金属矿山回采作业中爆破振动控制方案研究

张立中，赵海波，宋长波

（1.河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院，河南 郑州 450001；2.三门峡市公安局，河南 三门峡 472000）

爆破是金属矿山矿产资源开采过程中的主要环节之一，在爆破工程中若操作不合理会造成剧烈的振动产生，而爆破振动又是导致矿山岩体损伤以及地质灾害问题发生的主要因素，尤其是对于已经存在破碎问题的岩体而言，爆破振动通常会造成巷道片帮结构和顶板结构出现坍塌的问题，对金属矿山开采中的回采作业造成严重的安全威胁[1]。因此，在金属矿山回采作业施工初期以及整个施工的过程中，需要对爆破振动进行实时监测，并根据爆破振动程度选择合适的控制方案，从而避免出现上述严重的安全事故问题。基于此，相关领域的研究人员对此开展了深入地研究。在当前阶段，金属矿山回采作业中广泛采用减振孔结构、减振带结构等用以缓解爆破产生的振动。但在进行地下施工作业过程中，最大的问题在于如何解决施工中存在的影响爆破振动幅度增加的隐蔽性因素。基于此，本文开展金属矿山回采作业中爆破振动控制方案研究。

1 金属矿山回采作业中爆破振动控制方案设计

1.1 引入空气间隔装药技术

为了实现在金属矿山回采作业中，对爆破振动现象的有效控制，本章引进空气间隔装药技术，通过对装药过程的间隔处理，达到一种对爆破过程中振动初步控制的目的。在此过程中，应明确用于装药的炮孔是直接影响炸药能量及其爆炸后爆破效果的结构，同时，结构中的边孔结构，还会在一定程度上对周边矿房与采场矿场填充结构的稳定性造成干预[2]。为了确保对爆炸范围的有效控制，并降低由于爆破行为导致的采矿体坍塌现象发生概率，应当及时采取有效的措施，进行装药。

使用本章引进的技术进行装药，可以降低初始化爆炸行为发生时的脉冲压力、减少在发生爆炸行为时压碎区域的能量损失问题，并在一定程度上提高能量在待爆破区域的延伸范围，从而达到一种优化爆破效果的目的。其中空气间隔装药技术在实际应用中的结构，可用下述图1表示。

图1 空气间隔装药结构

在上述图1中，在结构上增设一个边孔可以降低由于爆炸行为引发的应力波，避免在爆炸中出现邻近结构体受损的问题。同时，结构中的侧崩后排孔可以起到适当延长爆炸时间的作用，当爆生气体出现膨胀现象时，现场爆破人员应当及时撤退[3]。而此时延长的时间便是为现场作业人员预留的后撤时间，当炸药能量在气孔内积累短暂时间后，会积蓄大量的能量，当其积蓄能量释放后，采矿场的矿体便可以被完全破碎，确保能量利用率的同时，减少矿体在爆破过程中出现大块体矿体。

1.2 爆破作业装药结构优化

在完成装药技术的研究后，应及时对爆破作业装药结构进行优化处理，此次研究可从边帮与填充区域进行控制，为了避免大直径爆破对矿体填充区域造成影响，可进行爆破结构的贫化率计算，综合多次统计与计算结果可知。

公式（1）中：A表示为贫化率；λ表示为地质品位；β表示为围岩品位。按照上述计算公式，进行贫化率A的多次计算，达到当A=0.4时，炸药的爆破效果最优，在此种条件下，不仅爆破后的矿体块结构较为均匀，同时也不会出现填充体失稳或垮塌现象。为了进一步确定爆破作业装药结构参数，将当前爆破作业当中常见的物种边孔装药结构作为基础，利用LSDYNA3D对五种不同边孔装药结构的爆破进行模拟分析。通过对各个装药结构的节点振动速度峰值的最大值进行记录，以此作为反映各个装药结构爆破最大破坏效应的指标。通过模拟分析得出，爆破作业装药最优结构应为以一条药卷为基础，额外增加0.5m竹筒结构。除此之外，最差的装药结构为两条药卷结构为基础，增加1m河砂的结构。在实际进行爆破作业的过程中，针对装药量均相同的装药结构，其炸药应当在炮孔长度方向上以均匀分布的方式布置。同时，根据爆破震动的速度峰值越小，则爆破产生的破坏效应越小的原理可知，通过对爆破震动的速度峰值进行控制可以有效降低爆破产生的破坏效应，同时爆破振动的速度也会随之降低。针对部分具备良好作业条件的金属矿山回采作业而言，还可采用空气间隔装药的方式作为爆破作业装药结构。在实际实施过程中，这种装药结构保证爆破振动速度峰值始终低于相同药量下河砂间隔的装药结构。同时，这种爆破作业装药结构能够实现装药能量分布更加均匀，以此更好地实现对爆破振动的控制。

1.3 逐孔逐层精确起爆

在进行爆破作业时，还可引入逐孔逐层精确起爆技术，结合高精度的毫秒导爆管雷管装置，在每一个需要进行爆破的炮孔上按照一定的时间和空间顺序安装一个毫秒导爆管雷管装置并起爆。通过人工方式，为每层炸药放置位置提供充足的自由面，以此达到减小爆破振动和降低爆破过程中破碎强度的目的。根据以往的爆破作业经验可知，空间和炮孔内的连续延期时间上增加的动态自由面能够有效提高炸药在爆炸过程中的能量利用率，以此达到改善爆破效果，并实现对爆破振动控制的目的。

同时，在进行逐孔逐层精确起爆时，由于在起爆前在炸药的前方和侧方位置的炸药均已经发生爆炸，并且每层炸药都包含三个自由面。因此，通过上述方式能够大大降低爆破所需抛散的能量。对于爆破时各个孔间和排间的微差时间应当充分利用，大大提高岩石破碎后产生的抛散能量，以此增加岩石在空中的碰撞次数，从而在实现对爆破振动控制的同时，改善爆破块度。

2 应用效果分析

按照本文上述论述内容，针对金属矿山回采作业中爆破振动问题，提出了新的控制方案，为了验证该方案在真实金属矿山回采作业当中的应用效果。选择将某正在进行矿产资源开发作业的金属矿山作为依托，结合该金属矿山的具体作业环境，对其爆破作业中的振动进行控制。结合金属矿山回采作业的安全规程，在爆破时主振频率应当在45Hz～110Hz范围内，针对周围建筑物的稳定性需要，其安全振动速度不得超过2.45cm/s。将上述要求作为标准，在引入本文提出的振动控制方案后，对其爆破振动速度进行测量和计算。爆破振动速度的计算公式为：

公式（2）中，V表示为爆破振动速度；K表示为与地震波传播区域范围内介质性质及距离相关系数；Q表示为爆破作业过程中的最大单响装药量；R表示为爆破时产生的振动危机周围区域的半径。根据上述公式，计算得出爆破的振动速度，并将得出的结果与上述金属矿山回采作业安全规程要求的振动速度进行对比，将得出的应用实验结果记录如表1所示。

表1 控制方案应用效果记录表

从表1得出的结果可以看出，在本文振动控制方案下，各个测点在径向方向、垂直方向和切向方向的振动速度均未超过金属矿山回采作业安全规程规定的2.45cm/s，说明爆破振动均在安全范围内。因此，通过上述应用实验进一步证明，本文提出的爆破振动控制方案能够实现对爆破作业振动幅度和振动速度的有效控制，进一步提高金属矿山回采作业的安全性。

3 结语

通过本文上述论述，针对金属矿山回采作业中的爆破振动这一安全影响因素开展对其控制方案的设计研究。从三个方面提出一种全新的控制方案，并通过应用效果分析证明了该方案的可行性。由于当前金属矿山的地质条件在发生不断改变，因此爆破振动也会出现更多不同的变化特征，针对这一问题，在后续的研究中还将从多个方面对爆破振动进行综合分析，从而提出一种更符合金属矿山回采作业安全要求的控制方案。除此之外，除爆破振动以外，在爆破过程中产生的噪声也会在一定程度上影响到周围居民以及施工作业人员，因此针对爆破噪声问题的控制也是后续研究的主要方向。