导入3DMine 软件中,测量寺庙附近C 点距离矿坑终了边界各台阶的最近距离及高程,设定v ＝0.5 cm/s,得到各台阶单孔最大允许爆破装药量如图6所示。

图6 最危险区域单孔最大允许装药量

总体来说,药量Q 随R 和H 呈现出先减小后增大的趋势,中间略有波动。 终了境界与寺庙贴近处R 变化较小(R ＝288～346 m,H＝15～75 m),此时H 对Q 的影响占主导地位,随着高程增大,能够填装的药量逐渐减小,最小值350.77 kg 出现在与寺庙存在75 m 高差的00 m 水平,二者之间距离为346 m；第2、3 小值分别为361.71 kg 和366.23 kg,各自处于30 m 和15 m 台阶。 自-15 m 台阶开始往下,高程差值从90 m 增至420 m,爆心距从387 m 增至998 m,此时R 对Q 的影响凸显更加重要的作用,随着距离增大,单孔最大允许装药量从469.92 kg 增至5 627.82 kg。 根据现场实际生产经验,通常单孔最大装药量在400 ～600 kg,所以在上部平台爆破过程中,应严格控制装药量,同时可配合预裂爆破进一步降低爆破震动。

5 结 论

1) 随着采坑加深,高程对爆破震动的放大效应明显,在振速计算中不仅需要考虑药量和距离,高差也要纳入计算公式当中。

2) 减震孔排数越多,总体降震效果越好,但降震效果会随着减震孔排数增加而逐渐弱化。

3) 从经济效益考虑,减震孔无需施工过多排数,只要能够满足所需保护建(构)筑物震动控制要求即可。

4) 减震孔后不同测点位置振速受爆破方位影响而有所不同,然而随着开采区域远离及扩大,其影响逐年减弱。

5) 高程放大效应与距离的远近对单孔最大允许装药量产生交替影响,使得药量呈现先减小后增大的变化趋势,因而合理探究最危险区域并进行控制对于提高矿山经济效益和社会效益至关重要。