摘要：分析了矿山爆破工程中爆破振动产生的原因、爆破地震波的特征及传播规律和影响地震波传播的因素,指出矿山在爆破施工中为减小爆破振动强度、控制和预防爆破地震效应,应选取合理的爆破参数,充分利用微差技术,改善爆破条件等。
关键词：矿山爆破;地震效应;控制技术;降震措施
1概述
在矿山爆破施工中,因爆破的规模、爆破的方法、爆破自由空间及爆破区域环境条件的不同,爆破所引起的振动、空气冲击波、噪音、有毒气体及露天爆破引起的飞石,对周围的环境、建(构)筑物、设施和人员将产生不同程度的影响。尤其是爆破振动带来的危害较为严重,它不仅对周围建(构)筑物结构产生不良影响,更严重的是引起矿山与当地村民之间的民事纠纷。目前大多数矿山企业,为避免和减小爆破振动,采取的主要措施就是降低爆破炸药量。降低了爆破炸药量,也减少了爆破矿石总量,进而影响了采矿强度和矿山发展中生产规模的提高。因此,研究和分析矿山爆破振动的控制技术及降震措施,是十分必要的,也是矿山发展中确保生产秩序正常的一项重要工作。
2爆破振动与爆破地震波的传播
2.1爆破振动及爆破地震波的形成由岩石爆破机理知,岩石
爆破“破坏”是一个炸药能量释放、传递和作功的过程,这个过程非常短暂,只有几十微秒。在这个短暂的时间中,炸药包在岩石中爆炸,爆轰作用形成的应力波,由药包中心即爆炸中心向周围传播,先是使邻近药包周围的岩石产生压碎圈和破裂圈(压碎圈和破裂圈的大小,由炸药的品种、数量和岩石的性质决定),形成压碎圈和破裂圈,这是我们所希望得到的炸药爆炸的有用功。而当应力波通过破裂圈后,由于它的强度急速衰减,再也不能引起岩石破裂,而只能引起岩石质点产生弹性振动,并以弹性波的形式向外传播,这种弹性波又叫地震波。爆破地震波传播到地表,将会引起地表震动,即为爆破振动。由此引起的地面以及地面上的物体产生颠簸和摇晃的现象及后果叫地震效应。爆破振动的发生、传播,虽然时间很短,但不加控制,带来的危害很大。
2.2爆破地震波的特点
地震波具有较复杂的波形,但整个波动过程大致可以分为三个部分,(1)初震相;(2)主震相;(3)余震相。如图所示,主震相振幅最大,所以破坏性也最大。爆破地震波的峰值与装药量、至震源的距离有关,并随之变化而变化。
地震波由若干种波组成,根据波传播的途径不同,大致分为主要由纵波与横波组成的体积波和主要由瑞利波与拉夫波组成的表面波两种。体积波特别是其中的纵波能使岩石产生压缩和拉伸变形,它是爆破时造成岩石破裂的主要原因。表面波特别是其中的瑞利波,由于它的频率低、衰减慢、携带较多的能量,是造成地震破坏的主要原因。
2.3地震波的传播规律及特征
2.3.1地震波携带的能量很小炸药爆炸时,虽然用于破碎岩石的能量只占炸药爆炸释放能量的10%～15%,松动爆破时也不超过25%，但转换成地震波的能量更小,只不过占炸药爆炸释放总能量的百分之几,并随着岩石性质不同略有差异,在干土中约为2%～3%,在湿土中约为5%～6%,在岩石中约为2%～6%。
2.3.2爆破地震波与自然地震波不同爆破地震和自然地震虽然同属于能量释放引起地表振动的现象,但二者有明显的差异。一是频率不同,自然地震频率都很低,爆破地震频率则较高,从数十至数百赫;二是波的衰减速度不同,自然地震波衰减慢,爆破地震波衰减很快;三是持续时间不同,自然地震常持续达数分钟之久,而爆破地震持续时间最长也不超过数百毫秒。
2.3.3爆破地震波的频率与炸药性质有关实验说明,炸药爆炸时所产生的爆破地震波受炸药性质影响。低爆速炸药爆轰压力上升得慢,产生的爆破振动也小，反之,高爆速炸药爆轰压力上升得快,产生的爆破振动也大。
2.3.4爆破地震波的传播受地形地质条件影响爆破地震在坚硬的岩石中传播较慢,衰减也快,而在松软的岩石中传播则快,衰减也慢。爆破地震波在传播过程中,遇到断层、裂隙、解理面、采空区、巷道、河谷、山沟时,其裂度明显降低。
2.3.5爆破地震波的强度与爆破方法和参数有关爆破施工中,采用的爆破方法直接影响着爆破振动的强度。若用齐发或瞬发起爆,产生的爆破振动强度大;采用微差起爆,产生的爆破强度就小。另外,爆破振动强度与爆破药量、爆破作用指数等参数也有着直接关系。
2.4爆破地震振动强度及判据
2.4.1衡量爆破振动强度的物理量衡量爆破振动强度的物理量是非常复杂的,但是主要的有质点振动位移、质点振动速度和振动加速度等。究竟用哪一种量最能反映爆破振动的强度,到目前,国内外专家的看法还不能统一,但多数人认为选择质点振动速度为标准比较合适。我国GB6722-86《爆破安全规程》也是按质点振动速度作为判定爆破振动强度的判据。
2.4.2爆破振动物理量的计算大量的研究和实际测试表明,质点振动速度与一次起爆的炸药量成正比,与至爆源的距离成反比。由于试验的条件不一样,各国得到的计算公式也不同,但趋向却是一致的。当爆破作用指数为1时,我国常用的质点振动速度计算公式〔１〕为:
式中V——质点振动速度,cm/s;
Q——装药量(齐发爆破时为总装药量,微差爆破时为最大一段装药量),kg;
R——从测点到爆破中心的距离,m;
K ——与爆破场地条件有关的系数;
m ——装药量指数;
α ——与地质条件有关的系数。
2.4.3爆破振动的破坏判据及安全距离
炸药爆炸后,爆破地震波传至地表,将对地表建筑物产生破坏。为确定受破坏的程度,即确定爆破振动破坏的判据,国内外学者进行了大量的研究和测试,并基于前面所述的原因,普遍把受破坏物体质点垂直振动速度作为爆破振动破坏的判据。我国GB6722-86《爆破安全规程》也规定了安全距离计算公式:
R安 = ( K ) 1/α Qm (2)
V
式中R安——爆破地震安全距离,m 。
3爆破振动的控制及降震措施
矿山爆破,无论是地下矿山的中深孔爆破,还是露天大爆破,必须重视爆破振动的危害。特别是在距村庄民房或固定的建(构)筑物较近的区域爆破,为确保安全,避免引起民事纠纷,必须把爆破振动的危害控制在允许的范围之内。
3.1选取合理的爆破参数降低爆破振动
3.1.1选择适当的爆破作用指数对露天大爆破,特别是露天硐室大爆破,爆破作用指数n值的大小,较大的影响着爆破振动强度,在一定的范围内,它们之间成反比关系。根据资料介绍,n为1.5的抛掷爆破与n为0.8的松动爆破相比,振动速度可降低4%～22%〔2〕。因此,矿山爆破中,应尽可能获得最大
松动的爆破效果,以减少爆破振动强度。地下矿山的中深孔爆破,在合理选取爆破作用指数n值的同时,还必须创造一定的自由空间,使爆破获得最大松动。
3.1.2孔网参数要合理根据爆破机理的微分原理,为达到安全、合理之目的,使炸药均匀地分布在被爆岩体中,防止能量过于集中,达到减小爆破振动强度之目的。这就要求爆破设计中选取比较合理的孔网参数,一是炮孔密集系数要尽量大于1;二是采用大孔距小排距爆破新技术;三是减少炮孔超深;四是地下矿山扇形中深孔孔口堵塞长度要合理,防止孔口药量集中;五是采用孔内间隔装药。
3.1.3取合适的单位炸药消耗量单位炸药消耗量,是爆破设计中计算炸药量的一个非常重要的参数,它除对保证爆破效果起决定作用外,还影响着爆破振动的强度。过大的炸药单耗,会使爆破振动和空气冲击波增大,并引起岩块过度移动或抛掷。相反,炸药单耗过小,也会由于延迟和减小从自由面反射回来的拉伸波效应,从而使爆破振动增大。最优的炸药单耗,要通过现场测试和长期实践来确定。
3.1.4控制一次爆破炸药量一次爆破时的最大炸药量与爆破振动的强度成正比,一次爆破药量越大,爆破振动强度越大。爆破时必须严格控制一次爆破药量。采矿强度需要加大爆破药量时,必须采用分段(包括排间分段、孔间分段和孔内间隔分段)起爆,但不影响爆破总装药量和爆破矿石总量,满足生产需要。
3.2利用微差技术降低爆破振动强度
3.2.1微差起爆微差起爆,就是将爆破的总药量,分组以毫秒级的时间间隔进行顺序爆破,这完全符合爆破机理的微分原理,对减弱爆破地震效应有很大作用。大量的试验研究表明,在总装药量及其它条件相同的情况下,微差起爆的振动强度要比齐发爆破降低1/3～2/3。其降振率计算公式〔2〕为:
δ = (V-V1) / V = 1 - η2/3(3)
式中δ ——降振率,%;
V ——齐发爆破质点振动速度,cm/s;
V1——微差爆破质点振动速度,cm/s;
η ——齐发爆破总装药量与微差爆破最大一段装药量之比。
3.2.2按地震效应最小的原则确定微差时间大量试验研究表明,产生地震效应最低的微差时间同补充自由面以及利用爆破碎块碰撞进行补充破碎所需的微差时间是一致的。这就是说,选择地震效应最小的微差时间,不会影响爆破效果。确定微差时间的原则有三:一是使前后起爆的炸药量产生的地震波主震相不重叠;二是选取微差时间应使前后起爆的炸药量产生的地震波互相干扰;三是使排间延发时间大于排内延发时间。长期研究和实践证明,此时间一般选取30～５０ms为宜。这还要按不同的地质条件和环境,通过测试和长期观察来确定。
3.3改善爆破条件降低爆破振动
3.3.1选用低爆速、低威力的炸药在爆破施工中,选用低爆速、低威力的炸药,对降低爆破振动强度有一定的积极作用。试验研究表明,炸药的波阻抗ρD不同,爆破振动强度也不同,ρD越大,爆破振动强度也越大。当炸药的波阻抗ρD越接近岩石的波阻抗ρC,则振动强度会更大。若将2＃岩石炸药的爆速由3200m/s降到1800m/s时,其地震效应就可降低40%～60%〔2〕。
3.3.2创造良好的自由空间爆破试验研究得知,松动条件良好的炮孔爆破,即靠近自由面的炮孔爆破时产生的爆破振动小,因此,爆破施工中必须有充分的自由空间,配合微差技术,使所有炮孔均能有良好的自由空间,以便使炮孔爆破后,特别是后排炮孔爆破后产生的压缩波可以从这些自由面反射,获得最大的松动,以达到降低爆破振动的效果。
3.3.3调整爆破传爆方向爆破施工中,尤其是露天爆破施工中,爆源与被保护对象的相对方位不同,其振动影响也不同。实践表明,抛掷爆破时,最小抵抗线方向的振动最小,反向最大,两侧居中。成排的群药包爆破时,在药包中心连线方向比在垂直于连线方向的振动速度可降低25%～45%。
3.3.4利用自然条件爆破施工中,可充分考察并利用自然的河流、深沟、渠道、断层等自然条件,减弱地震速度的传播。如无自然条件可利用,必要时开挖减震沟,或采用预裂爆破,人为地形成垂直于地表的裂隙面,使地震波到达时发生反射。采用减震沟措施,一般可减震30%～50%,是减震的有效措施。
3.3.5全面分析保护对象矿山爆破中,被保护对象和地震传播介质一般是固定的。因此,要经长期的观测、分析、了解并掌握其性质、结构和抗震性能,采取相应的措施,必要时进行科学测试,从爆破地震波的波动规律和传播性能,以及建筑物的响应特性两个方面,通过进行频谱相干特性与建筑物的影响特征分析,合理确定爆破参数和与地质条件有关的系数,确定合理的安全距离。
4结束语
矿山爆破地震效应是一个很复杂的问题,影响因素较多。但是,经认真分析和研究,抓住几个关键的因素,采取适当的措施,完全可以减弱矿山爆破振动影响。既使被保护对象不受损坏,又避免因爆破引起矿群之间的民事纠纷,确保正常的矿山生产秩序。
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噪声控制,噪声治理
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