大型爆破作业所引起的振动研究

严尔炳，王 彬

（云南旅游职业学院，云南昆明650221）

1 爆破作业工程简况

1.1 工程简况

大红山矿区位于新平县城西约50km的嘎洒镇辖地内。大红山矿自开采以来，采空区不断扩大，地压危害也在不断加大。为确保安全生产，尽量减小地压活动可能带来的灾害损失，通过强制崩落主采区空区顶板正上方岩土层，消除地压隐患。强制崩落采取硐室爆破方式进行。硐室按照与采空冒落区远近分别布置在采空冒落区的侧方、侧上方、上方进行布置。也就是在距采空冒落区最近的标高（1070标高）硐室位置布置在采空冒落区的一侧；中段标高（1090标高）硐室布置在采空冒落区的侧上方；上层标高（1115标高）的硐室布置在采空冒落区的上方。相对应地将爆区分为3个大区：1070标高1、2、3、4号硐室为第一个大区；1090标高5、6、7、8号硐室为第二个大区；1115标高9、10、11、12号硐室为第三个大区。

1.2 作业区的地质概况

新平大红山矿业有限公司铁矿位于新平县境西部，哀牢山脉中段。红河上游的戛洒江自东北向西南穿境而过。区内地形复杂，河谷深切，山脊宽缓,山坡陡峻。地势呈东北高西南低,相对高差2000多米。属中高山侵蚀构造峡谷区。山坡上常见坡面侵蚀形成的细沟、切沟,沟谷。测试区域出露的地层分基底和盖层两套地层。盖层为上三叠统干海子组（T3g）及舍资组(T3s)，以陆相为主的海陆交互相砂页岩建造，广范分布于矿区四周山岭地区。基底为早元古代大红山群(PtD)，系富含铁、铜的浅—中等变质程度的钠质火山岩系，属古海底火山喷发—沉积变质岩系(是区内铁铜含矿地层)。矿区内构造发育，形成时间早，由一系列褶皱及断裂组成。此次振动观测区包括大红山矿山采空区上方地表及其附近地区、以及矿山现在使用的地下巷道。矿山在用井巷距爆点最近有300多米。矿区离爆点最近的地表建筑设施——涟邵集团项目部，其爆源距约790m。

2 爆破设计简况

硐室设计与装药量。根据硐室所在巷道高程，将爆区分为3个大区。1070标高1、2、3、4号硐室为第一个大区；1090标高5、6、7、8号硐室为第二个大区；1115标高9、10、11、12号硐室为第三个大区。爆区的硐室设计见图1（1090标高及1115标高硐室图类同，尺寸略有差别）。

图1 1070标高硐室平面布

本次爆破使用膨化硝铵炸药。炸药为袋装炸药30kg/袋，实际使用总炸药量238t，最大一段起爆量60t。

本次硐室爆破电雷管用于击发传爆导爆索，导爆索引爆各硐室非电导爆管雷管。3个爆区内用导爆管雷管起爆各硐室，每个硐室设2套独立导爆管雷管起爆系统，各硐室段别延期时间介于0～490ms。

3 振动测试的方法及布点

本次主要测试采矿地下巷道、地表重要建筑设施以及爆破塌落区周边地面在主采空区强制爆破落顶作业时的爆破及其岩体塌落所产生的振动作用下的实际影响程度。其中，测点A1-A5布设在爆源区西南山坡地面，为地面振动衰减观测测线；测点B1-B5布设在爆源区东北山坡下坡段地面，亦为地面振动衰减观测测线；测点C1-C15为矿区地下巷道振动观测点；测点D1-D11为矿业公司重要建筑及设施振动观测点。见图2。

图2 部分测点场地布置图

4 振动测试观测结果

对主采空区强制爆破落顶作业中的大爆破及其产生的岩体塌落在地面及地下采矿巷道形成的振动所进行的观测，共获取地下巷道15个测点、自然地表10个测点以及地表重要建筑设施11个测点共计36个测点、140道振动加速度时程记录。其中，爆破振动记录104道，岩体塌落振动记录36道。加速度记录经一次积分可得到地面振动的速度时程。表1列出了重要建筑设施振测点的地面振动参数。

5 振动观测结果的分析研究

5.1 爆破振动特征

本次强制爆破落顶作业中，爆破及其4min34s后出现的岩体塌落，均在地面及地下采矿巷道产生的振动影响。从记录波形来看，爆破振动及岩体塌落振动具有如下一些特征：

（1）振幅特征。爆破振动及岩体塌落振动两者的振幅均具强脉冲的形式；对爆破而言，测点的大多记录，次大峰值多次出现，而对岩体塌落，则未见了这一特征。这与起爆方式、岩体塌落状态直接相关。

（2）频率特征。不论是爆破振动，还是岩体塌落振动，振动频率以中低频成分为主。其中，爆破振动主频，集中在2～10Hz之间,岩体塌落振动主频集中在4～19Hz之间。而井下巷道内的振动频率大多在2～5Hz间。总体上看，岩体塌落产生的振动主频要高于同不测点处爆破振动的主频。地下巷道内的振动主频总体低于地表测点记录到的振动主频。

（3）振动持续时间。振动的持续时间随距离远近，呈现出差异。从震源距最近的约300m到最远的2130m,其有效振动持时约从1s延续到6s不等。另一特征是，相对于地面记录而言，井下巷道内记录的振动有效持时均要短一些。另外，在震源距相对远处，一些面波震相会出现，也会使有效振动持时变长。

表1 重要建筑设施振动测试数据（若测点有2条记录，则上为爆破、下为塌落）

5.2 振动强度分布

从测试资料可以看出，此次强制爆破落顶作业中的爆破及其岩体塌落，记录到的最大几个峰值加速度分别出现在震源距相对最小的爆源区东北地表衰减测线及爆源区西南地表衰减测线的测点上。其中爆源区西南测点A1，爆破产生的切向、径向、垂直向的峰值加速度分别是 215.2cm/s2、331.7cm/s2和 335.2cm/s2，对应的速度值依次是2.86cm/s、7.08cm/和4.67cm/s。岩体塌落产生的切向、径向、垂直向的峰值加速度分别是50.1cm/s2、53.6cm/s2和 46.0cm/s2，对应的速度值依次是0.63cm/s、0.48cm/和0.60cm/s。爆源区东北测点B1，爆破产生的切向、径向、垂直向的峰值加速度分别是 269.0cm/s2、212.7cm/s2和 233.9cm/s2，对应的速度值依次是4.03cm/s、4.33cm/s和3.51cm/s。岩体塌落产生的切向、径向、垂直向的峰值加速度分别是487.6cm/s2、171.9cm/s2和 190.9cm/s2，对应的速度值依次是2.59cm/s、1.35cm/s和1.08cm/s。而爆源区西南地表衰减测线的震源距最大的测点A5，其记录到的切向、径向、垂直向的峰值加速度分别只有9.2cm/s2、12.2cm/s2和11.0cm/s2，对应的速度值依次只有0.36cm/s、0.50cm/s和0.51cm/s。爆源区东北地表衰减测线的震源距最大的测点B5，其切向、径向、垂直向的峰值加速度分别是1.2cm/s2、4.9cm/s2和3.8cm/s2，对应的速度值依次是0.02cm/s、0.06cm/s和0.06cm/s。总体上，不论是爆破振动，还是岩体塌落振动，随着震源距的变大，其幅值变小。其中，位于测点B1的岩体塌落振动幅值要大于测点A1的岩体塌落振动幅值；而测点A1的爆破振动幅值要大于测点B1的爆破振动幅值。从测试资料中还知，测点A1比测点B1的高程要低约80m，这与主采空区冒落高差大直接相关。

而井下巷道，记录到的最大峰值加速度为19.0cm/s2，出现在巷道380段区测点C3上，为岩体塌落引起的振动；巷道内其余测点的峰值加速度大多在10cm/s2以下。最大速度为0.27cm/s，出现在巷道400段区测点C5上，为爆破所产生。

地表重要建筑设施测点记录到的最大峰值加速度为30.3cm/s2，最大速度为1.32cm/s，均出现在油库测点D2上。其余测点的峰值加速度大多在15cm/s2以下。

6 结束语

本次设计研究，布置硐室三标高，每标高4个硐室，共12个硐室，总装药量达238t。起爆共分7个段别，总延时490ms。振动研究来看，爆破振动及岩体塌落振动两者的振幅均具强脉冲的形式；对爆破而言，测点的记录，次大峰值多次出现，而对岩体塌落，则未见了这一特征。频率不论是爆破振动，还是岩体塌落振动，振动频率以中低频成分为主。振动的持续时间随距离远近，呈现出差异，另一特征是，相对于地面记录而言，井下巷道内记录的振动有效持时均要短一些。就振动强度来看，不论是地面、还是地下巷道，测点振动的加速度峰值总体上是随震源距的加大而逐渐变小。