露天煤矿超高台阶抛掷爆破振动效应评价

杨茂森，陈永祥，郝润华

(1.内蒙古自治区公安厅，呼和浩特 010051；2.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京100083；3.国家能源集团准能集团有限责任公司，鄂尔多斯 准格尔旗 010300；4.鄂尔多斯市公安局，鄂尔多斯 017010)

我国是能源消耗大国，矿石资源丰富，但开发储存量有限。露天矿开采具有生产规模大、开采效率髙、成本低等优点，在我国的矿石资源开采中占据主要地位。目前露天矿开采主要采用爆破技术，相关研究表明：由于露天矿开采爆破药量一般较大，引发的爆破振动效应较为显著，容易对周围建(构)筑物的稳定性造成不利影响[1-7]。因此，开展露天矿爆破作用下临近建(构)筑物的爆破振动效应分析与评估研究，对于保证施工安全十分重要[8-10]。

近年来，关于露天矿爆破振动效应分析与评估，相关学者开展了大量研究。孙豁然等结合现场爆破振动监测数据，通过分析露天矿爆破地震强度、地震频谱以及振动持续时间的特点，对露天矿爆破临近建(构)筑物的安全性进行了评估[11]。郝全明等通过研究露天矿边帮最大振动速度、爆心距以及最大单段药量的关系,提出了露天矿近帮爆破振动控制最大单段药量[12]。王莉莉通过爆破振动监测结果发现，采用萨道夫斯基公式可较准确地对露天矿爆破振动速度衰减规律进行预测[13]。付晓强等针对露天矿爆破开采实际工程，在对现场爆破振动信号分析的基础上，研究分析了不同地形条件下的爆破振动信号传播规律和衰减特性[14]。费志超采用应用层次分析法等对露天矿爆破震动危害效应进行分析比较，得到了孔网参数、爆破药量等因素对爆破振动的影响大小，提出了爆破振动安全控制的建议[15]。综上所述，以往研究大多针对一般露天矿爆破作用下振动信号的传播以及衰减特征进行研究分析，对于台阶高达50 m的超深孔抛掷大爆破产生的爆破振动特点及其振动效应的研究还较少涉及。

由于高台阶抛掷爆破炮孔超深、单次规模大、持续时间长，爆破振动对周边环境造成的影响与一般爆破相比会更大。为此，结合我国特大露天煤矿国家能源集团准能集团黑岱沟露天煤矿超高台阶抛掷大爆破生产实际，通过现场爆破振动监测与分析，对露天矿爆破作用下临近建(构)筑物爆破振动效应进行研究，并结合相关规范从爆破振动强度、振动频率两方面对建(构)筑物爆破振动安全性进行评估，具有重要的应用与参考价值。

1 工程背景

准能黑岱沟露天矿位于内蒙古准格尔煤田南部，煤层上覆盖岩层是沉积岩，主要岩石品种有：细(粉)砂岩、中砂岩、粗砂岩、砂页岩、泥(页)岩和高岭土，具体岩性见表1，基本呈缓倾斜层状分布。抛掷爆破区基本上不赋存细(粉)砂岩等较硬岩石，一般不存在抛掷爆破存在大块、根底等爆破质量问题。

表 1 黑岱沟露天煤矿岩石种类Table 1 Rock types of Heidaigou open-pit mine

采用高台阶抛掷爆破技术进行剥离，一般台阶高度在50 m左右。结合黑岱沟露天矿一次典型的抛掷大爆破(爆破编号：18北2次抛掷爆破)工程实际及其周边环境特点展开讨论。

18北2次抛掷爆区位于1095～1130水平北部，爆区长度为500 m，宽度为85 m，台阶高度为42～46 m，爆区位置见图1所示。爆破采用数码雷管孔内延时起爆方式，炮孔深度为46～51 m，总开挖量为1 721 411 m3。

18北2次爆破时，临近爆区周边存在新建涵洞、破碎站以及信号塔等构筑物，为评价爆破振动是否对这些设施造成破坏影响，爆破过程中在上述构筑物地面分别布置了6个测点进行了爆破振动监测，周边环境及测点布置见图2。

图 1 爆区位置实际拍摄照片Fig.1 Site photos of blasting area

本次爆破总炮孔数量为685个，其中493个抛掷爆破孔、192个预裂爆破孔，总装药量为1304 t，最大单段药量为8.99 t。抛掷爆破孔分为12排布置，炮孔间距为12 m，排距为6～7 m。预裂孔包括161个后排预裂孔以及31个北端预裂孔，先于主抛渣孔起爆，炮孔间距为3 m。爆破炮孔布置如图3所示，主要爆破参数见表2。

图 2 爆区周边环境及测点布置示意图(单位：m)Fig.2 Layout of surrounding environment and measuring points of blasting area(unit:m)

图 3 黑岱沟露天矿18北2次爆区炮孔布置平面示意图Fig.3 Blastholes layout of No.18 North 2nd blasting area in Heidaigou open pit mine

表 2 黑岱沟露天矿18北2次爆区主要爆破参数

2 爆破振动监测与分析

2.1 现场爆破振动监测

为分析此次爆破振动对爆区临近建(构)筑物的影响，爆破过程中进行了现场爆破振动监测。通过现场踏勘，将破碎站以及新建涵洞等6个建(构)筑物作为监测对象，在每个监测对象附近布置爆破振动监测点，如图2。爆破振动测试仪采用TC-4850爆破测振仪，对每个测点X方向(指向振动来波方向)、Y方向(水平垂直来波方向)以及Z方向(垂直地表向上)的爆破振动数据进行监测记录。为保证监测数据的准确、可靠，爆破振动测试前对所有仪器进行系统标定。现场爆破振动监测数据结果见表3，图4为测点3处的典型振动波形图。

图 4 爆破振动测试典型波形图Fig.4 Typical waveform of blasting vibration monitoring

2.2 爆破振动特征分析

基于3.1节现场爆破振动监测结果，以下从爆破振动强度、振动频率以及持续时间三个方面分析露天矿爆破开采作用下临界建(构)筑物爆破振动效应。

(1)爆破振动强度衰减特征

目前国内外学者普遍采用萨道夫斯基公式对爆破振动速度衰减预测。萨道夫斯基公式通过将测点振速、爆心距与最大单段药量建立关系，对测点爆破振动速度衰减规律进行回归分析，具体表达式为

(1)

式中：K为场地系数；α为衰减系数；Q为最大单段药量，kg；R为爆心距，m。采用式(3)对表2各监测点不同方向爆破振动速度进行回归分析，得到本次爆破各方向振动速度衰减公式，见表4。由表4可以看出，X方向爆破振动速度衰减最快，其次为Z方向，Y方向爆破振动速度衰减最慢。

表 3 现场爆破振动监测数据Table 3 Field blasting vibration monitoring data

(2)爆破振动主频特征

爆破振动主频率对建(构)筑物爆破振动效应起着重要作用，当建(构)筑物自振频率与地表振动频率接近时，容易产生共振现象，破坏力极大。分析表3监测数据发现，各监测点X、Y、Z三个方向爆破振动主频均在3～11 Hz范围内，主要集中在3～6 Hz左右，爆破振动主频最大值出现在测点3位置X方向上，为10.99 Hz。总体上看，本次所测爆破振动频率范围较窄，振动主频较低，基本无高频成分。

(3)爆破振动持续时间

爆破振动作用时间通常指自爆破振动记录中开始有幅值的零点开始至爆破振动记录最后无幅值的零点止的时间。对微差爆破而言，震动持续时间还应考虑微差间隔时间与延期段数的影响。根据表3监测数据以及图3振动波形可以看出，各监测点不同方向爆破振动速度最大值出现时间并不相同，考虑是由于露天矿采取孔内微差起爆的方式，各方向爆破振动速度最大值由不同起爆段别引起。由于爆区规律较大，炮孔数量较多，雷管起爆间隔时间较长，因此，本次爆破各监测点振动持续时间较长，分布在7～9 s范围内。

表 4 萨道夫斯基公式回归分析结果Table 4 Regression analysis results by Sadovsky formula

2.3 爆破振动效应评价

在建(构)筑物爆破振动安全评估方面，早期大多数学者采用单一强度参数峰值作为评价爆破振动作用下建筑物安全性的唯一指标。我国旧版规范《爆破安全规程》(GB6722—86)，瑞典、美国矿务局等早期使用的安全控制标准，也都是采用质点振动加速度或速度作为独立阈值判据。随着人们对爆破震害的深入研究发现，采用单一强度参数进行爆破振动安全评估具有很大局限性，爆破振动频率也是在建(构)筑物地震破坏中起主导作用的一个重要因素[16-19]。因此，本文从爆破振动强度、振动频率两个方面综合考虑，对监测对象爆破振动安全性进行评估。

我国爆破安全规程规定(GB6722—2014)[20]，当矿山巷道爆破振动主频小于10Hz时，质点安全振动速度为15～18 cm/s。根据现场爆破振动监测结果，各监测点爆破振动速度最大值基本均发生在X方向，表明X方向爆破振动速度对本次爆破振动效应起控制作用，可将X方向爆破振速作为评价本次爆破振动强度的物理量。根据以上分析，现场各监测点爆破振动主频基本小于10 Hz，X方向爆破振动速度最大值为7.83 cm/s，在上述安全振动速度范围内。根据陈世海等人的研究[21]，对于不考虑累积爆破破坏的结构，振动频率和幅值相同时，不同的爆破振动持续时间引起的结构应力响应最大值相同。由于本文不考虑后续爆破对结构的影响，尽管各监测点爆破振动持续时间较长，仍可得到各监测对象在本次爆破作用下均处于安全状态的结论。

3 结论

结合黑岱沟露天矿爆破开采实际工程背景，通过分析现场爆破振动监测数据，在结合相关规范的基础上，对爆区临近建(构)筑物爆破振动效应进行分析与评估，主要结论如下：

(1)结合黑岱沟露天矿生产实际，分析并获得了高台阶深孔大爆破的振动强度预测公式，揭示了其爆破振动的主振频率及作用时间等参量特征，此类爆破的爆破振动速度回归公式场地系数与衰减系数均较大。

(2)现场爆破作用下，各方向爆破振动速度衰减大小表现为X方向>Z方向>Y方向。其中，X方向爆破振动速度最大，对爆破振动效应起控制作用。

(3)本次爆破条件下，各监测点爆破振动频率范围较窄且较低，主要集中在3～6 Hz范围内。由于爆区规模较大，炮孔起爆延期时间较长，各监测点爆破振动持续时间均较长，分布在7～9 s范围内。

(4)在不考虑后续爆破对结构造成累积破坏的前提下，各监测对象在本次爆破作用下均处于安全状态。