考慮高程放大效應的永久減震孔降震研究①

李吉楊芙， 劉敬智， 孫 琰， 李銀忠

(萬寶礦產有限公司,北京100053)

在露天礦生產過程中,由于爆破理論的不成熟和作業環境的復雜性,礦山爆破震動對周圍建(構)筑物造成破壞的災害性事故時有發生［1-2］。 隨著爆破規模擴大,由此引起的爆破震動效應可能導致附近建筑物出現裂紋甚至損毀,造成經濟損失,阻滯生產進度,因而受到社會和政府的普遍關注。 目前,各種主動降震方法以及部分被動降震方法正被積極運用于生產實踐中［3-6］。 在露天礦山中,隨著開采臺階不斷下降,爆破設計當中的理論計算公式因高程放大效應的影響不再適用［7］,但是目前大多數實際工程并未考慮高程影響［8-10］。 本文以緬甸Letpaduang 銅礦北部寺廟為監測點,在考慮高程因素的影響下,通過對寺廟附近爆破振速監測得到地震波強度理論計算公式以研究不同排數減震孔的降震作用和減震孔后不同位置的降震效果,并根據減震孔的降震成效和寺廟處爆破震動振速限值,重新劃分爆破震動控制區以及探索減震孔受高程影響的長期降震作用。 此舉對有效保障周邊設施安全、保證正常生產、減少財產損耗、提高礦山經濟效益和穩定當地社會情緒具有十分重要的現實意義。

1 工程概述

Letpaduang 礦座落于緬甸實皆省蒙育瓦鎮,屬于斑巖型銅礦經過風化淋濾及次生富集作用后形成的高硫化型銅礦床。 在Letpaduang 礦區北部有一座佛教寺廟,被列為重點保護對象。

根據爆破安全規程,寺廟處爆破震動振速限值為5 mm/s。 然而隨著采坑深度不斷下降,爆破振動高程放大效應逐漸顯現。 在隨機測試中,寺廟附近爆破震動振速多次逼近5 mm/s。 目前,佛塔周圍爆破震動危害對礦山生產造成一定程度制約,已成為礦區亟待解決的問題。

2 減震機理

2.1 震動波傳播機理

當炸藥在巖石介質中爆破時,其爆破能量向外傳播引起地面震動的彈性波稱為地震波。 雖然地震波的總體能量僅占到炸藥爆炸釋放能量時的2%～6%［6］,但當其整體強度超過某一臨界值時,將會使得地表建(構)筑物出現不同程度的損毀。 根據現場工程經驗及相關文章描述,爆破震感在其他條件相同的情況下會隨著監測點距離爆破源的高程增大而愈發明顯,因此爆破地震效應不僅應考慮水平傳播影響還應研究高程因素。

2.2 Letpaduang 銅礦現有減震措施

Letpaduang 銅礦現階段主要利用參數調整、微差控制等主動手段對爆破震動進行消減,整體效果較好。然而隨著采區的逐年加深,當前所采用方法的效果逐漸降低。 為了控制寺廟處爆破震動,結合現場實際情況,決定采用施工永久減震孔的被動降震方式以保障寺廟的安全穩固。

2.3 減震孔降震原理

在爆破點與被保護建(構)筑物之間設置深度超過被保護對象地基深度的減震孔將改變巖體的密度,當地震波傳播至減震孔處時,將因介質特性(波阻抗特性ρc)變化發生反射和折射,其能量被泄放減弱,達到控制標準,從而保護建(構)筑物。 其傳播路徑見圖1。

圖1 地震波通過減震孔時的傳播路徑

由于空氣不傳播彈性波,因此不填充任何介質的空孔相比填充其他介質的減震孔更能在一定程度上加速削弱地震波的傳播,減小爆破震動。 同時,空氣填充的減震孔施工容易、快捷方便。 因此,本文進行的減震孔試驗采用空氣介質進行填充。

3 減震孔試驗方案

3.1 減震孔布設

礦區北部寺廟基座尺寸51.4 m × 58 m,距圍擋最近距離為18.9 m,距圍擋內道路最近距離為22.5 m。在道路南側存在樹木、雜草,地勢海拔不一、覆土層較厚,且距其5.2 m 處有一水文觀測點,觀測點東南角5 m處有一條排水溝,與道路方向基本平行。 同時,鉆機作業時距圍擋安全距離至少3 m。 因此,對道路進行拓寬改造,將減震孔鉆孔位置設置于道路路面上。 結合減震作用范圍和寺廟寬度,選定寺廟寬度對應兩側向外各自延伸20 m 作為鉆孔區域,計算得到減震孔最終鉆孔區域總長度94 m,左右兩端分別對應寺廟基座張角26°和39°,如圖2 所示。

依現場鉆機設備情況,鉆垂直孔,孔徑250 mm。為發揮減震孔最大降震作用,應盡可能加大孔深,但為了方便制作套管,采取統一孔深,鉆機目前最大鉆孔深度19.5 m,考慮提桿后落灰,孔深統一為18.5 m。 根據鉆機施工范圍,減震孔孔網參數設計見圖3,2 m ×2 m,3 排,三角形布孔,后排與前排孔在水平方向上錯開0.66 m,合計鉆孔數目144 個。

圖2 減震孔鉆孔范圍示意及測點布置

圖3 減震孔布孔設計

為保證降震效果,需防止孔內充水,在孔內放置具有一定強度的HDPE 橡膠管,該管兩端封閉,管長19.5 m,外徑200 mm,管壁15 mm,內徑170 mm。 露出孔口1 m,出露段設置數個透氣小孔,如圖4 所示。

圖4 HDPE 管放置示意圖

3.2 振動監測設計

此次試驗采用TC-4850 爆破測振儀進行監測,該設備屬于一體化三維傳感器,采樣頻率為1 ～50 kHz,16 位A/D,量化精度1/65 536。 當振動信號傳遞至三矢量傳感器時,可用4850 爆測儀進行現場預覽,隨后可將數據輸入電腦,通過數據值軟件分析得到監測評估報告。 工作原理見圖5。

圖5 TC-4850 工作原理

本次試驗在寺廟周圍共放置6 臺設備,分別位于減震孔排的中垂線上距第1 排減震孔前側2 m(A點)、第3 排減震孔后側2 m(B 點)、25 m(C 點)、70 m(D 點),C 點左、右兩側30 m(E、F 點)(如圖2 所示)。每一排減震孔施工完成后,進行12 次爆破振動測試,共獲得288 組波形數據。

4 考慮高程放大效應的降震效果分析

4.1 高程放大效應對爆破震動的影響

地震波強度理論計算通常采用薩道夫斯基的經驗公式:

式中v 為爆破振動速率；K 和α 為與平整地形、地質條件、爆破方法以及裝藥結構等因素有關的場地系數和衰減指數；Q 和R 分別為最大單響藥量和測點距炮區的距離。 通過在Letpaduang 礦長期爆破測振,發現使用式(1)進行回歸計算得到的振速值與實測值存在較大差異。 記錄距離相近、炸藥量相當的爆破振動速率,如表1 所示,其中矢量合成速率均為A 點測振結果。

表1 高程對爆破震動的放大效應

將編號5 和27、11 和14、20 和35 數據進行兩兩對比,不難發現,隨著高程增加,振動速率也隨之增加,說明高程對爆破震動確實存在放大效應。 再將編號11 和20、14 和35 數據進行兩兩對比,可以看到,當距離、高差和藥量相互作用時,有可能使得爆破振動速率不發生改變。 因此,當距離和高差無法改變時,調節單孔最大爆破藥量對于降低振動速率顯得至關重要。

4.2 不同減震孔排數的降震成效研究

為使地震波強度理論計算更加符合實際,現采用考慮高程放大效應的拓展式。 前人已對薩道夫斯基的變形式提出過各種形式的表達,但是多數并未將R 和巖性等因素對爆破質點距測點的高程差H 的影響納入其中。 為減小誤差,本文采用如下公式進行計算:

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式中K′為與邊坡等凸形地貌有關的作用系數；β 為高差作用指數。

將式(2)兩邊同時取對數,得:

由于Q、R、H 均為已知數,因此可將式(3)函數化為:

為更好地顯示減震孔對寺廟的保護作用,將C 點測振得到的數據進行多元線性回歸分析,得到無減震孔、1 排減震孔、2 排減震孔以及3 排減震孔時爆破地震波速率的擬合計算公式,具體見表2。

表2 振動速率衰減擬合公式

通過對比表2 中各個公式不難發現,平地系數K與凸形地貌系數K′的乘積、衰減指數α 和高差作用指數β 隨減震孔排數的變化趨勢為:隨著減震孔從0 排到1 排、1 排到2 排、2 排到3 排,衰減乘積系數KK′逐步減小,而α 和β 變化并不明顯。 KK′對比變化趨勢見表3。 從表3 可以看出,減震孔從無到1、2、3 排減震孔,降震效果逐漸弱化。

表3 衰減乘積系數KK′對比變化趨勢

將有無減震孔時的最大振動速率按式(5)進行平均,并對比不同排間的變化百分比,得到減震率λ 如表4 所示。

式中v0n為第n 次爆破無減震孔時的最大振速；vn為第n 次爆破減震孔后的最大振速。 由于爆破點與測點的距離是測點相互之間距離的幾十倍,可近似將A、B 兩點視為同一點,因而v0n取A 點振速,vn取B 點振速。

表4 減震率變化趨勢

雖然減震孔排數越多總降震效果越明顯,但是單排減震孔的增加并未使得該效果得到顯著提升,而是逐步趨緩。 因此,減震孔排數無需施工過多,只要能使被保護物處于安全范圍即可。

4.3 寺廟附近不同監測點的降震成效

選取C、D、E、F 點進行對比,將3 排減震孔后各點地震波強度計算式列入表5 中。 縱觀擬合公式,除衰減乘積因子KK′有所變化外,另外兩個指數均無變化。由于目前某些炮區位置處于寺廟南稍偏東方向,因而地震波有時候會最先達到F 點,其次是C 點和E 點,最后是D 點。 因此在4 點當中,最東側的F 點衰減乘子比C 點增大了0.31%,最西側E 點的衰減乘子比C點減小了0.64%,最北側D 點的衰減乘子比C 點減小了1.47%。 盡管公式當中系數變化較小,但上述比較表明爆破地震波的傳播方位對于減震孔后的地震波振速計算存在著影響,所以若能將方位角歸入理論計算式中將使得表達式更加精確。 不過,隨著采坑逐漸南移,邊幫逐漸拓展,寺廟與礦坑之間的距離逐年拉大,寺廟范圍占整個礦區面積的比例逐年減小,4 個測點的變化將逐漸縮小,所以本文中永久減震孔對于保護寺廟來說受到爆破方位的影響可以忽略不計。

表5 寺廟附近各測點擬合公式

4.4 永久減震孔的長期降震效果分析

Letpaduang 銅礦圈定的終了境界臺階高度15 m,終了階段坡面角65°,最終邊坡角45°,安全/清掃平臺寬度8 m/8 m/20 m(安全-安全-清掃),露天采場上口尺寸2 700 m × 1 900 m,下口尺寸600 m × 120 m,露采最高開采標高315 m,露采坑底標高-345 m。 礦區北部最高開采標高85 m,寺廟標高75 m,離終了邊界最近距離266 m。 Letpaduang 銅礦臺階采用深孔臺階一次爆破成型,連續裝藥的爆破方案,高程H 以15 m為公差發生變化；同一臺階處R 越小,爆破震動越劇烈,而終了邊界是離寺廟最近的礦區位置,因此將最終境界模型導入3DMine 軟件中,測量寺廟附近C 點距離礦坑終了邊界各臺階的最近距離及高程,設定v ＝0.5 cm/s,得到各臺階單孔最大允許爆破裝藥量如圖6所示。

圖6 最危險區域單孔最大允許裝藥量

總體來說,藥量Q 隨R 和H 呈現出先減小后增大的趨勢,中間略有波動。 終了境界與寺廟貼近處R 變化較小(R ＝288～346 m,H＝15～75 m),此時H 對Q 的影響占主導地位,隨著高程增大,能夠填裝的藥量逐漸減小,最小值350.77 kg 出現在與寺廟存在75 m 高差的00 m 水平,二者之間距離為346 m；第2、3 小值分別為361.71 kg 和366.23 kg,各自處于30 m 和15 m 臺階。 自-15 m 臺階開始往下,高程差值從90 m 增至420 m,爆心距從387 m 增至998 m,此時R 對Q 的影響凸顯更加重要的作用,隨著距離增大,單孔最大允許裝藥量從469.92 kg 增至5 627.82 kg。 根據現場實際生產經驗,通常單孔最大裝藥量在400 ～600 kg,所以在上部平臺爆破過程中,應嚴格控制裝藥量,同時可配合預裂爆破進一步降低爆破震動。

5 結 論

1) 隨著采坑加深,高程對爆破震動的放大效應明顯,在振速計算中不僅需要考慮藥量和距離,高差也要納入計算公式當中。

2) 減震孔排數越多,總體降震效果越好,但降震效果會隨著減震孔排數增加而逐漸弱化。

3) 從經濟效益考慮,減震孔無需施工過多排數,只要能夠滿足所需保護建(構)筑物震動控制要求即可。

4) 減震孔后不同測點位置振速受爆破方位影響而有所不同,然而隨著開采區域遠離及擴大,其影響逐年減弱。

5) 高程放大效應與距離的遠近對單孔最大允許裝藥量產生交替影響,使得藥量呈現先減小后增大的變化趨勢,因而合理探究最危險區域并進行控制對于提高礦山經濟效益和社會效益至關重要。