深埋巷道开挖爆破中围岩振动响应特征的监测研究

刘博文，周志伟，胡军生，严 鹏

(1. 武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2. 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，湖北 武汉 430072；3. 鞍山五矿陈台沟矿业有限公司，辽宁 鞍山 114051)

随着我国经济的迅速发展，对大自然的改造不断深入，众多行业都将目光转向了地下。深埋地下隧洞越来越多的出现在水电工程、交通建设、矿山开采等工程领域中，其规模也越来越大。钻爆法作为使用最为广泛的开挖方法，在地下工程中也被广泛运用，相应的，地下工程的爆破振动控制和围岩的振动响应特征也受到大量研究[1-2]。

孙金山[3]研究了爆炸应力波对邻近圆形隧道的动力扰动，认为质点振动速度最大的位置并非动应力集中系数最大的位置；王新宇[4]等分析了隧道爆破施工对其相邻的隧道围岩的影响，发现相邻隧道迎爆面测点竖向振动速度较大；Song[5]等通过模型试验研究了水平小间距隧道爆破施工对邻洞的影响，发现后洞开挖对夹层岩体有一定影响；石洪超[6]等研究了并行小净距隧道后续洞爆破产生的振动效应，认为先行洞迎爆侧边墙上的最大振动速度出现在后续洞爆破掌子面的侧后方。

本文基于深埋巷道的现场实测开挖爆破振动数据，对围岩内部和表面质点振动速度的影响因素进行研究，为深埋巷道的振动安全控制提供参考。

1 工程背景

陈台沟特大型铁矿床位于辽宁省鞍山市千山区千山镇陈台沟村，距鞍山市区约11 km；大地构造位置位于中朝准地台(Ⅰ级)胶辽台隆(Ⅱ级)太子河-浑江台陷(Ⅲ级)辽阳-本溪凹陷(Ⅵ级)的南缘，估算范围面积约1.16 km2，最高标高-440 m，最低标高-1 620 m，矿体最小埋深490 m，最大埋深1 658 m，全区铁矿石总资源量约12.28亿t，平均品位TFe 34.84%，mFe 27.86% ，属于“鞍山式”沉积变质型铁矿床，为国内特大型黑色地下深井矿山之一。其中贯穿全区，规模较大的主矿体资源量占全矿床资源总量的92.72%。受古地壳剥蚀，矿体赋存标高呈舒缓波状，最高标高为-650 m，最低为-993 m。各矿体呈层状～厚层状赋存于太古界鞍山群樱桃园岩组绿泥石英片岩中，其产状与围岩一致。矿体厚度变化简单-中等，总体走向北西330°左右，倾向北东，倾角68°～ 75°。

陈台沟铁矿床埋藏较深(-440 m～-1 620 m)，矿体厚大(34 m～223 m)，位于调军台选矿厂和胡家庙选矿厂之间，地表为村庄和农田，上盘侧有齐大山铁矿露天采场，属典型深部难采金属矿床。

本次监测的巷道段为-1 082 m高程大件道转弯段，其平面示意图如图1所示。由于深部开采是在围岩高应力、强卸荷条件下开采，极易诱发岩爆等矿山动力灾害。因此，开展深埋巷道的爆破监测及围岩振动响应研究对保证深部矿床的高效安全开采具有重要意义。

图1 巷道开挖爆破振动监测段平面示意图

2 监测方案

出于对巷道转弯特殊地形的考虑，为了尽可能测得高质量的直达波，本次爆破监测在转弯段前部岩体内测埋设了两个振动测点，结合地面布置的两个振动测点，一共布置4个爆破振动测点，如图2所示。岩体内部1号测点钻孔深度为5 m，下倾角15°，岩体内部2号测点钻孔深度为3 m，下倾角30°，1号测点和2号测点的水平距离为5 m，2号测点测孔所在位置为巷道转弯的起点处。3号测点和4号测点水平距离为5 m，4号测点距巷道转弯起点处15 m。

图2 爆破测点布置图

本次现场检测所使用的监测方案由报爆破振动信号拾取系统、爆破振动信号记录和储存系统以及爆破振动信号分析处理系统三个部分组成。其中，爆破振动信号的拾取、记录和储存采用成都泰测科技有限公司生产的Blast-Cloud型爆破测振仪和其配套的三向振动速度传感器，振速量程0.001～35 cm/s，频响范围5～500 Hz；爆破振动信号分析处理使用为其定制的Blast-Cloud Data View软件。测点现场安装情况如图3所示。

图3 振动测试传感器安装现场照片

3 监测结果

4个测点各监测到6次爆破开挖振动信号，三个方向的典型爆破振动信号如图4所示。从振动波形来看，爆破信号分段明显，各段爆破之间分离清晰，波形稳定，三个方向测得爆破振动信号峰值位置基本一致，对应度高，说明此次爆破监测较为成功，所测信号能较好反映测点的真实爆破振动情况。

图4 典型爆破振动信号图

统计各测点水平径向、水平轴向和竖直向三个方向上的最大振动速度如图5～图8所示。

图5 1号测点监测结果图

可以看出，各个测点处岩体的振动速度最大方向均在水平轴向，水平径向和垂直向最大振动速度大小相近，基本处于同一水平。且均在爆破安全规程的要求范围之内[7]。其中，1号测点和3号测点轴向振动速度的最大值出现在第三次测试过程，2号测点和4号测点轴向振动速度的最大值出现在第二次测试过程，这也体现出巷道转弯的影响。随着巷道开挖的向前推进，测点距掌子面的距离增加，爆破振动传播距离增加，爆破振动信号峰值速度本应降低，但是由于巷道转弯，垂直开挖面方向，也就是爆炸荷载直接作用的方向，与测点的水平轴向监测通道(即为传感器的Y通道)方向的夹角变小，因此该方向上测得的振动速度反而出现增大。1号测点相比2号测点深入岩体内部的程度更深，巷道转弯对其Y方向振动速度的增益更大，因此在第一次测试时1号测点和2号测点的Y方向PPV基本相等，都在5 cm/s上下，随着巷道转弯段的推进，2号测点在第二次测试时PPV达到最大，之后随着爆破掌子面的向前推进PPV逐渐降低；而1号测点处PPV则在第二次测试后继续增加，到第三次测试时达到最高，然后才随着掌子面的向前推进逐渐降低，体现出爆心距增加的影响。

图6 2号测点监测结果图

图7 3号测点监测结果图

图8 4号测点监测结果图

岩体表面3号和4号测点也表现出相似的规律。3号测点距开挖面的距离较4号测点要略远一些，在前两次测试的结果中，由于巷道转弯角度还不大，空间位置关系对振动速度的影响还不明显，3号测点PPV要小于4号测点。第三次测试之后，巷道转弯达到一定角度，空间位置关系对振动速度的影响开始体现出来，在后四次的测量结果中，3号测点PPV均大于4号测点。

4 结 语

通过对陈台沟铁矿深埋巷道转弯段爆破开挖振动的监测和围岩振动响应分析，可以得出以下结论：

1)根据监测结果，各测点监测到的爆破振动速度峰值大小均在爆破安全规程所规定的矿山巷道的安全允许质点振动速度范围之内，满足规范要求，爆破振动不会危害巷道结构的安全。

2)岩体质点的爆破振动速度峰值大小除了与爆破开挖面的距离有关之外还与质点位置和开挖面的空间位置关系有关。距开挖面较远地点在与开挖面成较大角度的情况下其振动速度峰值大小可能超过距开挖面较近但与开挖面成较小角度位置的质点。这可能是由于开挖面上地应力的卸荷作用导致与开挖面成较大角度的方向相对于与开挖面成较小角度的方向而言振动信号里包含了较多的由地应力卸荷诱发的振动，因此表现为PPV的相对较大。

3)在考虑深埋地下工程爆破振动控制时，除了分析炸药爆炸产生的振动外，还应把地下空间结构和环境地应力水平等因素也纳入考虑之中。