基于爆破振速演变规律的采场安全分析

林之岳 黎俊华 王道林

摘要：在金属矿资源回采过程中，井下采场爆破对地表建（构）筑物、堤坝及边坡等稳定性带来严重威胁，尤其对于赋存有高陡边坡的露天地下联合开拓矿山。针对永平铜矿面临的井下矿体回采爆破与临近高陡边坡稳定性之间的矛盾，开展了地表及井下爆破振动监测，按照振速统计分析原理及萨道夫斯基经验公式，分析并得出了爆破引起的质点振动特性及振速衰减规律，在多数测点所测得的最大振速普遍分布于0～1 cm/s，主频分布在0～150 Hz。并按照边坡岩体的爆破地震波衰减规律和当地的地震烈度，确定了Ⅳ号矿体不同采场生产所允许的最大单段药量，为矿山的安全生产提供理论和实践依据。

关键词：爆破；爆破振动；振速；振动监测；边坡；安全

中图分类号：TD853文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2023）03-0005-07doi：10.11792/hj20230302

引 言

隶属于江西铜业股份有限公司的永平铜矿，为一座现代化大型露天-地下联合开采矿山，目前矿山整体规模达10 000 t/d，其中，露天和地下各为5 000 t/d。经过多年的露天开采后，形成了最大垂直高度达444 m的深凹露天矿坑，其中154 m水平以下、1勘探线—15勘探线西部邻近高陡边坡周围赋存了大量铜矿石资源。近年来，随着露天浅部资源的消耗殆尽，矿山整体生产能力受到严重制约，稳定生产甚至达产均难以得到保证。为保证稳定的矿石产量和最大限度回收矿产资源，亟须对邻近高陡边坡的矿产资源（以Ⅳ号矿体为主）进行回采。然而，随着矿山开采深度的增加和工程地质条件的改变，高陡边坡局部已有滑塌破坏等风险出现^［1］；另一方面，陡帮上仍需保留矿石运输道路及防洪设施等。在此条件下，对邻近高陡边坡的Ⅳ号矿体进行地下回采时，势必会对高陡边坡带来难以预测的安全风险。因此，研判Ⅳ号矿体回采对高陡边坡的安全稳定性影响，并据此制定相关解决对策是安全回采Ⅳ号矿体的重中之重^［2］。

爆破作业作为露天矿山生产的主要工序，是开采过程中对边坡带来扰动的主要因素之一^［3］。尤其是永平铜矿露天高陡边坡属于顺层岩质边坡，在爆破作用下极易产生后冲裂隙和层裂破坏，从而使爆破作用对边坡穩定的影响主要表现在2个方面：一是爆破层裂作用使滑面上的抗滑段长度减少，降低抗滑力，又增大了地表水侵入后的浮力；二是爆破地震波引起边坡的水平向振动（振动惯性力），导致边坡的下滑力增大、抗滑正压力减小^［4］。这两方面的共同作用将降低边坡的安全系数，导致边坡的失稳滑坡。因此，有必要通过对爆破振速的现场监测，获得爆破地震波沿边坡横向不同位置处的岩体质点振动速度或加速度在时域、频域上的变化特征，确定矿山生产爆破对边坡稳定性的影响程度，为矿山安全生产、边坡维护及制定合理、可行的爆破方案提供科学依据^［5］。

有鉴于此，本文针对矿山目前的生产现状与高陡边坡特点，采用与爆破点对应、垂直边坡走向布置振动测点的方式进行爆破地震效应试验，利用质点振动速度测量系统获得各次地震波波形及边坡质点振速，进而按照统计分析原理及萨道夫斯基经验公式，分析爆破引起的质点振动特性及振速衰减规律。按照边坡岩体的爆破地震波衰减规律和当地的地震烈度，确定Ⅳ号矿体不同采场生产所允许的最大单段药量，为该矿山的安全生产提供实践依据。

1 现场爆破振动监测

1.1 工程概况

永平铜矿Ⅳ号矿体走向北北东，倾向东，倾角以60°～70°为主，形态为似层状及透镜状，地下开采标高为200～-200 m，首采中段设置在-50 m中段，目前回采中段为0 m中段，开拓中段为-200 m中段。矿体围岩上盘为绿泥石，下盘为混合岩，岩石总体稳固性属中等。0 m中段矿体长约626 m，如图1所示，划分为12个盘区，每个盘区的长度为50 m，采场沿走向布置，其采矿方法为分段空场嗣后充填采矿法。凿岩爆破过程中，主要采用76 mm孔径的上向扇形孔进行微差起爆，装药台车填装乳化炸药，每次起爆2～3排炮孔，炮孔排距1.5～2.0 m，孔底距2.0～2.5 m。落矿后进行通风、排炮烟、撬顶平底、支护等工序，矿石通过铲运机输送到采场溜井。矿井通风时，新鲜风流由中段巷道经人行通风斜巷进入回采作业面，污风排到上中段，汇入总回风系统，排出地表。为加快爆破炮烟排出，在回采采场上部回风充填道安放局扇加强通风。

1.2 测点布置

1.2.1 井下测点布置

Ⅳ号矿体东侧紧邻F₂断层，由于该断层的存在会导致爆破振动效应的影响范围变广、持续时间变长，因而需要扩大爆破振动监测范围，在相邻的4个采场即4，5，6，7采场分别设置爆破1测点～4测点，如图2所示。

1.2.2 边坡测点布置

为了测得不同药量下各测点的爆破振动，分析爆破动载作用对西部边坡稳定性的影响，拟监测W4～W8矿块对应边坡上各测点的爆破振动。结合矿山基础设施布置情况与台阶是否可到达，进行爆破振动测点布置（如图3所示），测点位置信息如表1所示。

1.3 测量过程

使用的仪器为Blast-UM型爆破测振仪。为得到足够数据进行回归分析，拟合出适用于永平铜矿Ⅳ号矿体0 m中段采场和西部边坡的萨道夫斯基经验公式^［6］，根据采场及西部露天边坡测点分布情况，监测安排如表2所示。

露天边坡与0 m中段布置的测点分为4批次，每个测点测2次，因而需要测试8次，具体测量步骤如下：

①测绘技术员于边坡放点，确定各个测点在西部边坡的具体位置，放点如图4-a）所示。②寻找基岩并清理测点处的碎石及泥土，倒适量黏结剂于测点并加水搅拌，待具有一定流动性后，将接好数据传输线的传感器置于拌合物上，使传感器上的气泡位于圆圈内，并用手机的指南针功能确保传感器表面标示“X”为北，固定传感器15 s，待其稳定后松开，如图4-b）所示。③将传感器通过数据传输线连接测振仪主机，开机后检查Tr值是否为0，当Tr≠0时，重启主机；当Tr为0时，用传输线连接笔记本电脑与测振仪主机，实时读取西部边坡在未起爆时的振动速度，数据如表3所示；将Tr值设为0.017 cm/s作为触发值，并设置进入监测状态，如图4-c）所示。④轻敲传感器上部，观察主机是否记录数值，当有数据记录后即为设定成功，而后将主机置于仪器箱内，避免块石滚落对仪器产生影响，如图4-d）所示。当敲动无数据记录时，需重复第②步操作。

2 爆破振动测试数据与分析

爆破地震波在地层中传播是一个十分复杂的力学过程，它受炸药性能、药量、装药结构、起爆方式等多种因素的影响^［7］。爆破振动测试所获取的主要指标是爆破振动的时程波形及主要特征值，从这些测试结果分析爆破地震波在介质中的传播及衰减规律，从而分析出爆破振动效应对边坡的影响。国内普遍应用的是萨道夫斯基经验公式^［8］：

式中：v为质点最大振速（cm/s）；Q为最大单段药量（kg）；R为测点离爆心斜距（m）；K为场地影响系数；α为地震波衰减系数。

将爆破测振仪布置于设定的测点，爆破测振仪所测得的振动波形如图5所示，测试数据如图6所示。采用萨道夫斯基经验公式进行拟合，得到不同方向的振速。结果表明：大多数测点所测得的最大振速普遍分布于0～1 cm/s，仅于W4测得的最大振速较高，为5～6 cm/s；对于主频分布，多数测点所测得的主频分布在0～150 Hz，在W6测点测得的主频近250 Hz。

根据测振仪在各测点测得的爆破数据，以及测得的直线距离，代入式（1）求解得到x、y、z和矢量合成方向的K值和α值，拟合所得的萨道夫斯基经验公式如下：

1）井下各方向爆破振动拟合。

3 西部边坡爆破振动分级

3.1 开采单段药量确定

GB 6722—2014 《爆破安全规程》中，永久性岩石高边坡爆破振动的安全允许标准如表4所示。由于西部边坡在爆破时的振动频率主要集中在10～50 Hz，故选择振动速度v=8～12 cm/s^［9］。根据永平铜矿西部边坡岩体的完整性，为避免运矿公路和水沟因爆破振动而受到损坏或堵塞，结合表5所示不同类型岩石中的建筑物允许振动速度分级，选择边坡允许振速v=8.0 cm/s。

将允许振速和各矿块与边坡距离代入矢量合成后的公式，得到各矿块最大单段药量如表6所示。

根据已有爆破设计资料，Ⅵ号矿体0 m中段开采时，切槽爆破最大单段药量为140 kg，矿柱回采深孔爆破最大单段药量为286 kg。结合表6可得，采用现在的爆破工艺，Ⅳ号矿体0 m中段可采矿块为W0～W8，W9开采时需降低单段药量或采取减振技术，W10和W11因需将矿体留设为境界矿柱而不适合开采^［10］。

3.2 邊坡振速安全分级

为给现场设计提供爆破设计基础，以矿柱回采时最大单段药量286 kg为基础，根据振动速度值进行安全等级划分，得到W0～W9边坡对应安全等级，划分规则如表7所示。各矿块相应边坡在不同单段药量下安全距离如表8所示。

依据表7中根据振动速度进行的安全等级划分和表8中不同振动速度下爆破作业点与边坡坡面的安全距离，W0～W11各阶段矿块与边坡安全划分区域的位置关系如图7所示。

根据图7中W0～W11矿块与Ⅰ级安全区、Ⅱ级安全区、Ⅲ级安全区、危险区的位置关系，再综合W10、W11矿块与边坡的最小安全距离小于最小爆破安全距离，即0 m、50 m、100 m、150 m 4个中段各矿块在采用现有钻爆开采条件下各矿块的安全等级如图8所示。从图8可以看出：0 m中段和50 m中段W0～W9矿块、100 m中段和150 m中段W0～W6矿块的安全等级为Ⅰ级，可使用现有采矿工艺开采；100 m中段和150 m中段W7矿块的安全等级为Ⅱ级，使用现有采矿工艺开采时需根据边坡现场情况进行调整，如增加爆破段数或采取密集空孔爆破、预裂爆破、缓冲爆破、切槽爆破等减振控爆技术^［11］；0 m中段和50 m中段W10～W11矿块、100 m中段和150 m中段W8～W11矿块的安全等级为危险，采用现有开采工艺将可能导致西部边坡出现大块岩石垮落及边坡滑移，损坏、堵塞边坡布设的运矿公路和水沟，且影响露天和井下的安全生产，带来安全隐患^［12］。

4 结 论

对永平铜矿Ⅳ号矿体边坡爆破进行了研究，得出了爆破振动在该矿山边坡中的衰减规律。从各自的衰减规律中结合岩体的物理力学性质提出了临近边坡爆破的允许最大单段药量，并划分了边坡振速安全等级，为矿山生产爆破设计提供依据。得到的具体结论如下：

1）根据测振仪在各测点测得的爆破数据，拟合得到了露天和井下爆破振动的萨道夫斯基经验公式，且拟合值均在0.8以上，拟合效果较好。

2）根据永平铜矿西部边坡岩体的完整性，为了避免运矿公路和水沟因爆破振动而受到损坏和堵塞，选择边坡允许振速v=8.0 cm/s。将允许振速和各矿块与边坡距离代入矢量合成后的公式，得到各矿块最大单段药量。结果表明：从W1～W11所允许的最大单段药量逐渐减小。

3）根據不同振动速度下爆破作业点与边坡坡面的最小安全距离，对W0～W11各阶段矿块进行爆破振动安全分级。0 m中段和50 m中段W0～W9矿块、100 m中段和150 m中段W0～W6矿块的安全等级为Ⅰ级，可使用现有采矿工艺开采；100 m中段和150 m中段W7矿块的安全等级为Ⅱ级，使用现有采矿工艺开采时需根据边坡现场情况进行调整；0 m中段和50 m中段W10～W11矿块、100 m中段和150 m中段W8～W11矿块的安全等级为危险，需另外选择合理的采矿方法。

［参 考 文 献］

［1］ 陈启霖，姚罗.矿山高陡边坡稳定性分析及滑坡预警技术［J］.世界有色金属，2021（15）：95-96.

［2］ 张阳阳，王炳炜，林健，等.蚕庄金矿破碎围岩矿体爆破条件分级与控制爆破技术［J］.黄金，2021，42（2）：36-40.

［3］ 刘知言，陈银友，许艳生.露天爆破事故分析与安全管理研究［J］.工程爆破，2022，28（1）：118-122.

［4］ 李天宏，刘伟明，贾彦州，等.人工垫层分采分爆房柱采矿法在东刘家金矿的应用［J］.黄金，2017，38（8）：37-39.

［5］ 杨晓杰，庞杰文，张保童，等.回风石门软岩巷道变形破坏机理及其支护对策［J］.煤炭学报，2014，39（6）：1 000-1 008.

［6］ 张爱卿，吴爱祥，王贻明，等.复杂破碎软岩巷道支护技术及分区分级支护体系研究［J］.矿业研究与开发，2021，41（1）：15-20.

［7］ 王观石，胡世丽，李贵荣，等.爆破地震波在结构面的传播特性与结构面倾角判断［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（9）：1 790-1 798.

［8］ 闫常陆，王峰.基于萨道夫斯基公式拟合的爆破振动规律研究［J］.现代矿业，2018，34（6）：109-111.

［9］ 刘义佳，卢文波，陈明，等.结构爆破振动响应的频率与持续时间依赖性分析［J］.爆炸与冲击，2019，39（8）：192-202.

［10］ 吴建文，王路.大跨隧道下穿既有高速公路的爆破减震技术研究［J］.筑路机械与施工机械化，2015，32（5）：79-83.

［11］ 高毓山，韩延清.控制爆破技术在南芬露天铁矿的研究与应用［J］.辽宁科技学院学报，2022，24（1）：17-19.

［12］ 黄达，张晓景，顾东明.“三段式”岩石滑坡的锁固段破坏模式及演化机制［J］.岩土工程学报，2018，40（9）：1 601-1 609.

Stope safety analysis based on blasting vibration velocity evolution law

Lin Zhiyue1，Li Junhua2，Wang Daolin3

（1.Yinshan Mining Co.，Ltd.of JiangXi Copper Corporation Limited;

2.Yongping Copper Mine of Jiangxi Copper Corporation Limited;

3.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：In the process of recovering metal ore resources，underground stope blasting poses a serious threat to the stability of surface structures （buildings），dams，and slopes，especially for open-pit joint development of mines with high and steep slopes.In this paper，based on the contradiction between the mining and blasting of the underground ore body faced by the Yongping Copper Mine and the stability of the nearby high and steep slopes，the vibration monitoring of the surface and underground blasting is carried out.The particle vibration characteristics and vibration velocity attenuation law caused by blasting are obtained based on vibration velocity statistical analysis principles and the Sadovsky formula，and it is concluded that the maximum vibration velocity measured at most measuring points is generally distributed in 0-1 cm/s，and the main frequency is distributed in 0-150 Hz.According to the blasting seismic wave attenuation law of the slope rock mass and the local seismic intensity，the maximum charge per section allowed for the production of the No.IV ore body in different stopes is determined，which provides a theoretical and practical basis for the safe production of the mine.

Keywords：blasting;blasting vibration;vibration velocity;vibration monitoring;slope;safety