爆破震动第1章 绪论.docx

1、爆破震动第1章 绪 论第1章 绪 论1.1 研究的背景及意义爆破是矿山生产主要环节之一。爆破质量的好坏不仅影响着矿山生产过程中的铲装、运输、机械破碎等后续工艺的效率和总的经济效益，而且对矿山生产安全也有重要影响。爆破震动是炸药爆炸后应力波在介质中的传播。就像爆炸使近区的介质发生破坏一样，当爆破引起目标物所处地带的震动幅值大于一定的数值时，会引起目标物的损坏。生产爆破震动是引起地下矿山巷道破坏的重要原因，也是诱发岩爆的主要因素之一。由于其地质条件的复杂性、多变性，一直是都是研究的重点难点。频繁的爆破或大爆破会造成地下建筑物的破坏（破裂、塌陷、冒顶等），同时会导致矿山地压的变化，从而诱发岩爆发生，

2、会影响企业的生产安全，降低生产能力，给工作人员人身安全造成重大伤害。通过对爆破震动的监测，得出可供分析的数据，以便进行研究，来优化爆破设计方案，减小生产爆破的破坏性。保国铁矿铁蛋山矿区位于辽宁省西北部北票市境内，属露天转地下开采，选用无底柱分段崩落法开采，下盘围岩较破碎，在矿石回采过程中地压显现明显，尤其处于下盘围岩之中的沿脉运输道，顶板下沉、开裂，帮壁开裂现象严重。加上保国铁矿单次爆破药量较大，进路回采爆破频繁，不可避免的对下盘运输道的稳定性造成干扰。虽然保国铁矿对下盘运输道采用了锚杆、金属网、钢拱架及喷射混凝土联合支护，但在爆破震动的扰动及自然形变作用下，地压问题仍然很突出。 (a)顶板冒

3、落 (b)两帮片落图1.1 +50水平的冒落、片帮现象因此对铁蛋山矿进行爆破震动监测，研究破碎岩体中爆破震动的传播规律，爆破震动对围岩、巷道稳定性的影响，以及各种爆破参数和传播介质对爆破震动信号特征的影响，从而对铁蛋山矿爆破震动产生的危害进行控制，对其爆破参数进行调整，为矿山安全高效生产提供有效指导。1.2国内外相关领域的研究及现状1.2.1 爆破震动传播规律爆破地震波是一种弹性波，它包括在介质内部传播的体波和沿分层岩石层面传播的面波。震动区的能量仅占爆炸总能量的很小部分，在岩石和干土中约为26，在湿土中约为56，在水中约为20%。但是，震动区内的应力波虽然已经大大衰减，这些具有一定强度的小震

4、幅震动仍足以使结构发生轻微破坏及发生不同程度的损伤破坏。由于近年来爆破震动事故频繁，使得对爆破震动区的研究越来越多。爆炸波从介质中的震源出发向外传播，将在各向同性介质中产生一个球面波。它的波阵面面积随r2而增加，流过单位面积的能量随r2而降低，从能量损耗的角度考虑，地震波强度应该随产r2或r的增大而衰减。同时，岩土介质中存在大量微观裂隙，客观上使地震波随传播距离的增大而不断呈指数形式衰减。根据我国爆破安全规程（GB6722-86）及国内外的一些研究成果，在中国和前苏联爆普遍采用的萨道夫斯基公式来研究爆破震动的传播规律1-3，由于地震波在传播的过程中，地形的变化对爆破震动效应的影响是很明显的；当

5、出现河沟、山谷、巷道、采空区、断层、裂隙时，震动效应明显减弱；当出现山坡、岩柱时，震动效应增强，称之为高程放大效应。于亚伦4指出萨道夫斯基公式仅适用于地势平坦的情况，对于高差较大的部位，还应考虑爆破地震波传播的高程效应。黄树棠、张雪亮5认为，不论地形多么复杂，地形的变化可以用高程的变化(高程差)近似表示，并且发现，高程差值为25105m时，岩石中的水平方向的质点速度增大1.233.04倍，垂直方向增大3.263.80倍；在表土中水平方向增大1.181.53倍，垂直方向增大1.321.79倍。刘美山等6、周同龄等7、宋光明等8、徐海亮等9、Ghosh等10及前苏联学者分别提出放映高程的震动速度传

6、播规律预测。震动波的强度随药包埋置深度的不同而变化11，随着深度增加，爆破震动波在地下向周围扩散时，能量损耗也逐渐增大，由于表面波和反射波的影响，地表测点震动大、衰减快，地下测点与地表测点相比，震动小、衰减慢。实际测量与研究发现12，地下某一深度的爆破在地表产生的诱导震动，以垂直爆破点上方的竖直速度最大，而水平速度较小；离该点越远竖直速度减小；水平震速随水平距离的增大，先是增大到某一峰值后再逐步衰减。远近区传播规律的不同，戈鹤川、杨年华建议将近距离震动衰减规律和远距离衰减规律分开考虑，当比例距离R1=R/Q210，认为近距离震动；R1=R/Q210认为是远距离。近距离震动K值较大，可达500以

7、上，值较大，可取2.03.0；远距离爆破震动，衰减指数K=130500，=1.32.0。G.L.Yang13、张庆松14、傅洪贤15等研究了爆破震动近区的传播规律与远区的规律不同，对近区震动危害控制提供有力指导。炸药性能对爆破震动波幅值也有显着影响16，通过近地表同药量的燃料空气炸药FAE和TNT爆炸震动对比试验，发现炸药性能对震动波峰值有显着影响，对震动波频则影响不大，距爆心等距离处FAE表现出峰值速度比TNT高的特性。众多文献研究表明，相同条件下同性能炸药爆炸，药量越大，震速越大；爆速越高，相同条件下产生的震动强度也越大。经过大量的研究成果显示，爆破震动强度不仅与爆破设计参数如药量、段间隔

8、时间、爆源距等有关，还与爆破场地的地质条件如地形地貌引起的高程差、岩性和岩体结构等有关17,18，其影响因素众多，起到的作用也不同。李洪涛19总结爆破介质夹制作用、孔径、爆源深度、装药结构、岩体条件、场地条件、与爆源相对位置等因素影响着爆破震动的传播规律。K、值与爆区地形、地质条件和爆破自身情况都相关，但K值更依赖于爆破条件的变化，值主要取决于地形、地质条件的变化。爆破临空条件好，夹制作用小时K值就小，反之K值大；地形平坦、岩体完整、坚硬，值趋小；反之破碎、软弱岩体、起伏地形，值趋大。K取值范围大部分在501000之内，取值在1.33.0之间。根据20经验总结K，值与之对应的岩性特征如表1.1

9、所示表1.1 不同岩石性质对应的K，值岩石性质K坚硬岩石501501.31.5中硬岩石1502501.51.8软岩2503501.82.0杨志强21在其硕士论文中总结了各种因素对爆破震动的影响，并指出其主要因素有：地形条件、爆心距、被保护体结构、段药量、微差时间、起爆顺序、最小抵抗线、不耦合系数八大因素；同时指出炸药种类、装药长径比、超深、填塞材料、填塞长度、炮孔倾角等，这些因素较上述八种因素对爆破震动影响要小。史秀志22通过灰色关联分析得出影响峰值质点震动速度因素的敏感性由强到弱依次为传播介质f值、总药量、最大段药量、炸药爆速、完整性系数、微差时间、前排抵抗线、测点与最小抵抗线方向夹角、高差

10、、水平距离和预裂缝穿透率；张艺峰23得出爆破参数特别是钻孔超深、排距、孔距对爆破地震效应影响最大，是影响爆破地震效应的主控因素，高程差、超深、最大一段药量对爆破震速的影响最大；田建军24得出，影响爆破震动速度的各因素与震动速度幅值的关联度有单段最大药量爆心距总装药量孔数目；沈蔚、徐全军25分析高度、最大段药量、距离、段数、总药量，其中高度、距离和最大段药量起着主要的作用；范磊、沈蔚26分析得出最大段药量影响较总药量大，高程影响是一个不容忽视的因素。并指出一般情况下，微差时间一般没有变化，孔距、排距、孔深、孔径、填塞长度、炸药种类、和装药结构，这些参数一方面对爆破地震波参数的影响不大，另一方面这

11、些参数受块度要求等制约条件影响的变化不大。范孝锋，周传波27通过实例分析得出各种参数对不同矿山爆破震动的影响程度不同，不同类型和力学性质的岩体爆破中，存在着不同的影响爆破震动的优势因素。1.2.2 爆破震动的影响因素爆破震动是一个相当复杂的过程，其影响因素很多，但由于受理论分析、实验条件以及其它客观因素的影响，现阶段不可能将爆破地震波的所有影响因素一一做定量分析，而只需抓住主要因素而加以控制，以期达到增强或减弱爆破地震波的目的。郑峰等人根据可控制性将影响爆破震动的因素分为两类28：一是人为不可控制因素，如地形地质条件、地质结构、传播途径等因素；二是人为可控制因素，即爆破参数。他们从微差爆破、药

12、包埋深和装药形式三方面阐述了爆破地震的影响因素，总结出通过控制爆破参数这一主要因素来控制爆破震动的结论。承前所述，爆破地震是一个多因素的复杂系统，其中有很多尚未清楚的灰色信息。随着交叉学科的发展，有人将灰色理论运用到爆破地震效应分析。指出最大段药量对爆破地震波的振动峰值和主频有着主要影响，而总药量对爆破震动的影响作用相对较弱，影响爆破震动持续时间的主要因素为段数，其次才是总药量。爆破点到测点的高度差对爆破振动峰值和主频亦有很大的影响。水平和垂直方向的振速与药量、炮孔深度、测点距离有密切关系，其关联顺序为药量炮孔深度测点距离，说明药量在爆破中影响最大。1.2.3 爆破震动的安全判据为了保持围岩顶

13、板稳定性和地下结构的安全性，科学工作者对爆破震动理论做了大量研究。发现爆破震动破坏效应实际上是结构体动态破坏问题，但人们对爆破震动的破坏机理有不同的认识，采用的结构体抗震设计方法也不相同，相应的抗震效果也就有所不同。众多研究表明爆破震动对结构体的损伤破坏与震动幅值、震动频率、震动持续时间以及结构体自身特性紧密相关5,29,30,31,32。而震动幅值是震动强度的主观体现，由此人们将震动强度、震动频率、震动持续时间称为爆破震动的三要素。国内外对爆破地震效应的研究广泛采用以衡量爆破振动强度的物理量(质点振动速度、加速度或位移)作为爆破振动安全的控制参量。但是，在这些物理量中，以哪一种物理量作为衡量

14、标准最合适，各国研究人员有着不同的观点和选择。国外曾先后采用过质点振动的最大位移、最大加速度、最大速度和能量比作为控制标准33。在对爆破地震效应研究的过程中，大量的测试资料和工程实践表明，地面质点振动速度与建(构)筑物破坏的相关性最好，因此，各国都逐渐采用质点振动速度作为衡量爆破振动强度的物理量5,34 阳生权等35通过理论分析和爆破安全判据的应用分析,得出结论：应把地震幅值、频谱和持续时间三者同时纳入爆破地震安全判据，建立多参数安全判据，以提高评估爆破地震安全的准确度和合理性。并重视爆破地震累积效应。汪旭光36在分析了我国采用振速-频率作为震动强度指标的必要性与可能性之后,提出了在制定我国新

15、的统一的爆破安全规程时,应考虑振速与频率综合影响的建议,即将振动速度和主振频率两个指标作为爆破震动安全判据。同时指出,在目前尚无一个理想的、被普遍接受的振动频率计算公式的条件下,根据我国已有的实测数据制定出不同地面建筑物和隧道的保护对象所在地的质点峰值振动速度和对应的频率,以经验数据代替计算公式,是目前唯一可行的方法。1.2.5 爆破震动的控制措施爆破震动危害控制一直是国内外爆破安全技术的重大研究课题，亦是一些学者致力于解决的难题。从以往对爆破震动危害控制的研究看，爆破震动危害控制的方法大致有三种：是针对爆源采取的措施；是针对所控对象采取的措施；是针对爆破地震波传播过程中采取的措施。目前在工程

16、实际中应用最多的或者说是各国学者重点研究的是针对于爆源采取的降震措施，其中干扰降震法、控制最大段药量、改变爆炸参数是较为常用的手段。(1) 干扰降震法干扰降震法的原理主要是将大爆破药量通过微差爆破，分段起爆已减弱单个震动波对结构物的破坏作用，如能合理的选择微差时间使多个震动波达到干涉降震，则能控制爆破震动的产生的破坏效应。(2) 控制最大段药量爆破震动的强度主要与找药量、爆心距、传播介质有关，在这些影响因素中认为控制最有效的是炸药量。研究成果表明，爆破震动强度主要取决于最大段药量，通过多段微差起爆方式，控制最大段药量，从而控制爆破震动峰值速度，从而既提高爆破生产规模，又能降低爆破产生的震动效应

17、。(3) 改变爆炸参数大量的实践表明，爆破震动强度与采用的爆破参数有关系，如炮孔直径、最小抵抗线、炸药性能、孔间距、排间距、起爆顺序和起爆方向等。如何通过改变爆破参数来达到降低震动效应在生产中受到一定的限制。工程实践表明，微差爆破技术已经成为降低震动效应，合理利用爆炸能的最主要的手段。确定微差延时时间是实现微差爆破的核心和焦点。然而，由于炸药性能、装药结构、介质性质、地质条件等所因素的复杂性，特别是实现微差爆破时中起决定最用的起爆器材的精度问题，使得微差延时时间的确定式中成为困扰工程爆破界的焦点难题。因此，需要根据一定的理论指导，从实际的爆破资料着手，如何精确确定合理的微差延时时间已成为是否能

18、真正实现降震的关键。1.3 研究内容、方法及技术路线图 爆破震动效应一直以来是广大学者和工程技术人员研究的重点和难点，至今为止，仍然有许多问题需要研究。本文结合铁蛋山矿实际生产情况，对矿区生产爆破进行监测，对监测所的信号进行分析，研究爆破震动速度的传播规律及其影响因素，为矿山爆破设计提供参考指导，为安全生产提供保障，具体研究内容如下：（1）通过现场调研，掌握铁蛋山矿区的地质资料、支护措施、采矿方法、爆破参数及地压分布规律等相关概况，为爆破震动监测方案的选择确定，提供资料与依据；（2）选择合理的爆破震动监测位置，制定详细的监测方案，选择合适的监测设备布设在监测位置，开展回采过程中巷道及沿脉巷道的

19、围岩震动监测测试；（3）通过对爆破震动波相关参数的分析，研究最大振速、主振频率等相关参数与爆破参数之间的关系及变化规律。（4）基于最小二乘法原理，得出爆破震动峰值速度预测模型，从而得出K、值，在此基础上，对矿山炸药使用情况提出改进建议，并提出合理的降振措施。3.3 铁蛋山爆破震动监测方案的建立保国铁矿下盘围岩较破碎，在矿石回采过程中地压显现明显，尤其处于下盘围岩之中的沿脉运输道，顶板下沉、开裂，帮壁开裂现象严重。加上保国铁矿单次爆破药量较大，进路回采爆破频繁，不可避免的对下盘运输道的稳定性造成干扰。虽然保国铁矿对下盘运输道采用了锚杆、金属网、钢拱架及喷射混凝土联合支护，但地压问题仍然很突出。影

20、响爆破振动的因素有很多，最大单段药量、装药结构、段间时间间隔、爆心距、排数等。结合保国铁矿工程布置，拟在收敛变形监测区域A、B中采取以下爆破振动测点布置方案分析进路回采爆破对下盘沿脉运输道的影响。图3.2 监测点布置剖面示意图(4月27日)表3.1监测点坐标监测点X坐标Y坐标Z坐标BP15820.272541.8120BP25801.022542.8820BP35786.092555.1320BP45801.332535.1835BP55788.992536.2435BP65777.732539.96353.3.1 +20m水平巷道的爆破震动监测方案+20水平主要在进行采切作业，为了分析上部岩

21、体爆破对分段沿脉运输巷道的影响，在该分段共布置3个爆破振动监测点，如图3.3图3.4所示。3个监测点按照垂直矿体走向方向，沿2210进路方向布置，该布置方式主要用来监测垂直矿体走向方向上质点振动强度，用以分析矿体的回采过程在垂直走向方向上的爆破振动波传播衰减规律及主要影响因素。监测区域图3.3 +20水平（A区）爆破震动监测点（BP点）布置图图3.4 +20水平（A区）爆破振动监测点（BP点）布置放大图3.3.2 +35m水平巷道的爆破震动监测方案+35m水平为主要回采生产水平，为了分析上部岩体对分段沿脉运输巷道的影响，在该分段共布置3个爆破振动监测点，如图3.5图3.6所示。3个监测点按照垂

22、直矿体走向方向，沿2113进路方向布置，该布置方式主要用来监测垂直矿体走向方向上质点振动强度，用以分析矿体的回采过程在垂直走向方向上的爆破振动波传播衰减规律及主要影响因素。3.3.3 爆破震动监测系统本次监测使用四川拓普测控科技有限公司生产的NUBOX-6016型智能振动监测仪，NUBOX-6016便携式数据采集设备是针对现场爆破、震动、冲击、噪声等测试而专门优化设计的，用于信号记录和分析的小型仪器。该仪器能对传感器（包括速度、加速度、压力、应变、温度等）产生的动态、静态模拟信号进行数字转换、存储，并有触发机制保证只对关心特征的信号进行正确记录；最多2048段分段采集，实现多段振动信号的连续自

23、动记录；配套提供BM View爆破振动专用测试分析软件；TDEC API动态链接库支持二次开发，并支持VC、VB、BCB、CVI、LabView等多种开发平台。本设备配套的TP3V-4.5 三维速度型传感器是一款实用的振动速度测量传感器，可以同时测量水平X向、水平Y向和垂直Z向三个方向的速度。广泛应用于机械振动、接触式位移、地震波、动平衡等多种测试领域。该型传感器具有安装简便、坚固可靠、体积小、测量精度高、抗干扰强等特点。其设备（图3.5）、BM View爆破振动监测系统（图3.6）、性能参数（表3.2）、传感器技术指标（表3.3）、设备原理图（图3.7）如下所示。监测区域图3.5 +35水平

24、（B区）爆破震动监测点（BP点）布置图图3.6 +35水平（B区）爆破振动监测点（BP点）布置放大图 （a）NUBOX6016数据采集设备 （b）TP3V-4.5 三维速度型传感器图3.7 NUBOX-6016型智能振动监测仪图3.8 BM View爆破振动监测系统图3.9 BM Ana爆破振动分析系统表3.2 NUBOX-6016性能参数名称参数名称参数最高采样率200KSps供电方式充电电池、外部直流电源量程300mm/s触发方式手动触发；出窗触发；入窗触发；外触发数据存储深度8G字节/台数据记录方式自动记录储存段数最大2048段分辨率16Bit输入信号带宽0Hz-40KHz直流精度误差小

25、于0.5%信噪比62dB表3.3 传感器主要技术指标垂直向水平向阻尼系数0.6020%0.605%频响5-500Hz自然频率4.510% Hz测速范围0.1-30cm/s灵敏度28.810%V/m/s线圈电阻3755%失真0.2%最大位移4mm 图3.10 设备原理图3.3.4 震动监测的内容目前在工程上应用最多的仍是爆破震动速度测试。我国新的（爆破安全规程）中，评估爆破安全距离时，就是采用考虑频率影响的质点峰值震速。因此本次测试采用质点峰值测试。爆破后用U盘导出数据，导入计算机，运用BM View回放功能，可读出整个爆破过程中的振动信号，并提供频谱分析、矢量合成等处理功能。爆破震动监测的内容

26、主要包括：（1）对爆破震动主振频率的监测。得出爆破震动主振频率的变化范围，研究爆破过程频率的变化规律，降低共振对沿脉运输巷道的破坏作用。（2）对爆破质点最大振速的监测。研究最大装药量与距离对沿脉运输巷道的振速影响的关系。3.3.5 传感器的安装爆破震动传感器的安装一直是测试关键问题，由于生产现场条件较复杂，巷道布置错综复杂，在布置传感器的时候需要严格应尽量避免隔空区，传感器应布置在围岩比较坚固的地方。在综合考虑现场因素以及不妨碍矿山生产顺利进行的情况下，利用围岩上原有的台面，用石膏将传感器固定在岩石上，围岩无合适台面的巷道，可下挖至基岩，然后浇筑水泥，形成有外露面的水泥台，使用速凝石膏来固定传

27、感器。在布置测点前，对测试设备进行统一的计时调整，使得设备计时时间统一为实际北京时间。传感器布置的要求：X放向将其指向爆心；水平方向的传感器的气泡要保持水平状态；固定基岩上。铁蛋山矿区支护良好，巷道平整，几乎没有合适的台面，所以采取开挖浇筑水泥台的方式，形成连接基岩的面。 (a)现场用速凝石膏安装仪器 （b）安装完毕等待触发图3.4现场安装照片第5章 爆破震动控制措施通过监测所得波形的分析，得到了距离、最大段药量对爆破震动波振速大小及频率分布的影响。本章中，我们将继续通过监测数据，找到最小比例距离，并结合经验公式，来建立铁蛋山矿的爆破震动峰值预测模型，从而得出铁蛋山矿安全爆破生产所允许的最大段

28、药量。最终，结合矿山实际生产情况，对铁蛋山矿爆破生产过程中存在或潜在的危害提出有效的解决措施。5.1 爆破震动信号的安全评价针对铁蛋山矿巷道围岩的不稳定问题，为了探究爆破生产对沿脉运输巷道的影响，本文利用迄今监测到的爆破震动监测数据，从最大振速及主振频率两个方面对铁蛋山矿的爆破生产进行安全评价。5.1.1 最大振速方面大量的现场试验和观测表明，爆破震动的破坏程度与质点峰值速度的大小较好的相关性，以质点峰值震速作为安全判据在世界各国得到广泛采用，因此本文先从最大振速方面来对爆破生产的安全性进行评价。根据表4.3现场的爆破监测结果，可得出其最大振速的统计表，如表5.1。表5.1 爆破震动监测最大振

29、速整理日期最大振速（cm/s）日期最大振速（cm/s）2014.4.307.5442014.5.224.6346.384.2644.8140.1672014.5.14.3532014.5.2313.5246.6960.2515.7170.292014.5.23.2540.3142.5342014.5.248.3670.2216.4210.2170.1822014.5.33.9450.2273.8762014.5.258.3642.916.5931.014.5380.1870.2422014.5.123.8210.2673.5232014.5.265.4460.0444.2160.0812.83

30、72014.5.139.2160.256.050.2870.3520.2870.4112014.5.283.052014.5.142.3133.052.193.050.3380.3050.080.3050.0512014.5.297.322014.5.217.4086.15.696.13.549从表4.3中可以看出五月份铁蛋山矿爆破生产中震动波传递至监测点的最大振速范围为0.44cm/s13.524cm/s，根据我国爆破震动安全标准（GB6722-1986），如表5.2。表5.2 我国爆破震动安全标准（GB6722-1986）建筑物分类爆破安全震动速度/（mm/s）土洞窑，土坯房，毛石房10一般砖房，非抗震性大型砌块建筑物2030钢筋混凝土框架房屋50钢筋混凝土水工隧道100钢筋混凝土交通隧道150围岩不稳固但有良好支护的矿山巷道100围岩中等稳固但有良好支护的矿山巷道200围岩坚固无支护的矿山巷道300铁蛋山矿沿脉运输巷道属围岩不稳固但有良好支护的矿山巷道，爆破安全振速为10cm/s，表明绝大多数