某地下矿山大直径中深孔爆破振动衰减规律分析

王雨波 汪为平 刘海林

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室）

地下采矿采用大直径中深孔爆破，在很大程度上能提高安全和生产效率，同时节约采矿成本，目前已被具备条件的矿企广泛采用。鉴于地下中深孔爆破单段起爆药量大，爆破振动传播到地表表现为振速大，频率低，易造成矿区附近地表建（构）筑物的损坏。为减小地下爆破振动对地表的影响，往往需对爆破工艺进行优化调整。工艺优化调整之前，需对现爆破参数条件下的爆破振动进行监测分析，明确当前条件下的爆破振动传播规律。目前国内比较通用的是前苏联的M.A 萨道夫斯基公式［1］，分析现状地质条件下的场地系数K和爆破振动衰减系数α，得到爆破振动沿同一传播方向的衰减规律。根据现场监测数据发现，近爆心的场地系数K和衰减系数α均较远爆心大［2］，表明近爆心和远爆心的衰减规律是不同的［3］，场地系数K越大，表明相同条件下，爆破振速越大；而衰减系数α越大，表明相同条件下，爆破振动衰减越快。对此，通过对某矿大直径中深孔落矿爆破振动地表监测，分别从近爆心和远爆心分析其爆破振动衰减规律，可更好地指导矿企爆破减振作业。

1 工程概况及爆破振动监测数据

1.1 工程概况

某磁铁矿矿石赋于巨厚第四系盖层之下，第四系底部为薄层钙土、砾石层，结构松散，稳定性极差，第四系松散岩厚度为140～223 m。岩性主要为黏土。矿带岩组由各种黑云、二云片岩及磁铁矿层等组成，为坚硬岩，呈似层状，近南北向分布，倾向为西或北西西。一般倾角为45°左右，斜深达700 m 左右。岩石致密，裂隙不甚发育。地层及爆破监测布置见图1。

某矿落矿采用大直径中深孔爆破法施工，采用倒台阶后退式侧向崩矿方法爆破，每次爆破2排，前2排超前后2 排25 m 左右，倒台阶高度为25 m 左右，每排炮孔分2次爆破，第一次爆破25 m，第二次破顶，一次成孔，分段爆破。单次爆破段高25 m，爆破2排，采用逐孔起爆方式，一般主爆孔为8 个，设计单段药量为252 kg。实际装药根据孔眼位置以及矿岩情况略有增减。

1.2 爆破振动监测原始数据

在落矿过程中，针对同一方向后退式侧向大直径中深孔爆破崩矿进行了7次爆破振动地表监测，得到同一方向34个爆破振动数据。由于各测点最大单向振动速度均为垂向振动速度，在此，仅列出垂向速度（Z向）以及其相应的频率、爆心距离和单段药量，见表1。

2 爆破振动衰减规律分析

根据《爆破振动监测技术规范》（T/CSEB 0008—2019），将相同地形、地质及爆破条件下测得的最大单向爆破振动速度峰值、监测点距离、振动速度峰值时刻对应的单段爆破药量按萨道夫斯基公式（式（1））采用最小二乘法回归拟合［4］，求得场地系数K和衰减系数α。

式中，V为质点单向峰值振速，cm/s；K为与地质、爆破方法等因素有关的系数；α为与地质条件、地形有关的地震波衰减系数；R为测点与爆心之间的距离，m；Q为与最大单向爆破振速V值相对应的最大一段起爆药量，kg。

根据表1可知，所有测点最大单向爆破振动速度均为垂向振速，采用最小二乘法取垂向速度进行线性回归分析。一般回归分析步骤如下。

（1）对式（1）两边取对数，使之线性化，得到

（2）令y=lnV，，则式（2）变为y=αx+lnK，可分别求得该线性方程的斜率α和截距lnK。

（3）把求得的K和α代入式（1），便得到该方向的爆破振动衰减规律公式。

根据上述原理，对垂向振速进行线性回归，得到统一回归的爆破振动衰减规律，见式（3）。

线性拟合见图2。

为得到爆破振动衰减规律，常用的做法是通过实测数据回归出一个综合的衰减规律［5］。由于近爆心地震波波体成份复杂，相互干扰较大，用近爆心的监测数据回归，其场地系数K值和衰减系数α均较大；而在中、远区，地震波主要以表面波为主，波体成分相对简单，其场地系数K值和衰减系数α均较小。从回归结果发现，采用统一回归，场地系数K值为809.095 7，α值为1.760，均偏大，明显不能代表中、远爆区衰减规律。同时，参考《爆破安全规程》（GB 6722—2014）［6］，回归系数与规程中对于不同爆区岩性的K、α值也有较大出入，见表2。

因此，在前人研究基础上，按远爆心和近爆心监测数据分别进行统计回归。根据数据分布特点，以爆心距离地表监测点300～400 m 范围内的数据归为近爆心数据，以爆心距离地表监测点在400 m 以上的数据归为远爆心数据，分别得到远爆心和近爆心的爆破振动衰减规律，见式（4）和式（5），线性拟合图见图3和图4。

近爆心衰减规律：

远爆心衰减规律：

按统一线性回归，计算相关度为0.945，按远爆心和近爆心监测数据各自单独回归分析，近爆心数据计算相关度为0.938，远爆心的计算相关度为0.972，数据均具有较高的关联度，但是，二者相关度又存在明显的差别，说明按远爆心和近爆心分别回归分析，更符合实际爆破振动衰减规律。

3 振速预测分析

根据回归公式式（3）、式（4）和式（5），按同一单段起爆药量252 kg考虑，可得到不同爆心距下的爆破预测振动速度，见表3。

从表3可以得出如下结论：

（1）通过实际监测振速与预测对比，可以看出（图5），采用远爆心和近爆心数据分别回归分析，其预测值与实际监测数据的偏差更小，衰减趋势更加贴合。

（2）采用近爆心传播规律用于振速预测时，比统一回归预测振速大，衰减快；采用远爆心预测振速时，比统一回归预测振速小，衰减慢。在实际生产中，可根据远、近爆心不同的衰减规律运用于不同的生产矿房，避免因近爆区预测振速比实际小而损坏建筑（尤其土坯类），或在远爆区因预测振速比实际大，生产中降低起爆药量，影响生产效能。

（3）振速预测数据在远爆心和近爆心分界线附近出现了一定的不连续性，分析原因，主要为近爆心一侧第四系覆盖层相对较厚，而远爆心一侧第四系覆盖层相对较薄，地震波在传播过程中遇不同介质折射与反射造成。

4 结论

通过对远爆心和近爆心数据分别回归拟合，其结果更符合实际爆破振动传播规律。采用近爆心衰减规律用于振速预测时，比统一回归预测振速大，衰减快；采用远爆心预测振速时，比统一回归预测振速小，衰减慢。在实际生产中，可根据远、近爆心不同的衰减规律运用于不同的生产矿房，避免因近爆区预测振速比实际小而损坏地表建筑（尤其土坯类），或在远爆区因预测振速比实际大，生产中降低起爆药量，影响生产效能。