某钢厂一采场为年产400×104 t原矿的国内大型深凹露天铁矿。目前已形成高度为200 m的固定边坡。随着开采深度下降, 今后将形成高达400 m的最终边坡。在以往的开采中, 临近固定边坡基本没有使用预裂爆破, 采用垂直炮孔进行缓冲爆破和浅孔爆破削坡, 致使固定边坡不平整, 甚至受到一定程度的破坏。目前该采场固定边坡处于高度大、范围广、岩性复杂、平整性差和负荷重的不稳定状态。控制和降低临近固定边坡爆破地震, 成为该矿进一步安全生产及可持续发展的关键问题之一。爆破地震波在该区域的传播规律研究是进一步分析高陡边坡动力响应和稳定性分析的基础。笔者介绍了对该采场进行爆破振动测试的方法, 并对爆破震动的规律进行了分析, 提出了控制段最大起爆药量和段差干扰降震技术控制震动, 为现场的安全生产提供了保障, 解决了生产规模和控制爆破震动这一矛盾。
《1 边坡地质概况和测点布置》
1 边坡地质概况和测点布置
某钢厂一采场固定边坡岩层大致分为坚硬岩石和软岩两大类, 坚硬岩石包括双透岩、绢云母石英片岩、白云质灰岩、石英岩, 这一类岩层比较坚固, 结构完整, 受地质构造影响小。软岩包括有风化双透岩、千枚岩、双透化白云质灰岩、风化千枚岩, 受断层和风化作用, 容易产生滑坡。
为观测到一定范围内爆破地震物理量, 在离开爆心位置由近及远的距离上都得布置测点, 测点的选择要考虑便于测量仪器的安放, 也要考虑测点的代表性。因此, 测点的布置原则是尽量将测点位置选择在与爆源和坡面正交的同一剖面不同高度的台阶面上。
《2 爆破地震测试》
2 爆破地震测试
《2.1 爆破地震强度物理量》
2.1 爆破地震强度物理量
描述爆破地震强度的物理量主要包括质点的位移、速度、加速度和频率, 何种参数作为评价爆破地震强度的物理量, 尚无统一认识。传统观点认为用振动速度作为判据比较可靠。瑞典的评判标准则综合考虑了振速、频率、位移、加速度等多项指标;美国矿业系统、德国和芬兰的判据则综合考虑了振速和频率指标。我国2003年9月12日颁布, 2004年5月1日开始实施的《爆破安全规程》 (GB6722-2003) 中的爆破震动危害的评价标准中, 也考虑了振速和频率两个指标
《图1》
式中:cp为岩体中横波速度 (m·s-1) ;cs为纵波传播速度 (m·s-1) ;E为岩体的弹性模量 (N·m-1) ;ρ为岩体的密度 (kg·m-3) ;μ为岩体的泊凇比。
《图2》
式中:σ为拉压应力 (Pa) ;τ为剪切应力 (Pa) ;vp为横波振速 (m·s-1) ;vs为纵波振速 (m·s-1) 。
《2.2 测试仪器与测点埋设》
2.2 测试仪器与测点埋设
选用长江科学院爆破与地震研究所的YBJ-1型爆破震动自记仪, 速度计选用北京仪器厂生产的CD-1型速度计, 频率范围为10～500 Hz。这套系统具有轻便、无需要联接线和操作简便等特点, 并有专用软件读取和分析处理自记仪的数据, 使用十分方便
为了能准确分析处理测试结果, 在土层或松石层埋设测点时, 应挖开松石层或土层至基岩, 否则用钢钎打入至坚实的土层, 然后将传感器固定在钢钎上;对基岩表面, 先将表面洗干净, 然后用砂浆抹平。测震前用石膏粉加水固定速度传感器。
《2.3 爆破地震测试条件》
2.3 爆破地震测试条件
对南帮2号剖面爆破震动进行测试, 爆心的高程均为294.00 m。选用主装药为铵油炸药, 起爆药包为乳化炸药。基本条件见表1。各测点测得的平均振速和平均主频见表2。
《3 爆破震动规律分析》
3 爆破震动规律分析
《3.1 不考虑高程效应时的爆破震动回归分析》
3.1 不考虑高程效应时的爆破震动回归分析
《图4》
式中:K为与地质、爆破方法等因素有关的系数;α为与地质条件有关的地震波衰减系数;Q为与峰值振速v值相对应的最大一段起爆药量 (kg) ;r为测点与爆心的直线距离 (m) ;η为比例药量。分析时, K, α为待求系数。
《3.2 考虑高程放大效应时的爆破震动回归分析》
3.2 考虑高程放大效应时的爆破震动回归分析
高程放大效应是指爆破引起的质点振动速度随着测点与爆心高程差增大而增大的现象。爆破震动速度的高程放大效应不仅与边坡岩体的完整性、岩性、坡度、爆破规模等因素有关系, 而且与边坡山体厚薄有关系。当岩体完整性较好坡度较陡而爆破规模相对较大时, 在一些边坡上确实存在振速高程放大效应, 但这种放大只局限于一定高度范围内, 大多数情况下, 爆破振速均是随水平爆破中心距、高程及开挖深度增加而衰减的
坡高较大时各测点具体的振动速度是随传播距离增大而衰减, 随边坡坡度、坡高增大而放大的综合结果, 边坡的高差、坡比、地质状况及爆源能量的量级决定了这种特点。
公式 (5) 只适用于地势平坦坡高不大的情况, 对于高差较大的部位, 应考虑爆破地震波传播的高程效应, 因此要将式 (5) 修正为如下形式:
《图5》
式中:s为爆心与测点之间的水平距离 (m) ;β为高程影响系数。分析时, K, α, β为回归系数。
式 (5) ～ (7) 耦合得式 (8) :
《图6》
为便于进行线性回归分析, 对式 (8) 取自然对数得到式 (9) :
《图7》
将各测点的测试结果及条件参数整理见表2。
通过Matlab软件编程进行多元线性回归计算得到式 (10) :
《图9》
《3.3 爆破震动特性分析》
3.3 爆破震动特性分析
对测点1-1, 2-1, 3-1, 4-1, 5-1进行分析, 将各测点距爆心的直线距离r, r与水平距离的比值r/s分别代入式 (10) , 可以得出上述测点在相应地质条件和爆破方式条件下, 垂直震动速度与同段起爆最大药量的关系 (见图1) 。
根据式 (7) 和 (10) 可以得出爆破震动的高程放大系数q与r, s的关系:
《图10》
《图11》
Fig.1 Relationship between maximum vibration velocity and maximum explosive
图2反映了高程放大系数与r/s的关系。从图3可以看出, 在r/s值较小时, 随r/s值的增大, 振动速度放大系数上升较块, 当r/s值较大时, 振动速度放大系数上升趋缓, 与文献
《图13》
Fig.3 Relationship between vibration velocity and the change ratio of relative height
《4 爆破减震措施》
4 爆破减震措施
为降低或控制临近边坡生产爆破震动对边坡稳定性的影响, 必须将爆破产生的震动控制在允许的范围内。通常情况下, 爆破减震的措施有:控制段起爆药量、预裂爆破、改变抵抗线方向、采用不耦合装药结构等方法。改变抵抗线方向的方法往往受地质、生产规模和工作面推进情况等条件的限制。在该露天矿开采中, 除采用预裂爆破方法对边坡进行保护外, 为保证一定的生产规模, 重点采取了控制段最大起爆药量和时差干扰降震方法。
《4.1 控制段起爆药量》
4.1 控制段起爆药量
公式 (10) 反映了该矿的爆破震动特性, 该公式可变形为:
《图14》
根据式 (12) , 只要确定了边坡许可的最大安全震动速度v, 就可以根据式 (12) 确定在被保护边坡附近确定位置实施爆破时的同段起爆最大药量Q。边坡能承受的爆破震动速度的确定须根据边坡的产状, 地质构造分布, 构造的产状, 岩石的性质等因素建立不同的模型进行分析确定, 关于爆破震动许可速度确定将另文详细报道。
采场的分布范围很广, 边坡情况变化大, 因此在具体实施时, 对现场进行划块分类管理, 根据不同块段确定的安全震动速度v, 用式 (12) 确定每次起爆的同段最大起爆药量。
《4.2 时差干扰降震法》
4.2 时差干扰降震法
为减小爆破震动对边坡的影响, 要求控制同段起爆的最大药量;为保证一定的生产规模, 往往要求加大一次起爆的药量, 因此, 保护边坡的稳定和维持一定的产量之间存在一定的矛盾, 微差爆破技术是解决该类问题主要技术途径。在采用微差爆破的条件下, 研究或测定点所受的爆破震动来源于每一段起爆所引起的震动。各段起爆引起震动波作用于同一测点存在一定的相位差, 根据波的叠加理论, 要实现各段起爆引起的不同相位的爆破震动波互相削弱, 主要应通过调节段与段之间的时差来控制。段与段之间的时间差主要体现在影响两列地震波的相位差, 不同的相位差使得两列波叠加时, 震动速度可能降低, 实现干扰降震, 也可能加强, 导致降震失败或成功率低
理论上存在最佳段差时间Δt, 因为爆破对象的条件及地震波传播介质特性千差万别, 所以目前尚无成熟、公认的理论确定最佳段差时间。最可靠的途径是针对具体的矿山条件和爆破条件进行试验, 以确定最佳段差时间。根据试验矿的需要, 通过使用能准确控制起爆时间间隔的6段位数字式起爆器在现场进行了41次试验, 根据长沙矿冶研究院的研究成果, 大部分矿岩的合理间隔时间在8.4～12.7 ms之间, 为保证先起爆的炮孔为后起爆的炮孔提供良好的自由面, 合理间隔时间应在15 ms及以上。因此分别测试了段差时间为15, 25, 30, 35, 40 ms的爆破震动情况。实验数据见表3。
平均降震率是指所有试验测点进行干扰降震试验后, 测点的震动平均变化率。降震成功率是指测点中震动降低的测点百分率。从试验结果可知:当段差时间为15 ms及40 ms时, 平均降震率和降震成功率都高;段差为25 ms和30 ms时爆破震动加强;为当段差时间为15 ms时, 平均降震率为23.6%, 降震成功率为76.7%。从延期雷管制作工艺角度考虑, 段数越高, 延期时间误差越大, 为保证一定的延时精度, 在能保证先起爆炮孔为后起爆炮孔提供自由面的前提条件下, 时差越小, 越有利于控制延期时间的误差。对该矿决定采用的最佳段差为15 ms, 订制延期时间为0, 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105, 135 ms等段别的高精度导爆管毫秒雷管。使该矿场的爆破震动得到了有效的控制, 解决了生产和控制震动之间的矛盾。
《5 结语》
5 结语
通过对某露天矿爆破震动测试, 回归分析得出了该矿考虑高程效应的爆破震动特性。结果表明:爆破震动在一定范围内存在高程放大效应, 高程放大效应q与爆源到测点的距离和爆源与测点水平距离的比值r/s有关, q与r/s之间为非线性关系, r/s在一定程度上反映了爆破震动波及区域的地形, 本文的结果也证明了爆破震动响应与地形有关, 存在坡面效应现象。
根据爆破震动特性, 采用了综合的减震措施, 为了解决生产规模与控制爆破震动之间的矛盾, 采用了控制段起爆最大药量和时差干扰降震法。并给出了该矿段起爆最大药量的公式Q=10.6×r2.256 3×s0.743 5×v1.812 7;通过现场试验, 得出了该矿的最佳段差时间为15 ms, 平均降震率达23.6% 。
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