地下开采爆破振动对地表构建筑物的影响研究-sup-①-_sup-_刘滨.pdf

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地下开采爆破振动对地表构建筑物的影响研究 ① 刘 滨1, 陈 冠2, 李 易2, 李启月2 (1.山东黄金矿业股份有限公司 新城金矿,山东 莱州 261438; 2.中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083) 摘 要 为考察山东某金矿地下开采爆破振动对地表建筑物的影响,采用 Instantel Blastmate Pro 6 振动和过压监测仪分别在地下某 采场爆破工作面附近和地表构建筑物开裂附近进行振动监测。 通过地下开采爆破振动监测数据和 MATLAB 软件,回归拟合得到爆 破振动速度衰减公式 萨道夫斯基公式,理论计算结果表明,地表构建筑物附近爆破振动不会对地表建筑物造成影响。 通过地 表构建筑物附近振动监测数据和 Origin 软件,得到地表构建筑物附近爆破振动质点振动速度值和频率值,再次从实际层面论证了 地下开采爆破振动不会对地表构建筑物造成影响。 关键词 爆破振动; 质点振动速度; 振动监测; 构建筑物 中图分类号 TD235文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2017.04.001 文章编号 0253-6099(2017)04-0001-05 Effects of Vibration from Underground Blasting on Stability of Surface Buildings LIU Bin1, CHEN Guan2, LI Yi2, LI Qi⁃yue2 (1.Xincheng Gold Mine, Shandong Gold Mining Co Ltd, Laizhou 261438, Shandong, China; 2.School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China) Abstract In order to investigate the effect of vibration from underground blasting on the surface building, Instantel Blastmate Pro 6 was adopted to monitor both surface and underground vibration. The obtained data were taken in the regression analysis and curve fitting by using MATLAB software, resulting in an attenuation law, Sadaovsk formula. The theoretical calculation results show that, vibration from blasting adjacent to the surface building won′t bring any impact on the building. The nearby vibration monitoring data for the surface building were analyzed with Origin software, with the peak particle velocity and frequency of vibration obtained, which can also verify that the undergrounding blasting has no relationship to the cracked buildings. Key words blasting vibration; particle velocity; vibration monitor; building 爆破作为一种高效实用的破岩方式被广泛应用于 矿山、路桥和水利工程等。 在爆破被广泛应用的同时, 其产生的负面影响也越来越受到人们的关注,尤其在 爆破振动对构建筑物的影响方面,国内外学者进行了 一系列研究[1-10]。 地下开采爆破与地表爆破存在采深的区别,若通 过地表振动监测的方式监测爆破振动速度,监测到的 数据可能不真实。 为获得地表构建筑物的振动速度 值,在地下开采巷道附近布置测点,监测地下开采爆破 振动引起的有效振动速度值,并利用萨道夫斯基公式 对地下监测得到的数据进行回归,得到振动速度衰减 公式,进而计算出地表构建物周边有效振动速度值。 通过地下振动监测与地表振动监测相结合的方式,不 仅能够得到爆破振动速度衰减公式和准确的频率值, 而且可以验证爆破振动速度衰减公式的准确性,为今 后研究地下开采爆破振动对地表构建筑物的影响提供 更为精准的研究思路。 1 工程背景 山东某金矿Ⅴ#矿体位于-430 ~ -732 m 标高、 159#~ 191#地质勘探线之间,矿体走向 NE40,倾向 NW,倾角约 40。 矿体位于焦家断裂带中,岩体主要 组成成分为破碎岩和花岗质破碎岩,岩石普氏系数为 8~10,从矿井生产情况看,矿体整体构造不发育,岩体 较稳定。 已知在矿体地表约 NW43位置存在一个村庄, 该村庄距生产采场水平约 559 m,垂直距离约 599 m, ①收稿日期 2017-02-13 基金项目 国家自然科学基金(51374243,41372278) 作者简介 刘 滨(1979-),男,山东莱州人,工程师,主要从事矿山技术与管理工作。 通讯作者 陈 冠(1993-),男,湖南娄底人,硕士研究生,主要研究方向为爆破与采矿。 第 37 卷第 4 期 2017 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.37 №4 August 2017 ChaoXing 具体位置如图 1 所示。 根据当地村民反应,村庄部分 民用普通砖瓦结构房屋出现墙壁开裂现象,为了论证 房屋的开裂是否由地下爆破振动造成,根据我国爆 破安全规程(GB6722-2014) [11]对现场进行爆破振动 监测。 -580CM175 1303101 820 m599.7 m 559.2 m 2 3 V矿体 47 0 -200 -400 -580 -600 -800 0 -200 -400 -580 -600 -800 图 1 地地表构建筑物与爆源的位置关系 1 刘家村村民房屋开裂点及振动监测点; 2 爆源地面投影点; 3 爆源 该矿主要采用机械化上向分层充填采矿法,采场 回采爆破包括采场拉底切割爆破、一步采场回采爆破 和二步采场回采爆破。 一步采采场采用 2#岩石乳化 炸药,共布置4 排炮孔,排距0.6 m,孔距0.7~1.2 m,孔 径 40 mm,孔深 4 m,堵塞 0.2 m,采场炮孔布置及延期 时间如图 2 所示,炮孔爆破设计参数如表 1 所示。 辅 助孔采用反向连续装药,周边孔采用反向空气间隔装 药,采用半秒延期非电导爆管雷管起爆。 0.7 1.2 HS5 HS3 HS2 HS1 8.0 0.6 0.6 3.3 4.8 0.6 图 2 采场炮孔布置及延期时间示意 表 1 一步采爆破设计参数表 炮眼 编号 炮眼 名称 段 别 炮眼 数目 导爆管 数目 炮眼 长度/ m 每眼装药 量/ kg 单段药 量/ kg 填塞长 度/ m 1辅助眼1664.02.414.40.2 2辅助眼2664.02.414.40.2 3辅助眼3884.02.419.20.2 4控制眼519384.00.815.2 小计395863.2 2 基于萨道夫斯基公式的爆破振动速 度回归分析 2.1 地下振动监测 采用 Instantel Minimate Pro 6 爆破测振仪对位于 -565 m 分段的某一步采采场中远场振动进行跟踪监 测,在 2 个分段采场、联络巷、分段运输巷和石门分别 布置 1 个三轴振动检波器(传感器),用生石灰将检波 器固定在底板岩石表面,爆破区域和测点布置如图 3 所示,监测点与爆源之间的距离如表 2 所示。 图 3 地下爆破振动监测位置示意 表 2 地下监测点距爆源的距离 测点编号距爆源距离/ m高程/ m 130.3-579.0 249.5-579.0 379.2-570.4 4125.5-569.8 2.2 爆破振动监测结果 为准确得到该一步采采场爆破振动数据,多天定 点对该采场进行跟踪监测。 经过数天监测,将测得的 数组振动数据通过 Blastware 软件和 Origin 软件进行 数据筛选,准确获得 5 组一步采采场开采爆破引起的 振动数据,如表 3 所示,其中第 1 组 1#传感器测得的爆 破振动速度⁃时间曲线如图 4 所示。 2.3 基于萨道夫斯基公式的地表爆破振动速度拟合 根据我国 GB6722-2014[11]规定,采用萨道夫斯基 公式对地下爆破振动进行回归分析 R = K V ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 α Q 1 3 (1) 式中 R 为爆破振动安全允许距离,m;Q 为炸药量,齐 发爆破时为总药量,岩石爆破时为最大单段药量,kg; V 为保护对象所在地安全允许质点振速,mm/ s;K,α 分别为爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的 系数和衰减指数,通过现场试验确定。 利用表 2 及表 3 数据,计算出爆破振动的比距离 (Q1/ 3/ R)值,在 MATLAB 软件中绘制出比距离(Q1/ 3/ R) 与质点振动速度矢量和 V 的散点图,并对散点图进行 回归拟合,得到拟合曲线如图 5 所示。 2矿 冶 工 程第 37 卷 ChaoXing 表 3 地下爆破振动监测数据 数据组 编号 传感器 编号 爆心距 / m 最大单段药量 / kg 质点振动速度/ (mms -1 )频率/ Hz 水平切向垂向水平径向矢量和水平切向垂向水平径向 130.315.516.10060.60021.90060.800323434 1 249.515.527.60034.10028.50038.000575173 379.215.54.1101.9204.1804.33064>10085 4125.515.50.4920.5870.7300.80073>100>100 134.314.421.20046.70023.20047.600473032 2 253.514.418.30040.70025.30050.300235720 383.214.41.8902.8105.3805.540>100>100>100 4129.514.40.4600.5870.5870.811>100>100>100 138.314.416.40053.90015.50054.000342730 3 257.514.417.50035.00014.30038.400347330 387.214.42.8401.3703.4903.50073>100>100 4133.514.40.3020.4760.5870.642>100>100>100 142.316.016.30017.50013.30019.000735785 4 261.516.07.48014.8009.47016.000>1002485 391.216.02.7802.0007.1007.450>100>100>100 4137.516.00.3020.3810.3970.497>10085>100 150.319.08.58020.5007.27021.200643734 5 269.519.010.50015.30015.60018.900>1008573 399.219.02.1601.7004.0304.23085>100>100 4145.519.00.2700.3330.3330.477>100>100>100 时间/s 30 20 10 0 -10 -20 -30 0.50.01.01.52.02.53.03.54.0 振动速度/mm s-1 水平切向 垂向 水平径向 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 30 20 10 0 -10 -20 -30 图 4 第 1 组 1#传感器爆破振动速度⁃时间曲线 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.030.010.050.070.090.11 V/ mm s-1 1 3 Q R kg m-1 1 3 实测数据 拟合曲线 图 5 地下爆破振动监测数据散点图及回归拟合曲线 拟合公式为 V = 169.8 Q 1 3 R ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1.373 (2) 式中 K=169.8,α= 1.373,符合 GB6722-2014[11]中 K, α 的常用取值,初步验证回归所得萨道夫斯基公式是 可靠的。 由图1 可知,爆源距地表建筑物的距离约为820 m; 对地下所有爆破工作面进行调查,得知地下开采爆破最 大单段药量为 20 kg。 将数据代入式(2)中,计算得到地 表构建筑物周边爆破振动速度矢量和值为 0.67 mm/ s, 远远低于 GB6722-2014[11]中规定的最大安全允许振速。 3 地下开采爆破振动对地表构建筑物 的影响 3.1 地表振动监测及数据分析 为直接论证地表构建筑物上的破裂是否由地下采 场开采爆破振动引起,在地表出现破裂的刘家村构建筑 物周边布置测点进行监测,通过 GPS 定位仪与罗盘定 位爆源,将 Instantel Minimate Pro6 传感器指向爆源,在 地下爆破期间进行定点监测,其具体布置如图 6 所示。 为获取地下爆破振动信号,将 Instantel Minimate Pro6 测振仪触发水平设置为 0.127 mm/ s,由于触发水 平低,在长达 8 天的定点监测中,在房屋附近共监测到 上百组振动数据。 利用 Origin 软件将振动监测数据进 行放大处理,经过反复分析发现 2 组疑似爆破振动数 3第 4 期刘 滨等 地下开采爆破振动对地表构建筑物的影响研究 ChaoXing 据,具体如表 4 所示,爆破振动信号经过 Origin 放大处 理后的质点振动速度峰值⁃时间曲线如图 7 所示。 图 6 地表振动监测示意 表 4 地表监测爆破振动数据 数据组 编号 质点振动速度/ (mms -1 )频率/ Hz 水平切向垂向水平径向矢量和水平切向 垂向 水平径向 10.078 80.3230.2210.35332434.4 20.1020.1890.8830.8852324N/ A 时间/ms 时间/ms 0.9 0.6 0.3 0.0 -0.30 50010001500 质点振动速度/mm s-1 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.40 50010001500 质点振动速度/mm s-1 a b 垂向 垂向 水平径向 水平径向 水平切向 水平切向 图 7 经 Origin 放大后的爆破振动信号 (a) 1 组; (b) 2 组 3.2 地下开采对地表构建筑物影响结果论证 根据我国 GB6722-2014[11]中爆破振动安全允许 距离对于一般民用建筑的规定,通过地下振动监测与 地表振动监测相结合的方式,从理论分析与实际监测 两部分论证了该金矿地下开采爆破产生的振动对地表 构建筑物并不会造成影响。 基于萨道夫斯基公式的爆破振动速度回归拟合, 得知地表刘家村房屋开裂处的质点振动速度矢量和峰 值为 0.67 mm/ s,地表振动监测显示频率范围为 10~ 50 Hz,其值远远小于规程中规定在频率范围为 10~ 50 Hz 时,安全允许质点振动速度 20~25 mm/ s。 地表刘家村房屋开裂附近振动监测结果显示,爆 破振动信号质点振动矢量和峰值为 0.885 mm/ s,频率 范围为 10 Hz<f≤50 Hz,亦远小于规程中规定的质点 安全允许振动速度。 3.3 回归模型准确性验证及其应用 根据地下爆破振动信号回归拟合所得萨道夫斯基 公式,计算出在距离爆源 820 m 的地表房屋开裂处质 点振动速度矢量和峰值为 0.67 mm/ s,与地表房屋开 裂处实测得的质点振动速度矢量和峰值的绝对误差为 0.21 mm/ s,相对误差范围约为 30%。 但考虑到如下几 个影响因素 1) 岩石是非均匀介质,地下爆破点到地表监测点 间,岩石物理力学性质存在差异。 2) 计算地表房屋破裂处质点振动速度矢量和峰 值时,采用的 K 和 α 值是根据地下爆破地点到地下监 测点之间的地形、地质条件选取的,该值并不能完全代 表爆破点到地表房屋破裂处之间的地形、地质特征。 3) 地下存在多个爆破工作面,无法确定地表监测 到的爆破振动信号由哪个爆破工作面引起。 因此,认为该误差是工程可接受的范围,即根据地 下一步采采场爆破振动信号回归拟合所得萨道夫斯基 公式是可信的。 该回归拟合所得的萨道夫斯基公式,在计算某一 位置质点振动速度矢量和峰值的同时,也用于可进一 步指导矿山安全生产,具体论述如下 1) 确定最大单段药量为 20 kg 时,可得爆源距与 质点振动速度矢量和峰值之间的曲线关系如图 8 所 示,根据该曲线与 GB6722-2014[11]中规定的安全允许 质点振动速度,以确定安全允许距离。 R/m ■ ■ ■■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ 40 30 20 10 0 1002000300 400500 600800700900 V/mm s-1 图 8 爆源距与质点振动速度关系曲线 2) 根据 GB6722-2014[11]规定矿山巷道,频率范 围在 f≤10 时,安全允许振速为 150~180 mm/ s,确定 4矿 冶 工 程第 37 卷 ChaoXing 质点振动速度为 150 mm/ s,可得到不同爆源距与最大 单段药量之间的关系曲线(如图 9 所示),可据此指导 爆破装药量的设计。 R/m ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 350 300 250 200 150 100 50 0 510015202530403545 Q/kg 图 9 爆源距与最大单响药量关系曲线 4 结 论 1) 利用地下采场爆破振动跟踪监测与地表房屋 开裂处定点监测相结合的方式,从理论和实际两方面 对地下开采爆破振动对房屋的影响做出分析和评价, 得到金矿地下开采爆破振动不会对房屋造成影响。 2) 利用 MATLAB 对地下开采爆破振动监测数据 进行回归拟合,并由地表爆破振动数据对回归拟合结 果进行验证,得到适用于该矿山的爆破振动速度衰减 公式 萨道夫斯基公式。 3) 利用回归拟合的萨道夫斯基公式,得到在现行 爆破设计下(即最大单段药量值为 20 kg 时),地下开 采爆破振动的安全距离,以及在保证矿山巷道在 GB6722-2014 规定的安全允许质点振动速度的条件 下爆源距与最大单段药量之间的曲线关系,此关系式 为今后矿山爆破参数设计提供了依据,对今后矿井安 全生产具有指导作用。 参考文献 [1] 言志信,彭宁波,江 平,等. 爆破振动安全标准探讨[J]. 煤炭学 报, 2011(8)1281-1284. 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[11] GB6722-2014, 爆破安全规程[S]. 引用本文 刘 滨,陈 冠,李 易,等. 地下开采爆破振动对地表构建 筑物的影响研究[J]. 矿冶工程, 2017,37(4)1-5. 矿冶工程杂志 2018 年征订启事 矿冶工程(双月刊)由中国金属学会、长沙矿冶研究院有限责任公司主办,面向国内外公开发行。 本 刊是中国期刊方阵“双效期刊”、全国中文核心期刊、中国科学引文数据库(CSCD)及中国学术期刊综合 评价数据库来源期刊、中国核心学术期刊(RCCSE),是集学术性和技术性于一体的综合性刊物,已被中国 知网(CNKI)、万方数据库、重庆维普资讯、台湾华艺数据库等全文收录,是国外多家知名检索机构的检索对象。 矿冶工程读者对象是采矿、选矿、冶金、材料、地质、化工等系统的有关生产人员、院校师生和管理人 员。 主要栏目为采矿、选矿、冶金、材料、矿冶行业企业管理等,内容新颖,是开拓、激发创造力的良师益友。 矿冶工程编辑部承接彩色、黑白及文字广告业务,欢迎各企事业单位来电来函联络。 矿冶工程真诚欢迎新、老订户向全国各地邮局订阅本刊,也可直接向编辑部订阅。 邮发代号42-58, 大 16K,定价 20 元,全年 120 元。 地 址 湖南省长沙市麓山南路 966 号联 系 人 黄小芳 邮 编 410012开户名称 矿冶工程杂志(长沙)有限公司 电 话 (0731)88657070/88657176/88657173开户银行 工商银行长沙左家垅支行 传 真 (0731)88657186帐号 1901013009201095502 E-mail kuangyegongchengzz@ 163.com 5第 4 期刘 滨等 地下开采爆破振动对地表构建筑物的影响研究 ChaoXing
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