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露天矿山爆破振动控制技术的综合评价
2020-05-11
爆破振动的评价及控制一直是矿山关心的重点问题。结合某矿山具体爆破开挖工程,通过对矿区附 近民房的调查,制定了单排减振孔、双排减振孔等控制技术方案,结合现场监测试验与数值模拟手段对振动速度和 加速度振级进行了综合评价;引入了无量纲系数分析减振孔形式对爆破振动的影响特性。研究结果表明:相对于 无减振孔试验,布置单排减振孔后峰值速度最大降振率可达到 49.8%,加速度振级降低 20%;而双排减振孔试验最 大降振率可达到 71.4%,加速度振级降低 60%,降振效果明显。通过无量纲影响系数的定量描述,减振孔深度及直 径对减振效果影响较大。
Series No. 526 April 2020 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 526 期 2020 年第 4 期 露天矿山爆破振动控制技术的综合评价 董英健1 于研宁1 郭连军1 徐振洋1 贾建军2 郭航伸1 包 松11 ( 1. 辽宁科技大学矿业工程学院,辽宁 鞍山 114051;2. 鞍钢矿业爆破有限公司,辽宁 鞍山 114046) 摘 要 爆破振动的评价及控制一直是矿山关心的重点问题。结合某矿山具体爆破开挖工程,通过对矿区附 近民房的调查,制定了单排减振孔、双排减振孔等控制技术方案,结合现场监测试验与数值模拟手段对振动速度和 加速度振级进行了综合评价;引入了无量纲系数分析减振孔形式对爆破振动的影响特性。研究结果表明:相对于 无减振孔试验,布置单排减振孔后峰值速度最大降振率可达到 49.8%,加速度振级降低 20%;而双排减振孔试验最 大降振率可达到 71.4%,加速度振级降低 60%,降振效果明显。通过无量纲影响系数的定量描述,减振孔深度及直 径对减振效果影响较大。 关键词 露天采矿 爆破振动 加速度振级 无量纲系数 减振 中图分类号 TD235 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2020)-04-020-07 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.202004004 Comprehensive Evaluation of Control Technology of Blasting Vibration in Open-pit Mine Dong(Yingjian Yu Yanning Guo Lianjun Xu Zhenyang Jia Jianjun Guo Hangshen Bao Song12 1 1 1 1 2 1 1. School of Mining Engineering,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,China; 2 . Ansteel Mining Blasting Co.,Ltd.,Anshan 114046,China) Abstract The evaluation and control of blasting vibration has always been the key issue concerned by the mine. Com⁃ bined with a specific blasting excavation project in a mine,through the investigation on the residential buildings near the min⁃ ing area,the control technical schemes of single row or double row damping holes are formulated,and the vibration velocity and acceleration vibration level is comprehensively evaluated by means of field monitoring test and numerical simulation;The dimensionless coefficient is introduced to analyze the influence characteristics of damping hole forms on blasting vibration. The results show that the maximum reduction rate of peak velocity and acceleration vibration level for single-row holes reached 4 9.8% and 20% respectively,compared with that without damping holes. However,the related maximum reduction rates for double damping holes reached 71.4% and 60% respectively,with significant damping effect. Through the quantitative descrip⁃ tion of non-dimensional influence coefficient,it is obtained that the depth and diameter of damping holes have great influence on the damping effect. Keywords Open-pit mining,Blasting vibration,Acceleration level,Non-dimensional coefficient,Reduction vibration [ 6] 爆破振动是施工过程中必然产生的自然现象, 影响着矿山的生产安全,一直视为露天矿山首要解 果条件下降低炸药量的减振措施。李宇星等 从爆 破振动的频率和速度角度出发,基于地震波传播理 [1-3] [7] 决的灾害 。如何控制爆破振动强度在安全范围之 论对爆区周围房屋稳定性展开了评估。占城 等将 [4] 内是目前面临的一个主要难点问题。雷明等 基于 爆破振动峰值速度理论分析了地下矿爆破振动产生 的冲击波对周围岩层的影响范围,进而对地下巷道 现场监测与数值模拟综合对建筑物的动态响应特 [ 8] 征,为建筑物安全稳定性提供预测。辛红园等 利用 ansys 分析软件对爆区邻近的输电塔展开了数值模 拟,保证了其安全性。文献[9-10]从岩石结构的角度 出发,建立振动传播与岩石结构的内在联系,提出了 [5] 稳定性做出了评价。张家斌等 利用统计学方法建 立了东川岭矿的爆破振动传播模型,在保证爆破效 基收稿金日项目期 “20十19三-五10”-国14家重点研发计划(编号:2016YFC0801603),辽宁科技大学人才项目资助(编号:60101150725),辽宁科技大学校研究生科 技创新项目(编号:LKDYC201819),辽宁科技大学院士专家工作站基金项目(编号:USTLYSG0803)。 作者简介 董英健(1993—),男,硕士研究生。通讯作者 于妍宁(1983—),女,讲师。 · 20 · 董英健等:露天矿山爆破振动控制技术的综合评价 2020年第4期 岩石性质对爆破振动的影响。结合国内外学者的研 究成果,本研究以某矿山工程为依托,利用现场试 验、数值模拟等手段从爆破振动速度、加速度振级角 度对控制爆破振动技术的可行性做出评价。 了验证方案的减振效果,分别对无减振孔、单排减振 孔、双排减振孔条件下爆破振动强度的监测以及对 减振孔的布置形式、数目等展开了定量分析。 2 现场测试 结合上述的提出的减振方案,在-96 m 台阶分别 对无减振孔、单排减振孔、双排减振孔条件下展开振 动速度、加速度振级监测,在单排减振孔方案中,共 布置 16 个减振孔,其中减振孔与爆破区域几何中心 为 15 m,按射线位置布置 4 个测点,每个测点之间的 间距为 10 m。而双排孔减振方案中,初步设计为 32 个减振孔,前排减振孔距离爆破区域几何中心仍为 15 m,同样也布置 4 个测点,每个测点之间的间距仍 为10 m。减振方案空孔布置如图 1所示。 1 工程概况 关宝山矿位于鞍山市高新区千山镇,隶属于鞍 钢矿业有限公司。在关宝山采场西区的西南侧,坐 落有山印子村,该村现有居民 270 户,距采场边界均 超过 100 m。结合地质条件,基于爆破地震波传播理 论,在离爆区几何中心 15 m 的位置分别布置单排减 振孔、双排减振孔。初步设计减振孔孔径为 250 mm, 孔间、排间距均为 2 m,配合使用 2 号岩石乳化炸药, 采用径向不耦合装药结构及逐孔微差起爆方式。为 3 结果分析 台仪器,仪器摆放位置由上述图 1 所示,进行爆破信 号收集。对单排减振孔、双排减振孔、无减振孔试验 的监测数据整理,由于本次监测数据较多,仅列举出 部分数据,统计数据结果如表 1所示。 3 . 1 爆破振动速度的对比分析 本次台阶爆破振动测试采用 TC-4850 振动监测 仪。-96 m 水平台阶深孔爆破时,在该台阶共布置 4 结合表 1监测的数据,为了直观地分析振动峰值 速度的变化规律,易于比较上述提出的减振方案的 优越性,绘制测点在单排减振孔、双排减振孔、无减 振孔条件下峰值速度变化曲线,如图 2~图 3所示,以 及对比 3种方案下的降振率,确定降低爆破振动对周 围介质的最优措施。 · 21 · 总第526期 金 属 矿 山 2020年第4期 本次测振共展开 10次,测振地点位于-96 m水平 台阶上。由表 1 可得:当在-96 m 水平台阶上没有布 置减振孔时,其中监测的最大峰值速度的达到 8.65 cm/s,位于测点 1 处;即使监测中峰值速度最小值也 达到了 5.10 cm/s,位于测点 4 处。总体振动效应较 大。 此,在距离爆区 15 m 处布置双排空孔降振效果最佳, 该结论可为现场施工提供指导意见。 3. 2 爆破振动加速度振级的对比分析 本次台阶爆破振动测试采用杭州爱华仪器有限 公司研究开发的振动加速度监测仪。-96 m 水平台 阶深孔爆破时,在该台阶共布置 4 台仪器,仪器摆放 位置由图 1 所示,进行爆破振动加速度信号收集,结 果见表 2。测试前,先将加速度传感器固定于基岩 上,然后将传感器接头连接完毕后,最后开启电源, 仪器进入工作状态;测试后,将仪器简单擦拭,并按 照要求放入工具箱。 在距离爆区 15 m 处布置单排空孔时,监测的水 平径向、水平切向、垂直方向振动峰值速度均有不同 程度的减小。测点 1、测点 2、测点 3、测点 4 的最大振 动峰值速度分别为 5.21 cm/s、4.87 cm/s、3.12 cm/s、 2 .56 cm/s,相对于无减振孔试验来说,振动峰值速度 降低了 39.7%、33.6%、56.1%、49.8%,可见降振效果较 为明显。 结合表 2 可以得出,相对于单排减振孔来说,双 排减振孔的降振效果更加明显。距离爆区 15 m 的双 排减振孔后方监测的加速度振级最大为 65 dB,位于 测点 1 位置,相当于无减振孔同位置的 0.59 倍、单排 减振孔同位置的 0.68 倍。另外相对于无减振孔方案 测点 1、测点 2、测点 3、测点 4 位置的加速度振级降振 率分别为 40.9%、49.1%、58.2%、60%,近似于单排减 振孔的试验方案的 2~3倍。综上可得出加速度振级 降振率:双排减振孔>单排减振孔。因此,在距离爆 区 15m 处布置双排空孔降振效果最佳,与所监测的 振动峰值速度相吻合。 针对布置的双排孔方案,在距离爆区 15 m 的位 置处布置两排空孔,在后排空孔外布置 4 个测点,结 合图 3 可以得出,相对于单排减振孔来说,双排减振 孔的降振效果更加明显。距离爆区 15 m 的双排减振 孔后方监测的峰值速度最大为 3.14 cm/s,位于测点 1 位置,相当于单排减振孔同位置的 0.62 倍。另外相 对于无减振孔方案测点 1、测点 2、测点 3、测点 4 位置 的降振率分别为 63.7%、63.4%、71.4%、61.8%,近似于 单排减振孔的试验方案的 2 倍。由图 2~图 3 可得出 爆破振动峰值速度:无减振孔>单排减振孔>双排 减振孔,而降振率:双排减振孔>单排减振孔。因 4 不同减振孔形式对爆破振动的数值模拟分析 4 . 1 数值模型的建立 选取某一部位设为研究区域,考虑到中深孔爆破 的实际特征,采用三维计算模型,共计划分约 22 900 个单元,231 000 个节点,因减振孔布置形式不同,各 计算模型单元与节点数略有差异。数值计算模型单 元划分及几何形状如图 4、图 5 所示。记录爆破振动 速度的测线位于模型中间位置。模型总长 100 m,高 · 22 · 董英健等:露天矿山爆破振动控制技术的综合评价 2020年第4期 1 6 m,宽 42 m。中深孔布置于模型的一侧,孔径 150 全吸收,此范围外的波也具有一定的吸收能力。本 模型的研究对象为爆破载荷,来自模型的内部,范围 有限。如果模型的范围足够大,选用静态边界可以 达到计算的精度要求。 mm,呈 6 m×6 m 方形布置,共计 32 个炮孔。减振孔 位于炮孔前端,呈 2 m×2 m 梅花型布置。屈服准则 选取 mohr模型,均质力学参数为弹性模量 35 GPa,泊 松比 0.22,黏聚力 1.05 MPa,内摩擦角 45°,抗拉强度 4. 3 炮孔壁压力计算模型 0 .5 MPa。 三角形荷载形式需要确定两大要素:爆破荷载 峰值、爆破荷载升压时间和作用时间。确定爆破荷 载峰值,即确定作用在炮孔壁上的爆生气体峰值压 力。在C-J爆轰条件下,炸药的平均爆轰压力为 ρe D2 PD = 式中,PD 为炸药爆轰平均初始压力;ρe 为炸药密度;D 为炸药爆轰速度,γ 为与凝聚态炸药性质和装药密度 相关的常数,近似取值2~3,本文取3。 , (1) 2 ( γ + 1) 空气冲击波后是爆轰产物撞击炮孔壁,孔壁受 到的压力明显增大,增大系数为 n=8~11,本文取 n= 9 。对于不耦合系数较小的柱状药包,此时炮孔壁上 冲击波峰值压力为 2 γ re rb l l e Pb = PD 式中,Pb 为作用在炮孔壁上的峰值冲击压力;re 为药 n , (2) ( ) ( ) b 柱半径;rb 为炮孔半径;l 装药长度;lb 分别为炮孔长 e 度。 1 σi = σr [ (1 + b )2 → 2 0 .5 2 ) + (1 + b )2 4 . 2 动力计算参数 ← -2μ d (1 - b ) (1 - μ d ] , ( 3 ) (1)阻尼的选取。由于岩体的运动是不可逆的 式中,σr 为径向应力;b = μ /(1 - μ );μ 为动态泊松 d d d 过程,要避免系统在平衡位置来回振荡,就要采用加 阻尼的办法来耗散系统在振动过程中产生的动能。 因而在动力分析时,需要确定阻尼形式和大小。 FLAC 动力计算中主要采用了 2 种形式的阻尼,即瑞 利阻尼(Rayleigh Damping)和局部阻尼(Local Damp⁃ 比,可以近似取静态泊松比的 0.8倍。如果σi 超过岩 石的动态抗压强度 σcd,则岩石将粉碎破坏。 4 . 4 无减振孔模型与减振孔模型的对比分析 在本次数值模型中,通过直径 250 mm 的 null 单 元模拟减振孔,参照岩石松动圈理论,对减振孔周边 倍直径范围的岩体单元进行弱化,弱化后单元体力 [11-12] ing) 。局部阻尼 FLAC 在静力计算中采用的阻尼 1 方法,在振动中通过在节点上增加或者减少质量的 [13] 方法达到收敛,但系统保持质量守恒 。本文选用 局部阻尼,选取目前岩土动力分析中的典型值 5%,从 而求得局部阻尼为 0.157 1。 学参数为弹性模量 1.5 GPa,泊松比 0.22,黏聚力 0.35 MPa,抗拉强度0.23 MPa,内摩擦角35°。 图 6 为无减振孔条件下的速率云图。图 7 为减 振孔条件下的速率云图,Ljz=9.0 m,布置 18 个减振孔 (指第一排减振孔),减振孔深等于炮孔深 14 m。可 以看出,由于减振孔的存在,减振孔周边的介质与周 边原岩介质间存在较为明显的力学性能差异。振动 波传播至减振孔部位后,受到明显的干扰,振动波于 减振孔范围振荡,爆破产生的振动效应受限于减振 孔与炮孔之间,减振孔对于振动沿 x正方向传播产生 了较为明显的阻断作用。 (2)边界条件。在动力计算中,波传播到模型边 界会产生反射,这势必会影响计算的结果。理论上, 模型边界选取的越大越好,但过大的模型会引起巨 大的计算负担,影响效率,可操作性差。因而在 FLAC 中提供静态边界和自由场边界来解决这个问 题。静态边界通过施加法向和切向的粘壶来吸收来 自模型内部的入射波,对于入射角>30°入射波可以完 · 23 · 总第526期 金 属 矿 山 2020年第4期 4 . 5 不同减振孔布置形式对振动波传播规律的影响 为了深入研究减振孔直径 Djz,孔深 Hjz,数目 Njz 异不影响,这主要由于减振孔对振动波的阻断作用 和两侧的吸收边界所致。可见减振孔数目对振动波 的影响不显著。 等因素对爆破振动波传播的影响程度,本文引入无 量纲影响系数 K 展开定量表述。K 表示无减振爆破 条件下测线上某点的 z 向振动速度与减振孔存在的 条件下同点 z向振动速度的比值。如图 8所示,Va30 表 示无减振孔条件下测线距第 1 排炮孔 30 m 处的 z 向 振速,Vb30 表示有减振孔条件下同一点的 z 向振速,则 K= Va30/ Vb30。K 值越大,表示减振孔的存在对振动波 衰减的影响越明显。在图 8 中,K 取值按距离 30、35、 4 0 m依次为1.56、2.14和1.787。 1)减振孔数目对振动波传播规律的影响。图 9 为 Djz=32 cm 和 Hjz=14 m 条件下减振孔数目(半侧)为 2,14 和 18 时对振动波传播规律的影响程度,可见, 在 30 m、35 m 和 40m 条件下,K 值最大相差为 7%,差 ( 1 (2)减振孔孔深对振动波传播规律的影响。图 10为 Djz=32 cm 和 Njz=18条件下,Hjz=6~14 m,步距 2 m · 24 · 董英健等:露天矿山爆破振动控制技术的综合评价 2020年第4期 时,减振孔孔深对振动波传播规律的影响程度,可 见,在 30 m、35 m和 40 m条件下,K值在 Hjz>10 m时较 大,此后,K 值明显减小。这主要由于减振孔孔底为 完整岩体,孔深减小意味着减振孔对炮孔装药断的 影响变弱,有利于振动波的传播。可见,K 值受减振 孔孔深的影响较为明显。 位置的 0.68 倍,且最大降振率可达到单排减振孔的 3 倍,降振效果显著。 (3)减振孔的存在导致了减振孔周边的介质与 原岩介质间力学性质发生较大的差异,减振孔的存 在对于振动传播产生了较为明显的阻断作用。 (4)减振孔布设在 20 个以上后,数目再持续增 加,对减振孔后区域内的减振效果不明显;减振效果 受减振孔的直径影响显著,当减振孔直径降至 24 cm 以下时且减振孔深小于 10 m 时,不易取得明显的减 振效果; 参 考 文 献 [ 1] 张天文,才庆祥,冀宪成,等 . 爆破振动对露天矿边坡稳定性的 影响[J].金属矿山,2016(3):48-52. Zhang Tianwen,Cai Qingxiang,Ji Xiancheng,et al. Effects of blast⁃ ing vibration on the slope stability[J]. Metal Mine,2016(3):48-52. (3)减振孔孔径对振动波传播规律的影响。图 1 1 为 Njz=18,Hjz=14 m 条件时,Djz=22~32 cm,步距 2 m [2] 张西良,仪海豹,辛国帅,等 . 高程对某露天矿边坡爆破振动传 时,减振孔孔径对振动波传播规律的影响程度。可 见,在 30 m、35 m 和 40 m 条件下 Djz=30 cm 时,K=1.4 左右,表明此时减振孔对振动仍存在一定的影响。 此后,当减振孔直径降至 22 cm 时,K=1.0 左右,表明 此时减振孔对爆破振动波基本上无任何影响。减振 孔的作用范围由 null 单元和松动圈弱化单元 2 部分 构成,其影响区域与减振孔半径的平方呈正比关系。 若减振孔过小,则减振孔存在的矩形区域内的大多 数单元与周边岩体介质单元力学性质相同,这对于 沿节点传播的运动速度,不易产生影响。 播规律的影响[J].金属矿山,2017(7):55-59. Zhang Xiliang,Yi Haibao,Xin Guoshuai,et al. Influence of eleva⁃ tion on the blasting vibration law in the slope of an open-pit mine [J]. Metal Mine,2017(7):55-59. [3] 董英健,郭连军,徐振洋,等 . 露天矿台阶爆破对邻近巷道的振 动监测及分析[J].中国矿业,2019,28(6):128-132. Dong Yingjian,Guo Lianjun,Xu Zhenyang,et al. Monitoring and analysis of vibration of adjacent roadway by bench blasting[J].Chi⁃ na Mining Magazine,2019,28(6):128-132. [4] 雷 明,潘 冬,张 文 .矿山爆破振动与地表车辆载荷相互影 响分析[J].采矿技术,2017,17(6):67-69. Lei Ming,Pan Dong,Zhang Wen. Interaction analysis of blasting vibration and surface vehicle load in mine[J]. Mining Technology, 2017,17(6):67-69. 5 结 论 (1)相对于无减振孔试验,单排减振孔振动峰值 [5] 张家斌 .小王山采区爆破振动对东川岭厂区影响安全论证分析 速度最大降低可达到 56.1%;而双排孔方案振动峰值 速度接近于单排减振孔同位置的 0.62 倍,最大降振 率达到71.4%,双排减振孔的降振效果更加明显。 [ J].中国矿业,2017,26(S2):412-414. Zhang Jiabin. Demonstration analysis of safety impact of blasting vi⁃ bration of xiaowangshan mine on the Dongchuanling plant[J].Chi⁃ na Mining Magazine,2017,26(S2):412-414. (2)针对双排减振孔布置方案,监测的加速度振 级近似于无减振孔同位置的 0.59 倍、单排减振孔同 [6] 李宇星,周 鹏 . 近地表井下爆破对地表建筑物稳定性影响的 · 25 · 总第526期 金 属 矿 山 2020年第4期 研究[J].采矿技术,2016,16(4):97-99. nation of blast-induced ground vibration equations for rocks using mechanical and geological properties[J].Journal of Rock Mechan⁃ ics and Geotechnical Engineering,2016,8(3):341-349. Li Yuxing,Zhou Peng. Study on the influence of near-surface un⁃ derground blasting on the stability of surface buildings[J]Mining Technology,2016,16(4):97-99. 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