(1.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.鞍鋼礦業爆破有限公司，遼寧 鞍山 114051)
摘 要：為了準確分析臺階爆破振動作用下鄰近巷道安全性問題，以某鐵礦-68 m臺階爆破為工程背景，在鄰近爆區的巷道布置9個測點并進行爆破振動速度現場監測，研究爆破振動峰值速度在傳播過程中的衰減規律并將實測振速值與理論振速值進行比較；利用希爾伯特黃變換方法對巷道監測的信號進行分解與變換處理，根據爆破振動信號能量的分布特征進一步對巷道安全性做出評價。結果顯示：巷道內測點振動峰值速度集中于1~10 cm/s且主頻率變化范圍在10～50 Hz之間, 符合爆破振動安全標準，同時結合爆破振動監測數據及回歸分析確定了爆破振動衰減系數k、α并驗證實測振速值與理論振速值的相對誤差分布在1.3～3.8%之間，為巷道安全性預測提供參考。爆破振動瞬時能量譜出現5個峰值且在0.2 s時刻達到最大，應避免在0.2～0.5 s內起爆多段雷管以達到減少瞬時能量集中分布的目的。
關鍵詞：露天采礦；臺階爆破；爆破振動；信號分析
RESPONSE CHARACTERISTICS OF ADJACENT LANEWAY TO BLASTING VIBRATION
DONG Yingjian1，JIA Jianjun2，CHANG Yue1，NING Yuying1
(1. School of Mining Engineering, University of Science and Technology , LiaoNing Anshan 100083, China; 2. Ansteel mining blasting Co.,Ltd , LiaoNing Anshan 114051, China)
Abstract：In order to accurately analyze the safety problem of the adjacent roadway under the effect of bench blasting vibration, 9 measuring points were arranged at adjacent roadway in the depth of -110.2 m, conducting field monitoring of blasting vibration velocity based on -68 m bench blasting of the Dagushan Mine, and discussing attenuation law of propagation process of blasting vibration wave. The energy distribution characteristics of blasting vibration signals were explored by using HHT method to decompose and transform the signals. The results show that the blasting vibration velocity is distributed at 1～10 cm/s and the main frequency is concentrated on 10～50 Hz. Combined with the monitoring data of blasting vibration and the back analysis, the attenuation coefficient of blasting vibration is certained, and the relative error between the measured velocity value and the theoretical value is within the 1.3～3.8% acceptable range, which is the predicted of the peak velocity of blasting vibration. The instantaneous energy of blasting vibration appears 5 peaks and reaches the maximum value at 0.2 s. To reduce the damage effect of blasting vibration to adjacent laneway, avoiding detonation of multiple detonators at 0.2～0.5 s is imperitive in reducing the distribution of instantaneous energy.
Key words：open-pit mining; bench blasting; blasting vibration; signal analysis
0 引 言
露天礦 生產工程中，由于爆破效率高且達到的經濟效益可觀而視為礦山開采中首選的施工工藝，但臺階爆破在施工過程中產生振動引起爆區周圍構筑物的損害，因此有必要對爆區周圍環境進行安全性監測及分析。國內外專家針對爆破振動危害效應方面已做了大量的研究工作，其理論和成果日趨成熟完善。肖望等[1]以水電站壩基為研究對象，提出了爆破振動傳播規律的公式，研究了結構面與爆破振動速度的關系；陳思遠等[2]結合大冶鐵礦露天轉地下工程，提出了在深度影響下的爆破振動傳播規律；為了研究樁井爆破對周圍環境的影響，蒲傳金等[3]進行了爆破振動速度試驗，推導出高程修正公式，提高了預測精度；周俊汝等[4]運用數值模擬方法，分析了爆破振動主頻衰減機制與規律，對爆破振動的危害做出了準確的評價；針對公路隧道的圍巖由于爆破施工導致的穩定性問題，江杰等[5]對廣西玉象隧道開展了爆破振動監測試驗，提出了隧道質點振速的傳播衰減規律，對鄰近巷道安全性評估具有指導意義。
目前大部分學者針對露天礦爆破作業引起周圍環境的振動規律做出了深入的分析與研究，但多數爆破振動監測局限于地表，而對地下受爆破振動影響的巷道安全性研究還遠遠不夠。鞍鋼某鐵礦-68 ～-84 m臺階爆破施工過程中，考慮爆破振動對-110.2 m的巷道的危害效應，對巷道進行監測并分析爆破振動波衰減規律及爆破振動能量的分布特征，有利于巷道安全性的深入評估。
1 工程概況
監測礦山是鞍山鋼鐵礦業主要生產礦石地之一，為生產需求準備在-68～-84 m臺階進行爆破開挖，此臺階初始設計三個爆區，其中爆區1布置36個主爆孔(孔徑多大），炸藥類型為銨油炸藥，預裂孔24個，配合使用2號巖石乳化炸藥；爆區2布孔70個，其中主爆孔46個，孔距、排距均為4 m，孔深16～17 m，單孔最大裝藥量為150 kg，炸藥類型為銨油炸藥，預裂孔24個，孔深18 m，配合使用乳化炸藥；爆區3布置52個爆孔，其中主爆孔20個，孔深16 m,孔距、排距均為4 m，采用連續柱狀裝藥結構；預裂炮孔32個，孔深17 m，配合使用2號巖石乳化炸藥，采用徑向不耦合裝藥結構及逐孔微差起爆方式。考慮到臺階爆破振動對-110.2 m巷道的影響，依照《爆破振動安全規程》（GB6722-2013）的有關規定，對-68～-84 m臺階爆破作業進行振動監測，采集振動數據并進一步對爆破振動信號分析，為爆破施工現場提供科學的理論依據，同時有利于對巷道危害效應的準確預測。
2 臺階爆破振動監測內容
2.1 爆破振動峰值速度衰減理論
臺階爆破施工過程中，為描述爆破地震波的時頻特性及衰減規律，主要從爆破振動速度與頻率角度方面進行研究與分析[6,7]。該礦爆破施工在 -68 m臺階位置，監測對象巷道位于-110.2 m位置，測點與藥包垂直距離24 m，高程小于30 m，且高程影響不作考慮[8-10]。爆破振動質點峰值速度公式采用薩道夫斯基公式[11-13]：
（1）
式中，V為質點振動峰值速度，cm/s；K，a為與地質條件有關的衰減系數；Q為單段最大藥量，kg。
2.2 監測設備及測點布設
爆破振動監測采用的儀器是中國科學院成都測控公司生產的TC-4850測振儀，其中與測振儀配套使用的三向傳感器，同時能監測到水平切向x、水平徑向y和垂直方向z的速度。在3個爆區中，考慮到爆區3離巷道較近，以爆區3為主要監測對象，該爆區共布置52個鉆孔，均采用方形布孔形式，孔深13～17 m，孔距和排距均為4 m，主爆孔使用銨油炸藥3078 kg，而預裂孔使用乳化裝藥720 kg，采用導爆管雷管逐孔起爆。本次監測共布置9個測點，分別編號為1～9 #，其中1 #、2 #、4 #、7 #測點布置在爆區周圍的構筑物上，為了真實反映巷道的穩定性問題，將3 #、5 #、6 #、8 #、9 #測點分別布置在巷道內裂隙較為嚴重的67、65、71、66、69位置，測點具體布置如圖2所示。
2.3 數據及處理分析
通過對巷道進行爆破振動速度實時監測，共得到9組數據，將實測的三向速度數據進行篩選對比，發現垂直方向相對于水平切向、水平徑向振動速度較大，考慮將垂直方向的振速作為研究重點，對9組數據進行分析，研究爆破振動峰值速度的衰減規律及能量的分布特征，監測數據如表1所示。
由表1的爆破振動監測數據進行非線性擬合分析，運用origin軟件對以上測點進行擬合，得出爆破振動衰減系數K=141.66、a=1.74，并取相同起爆藥量中任意的一個測點如1 #、4 #、8 #測點進行校驗，將相關參數帶入理論公式，比較理論值與實測值的相對誤差，如表2所示。
由表1、2可得：爆破振動質點振動頻率集中在10～50 Hz，巷道內質點振動峰值速度集中1～10 cm/s，符合爆破振動安全控制標準（表3）。其中爆破振動實測值小于理論值，相對誤差范圍處于1.3～3.8%之間，造成該誤差可能原因有：測點數目過少且由于巷道環境因素使得傳感器無法安裝在鄰近爆區的巷道壁上;外界條件如設備、落石的等噪聲對爆破振動監測整個過程產生誤差。該理論公式對爆破振動峰值速度預測具有參考價值，需要在后期逐步修正以完善其準確性。
3 巷道監測信號的處理與分析
為了準確評估巷道在臺階爆破作用下的安全性，僅從質點振動峰值速度的角度研究缺乏說服力，難以將爆破振動對巷道的危害效應全面反映出來。而振動信號體現了爆破振動的本質特征，通過對爆破振動信號的分析來探索能量的分布規律，進而對巷道安全性作出真實性評價。
由于在5 #測點位置處巷道發生了小部分片幫情況，考慮爆破振動對巷道的影響，對5 #測點采集的數據展開研究，分析爆破振動信號的能量、頻譜等變化規律及分布特征，結果既可為臺階爆破施工安全提供保證，同時也為爆破效果及參數優化提供理論支撐。5 #測點爆破振動監測信號如圖3所示。
圖3 爆破振動信號波形圖
爆破振動信號作為一個非平穩且隨機的信號，不能按照傳統的方法對信號處理，為了真實反映信號的本質特征，對巷道所監測的5 #測點爆破振動信號進行經驗模態分解，獲得12個本征模態函數分量c1～c12，目的是將復雜的信號轉化一系列簡單、線性信號來處理，保證信號反映的真實信息不被損失和遺漏，經驗模態分解結果如圖4所示。
圖4 經驗模態分解結果圖
從圖4中可以得到爆破振動信號經過經驗模態分解后，信號中本征模態函數分量的高低頻率依次被分解出來, 其中c1～c6中波長較為接近，相對于后幾個分量來說頻率較大，可視為爆破振動信號的優勢頻段。其中c1分量頻率最大，攜帶能量較低，說明了在監測的過程中外界環境的干擾噪聲摻雜于信號之中，為了準確分析爆破振動對巷道的危害效應，優先對信號進行消噪處理以還原其本質特征。c2分量分解過程中在1.3～1.5 s范圍內出現了部分高頻集中情況，表明了分解初期信號的低頻率成分摻入高頻率中，導致了低頻率成分優先被分解，而部分信號高頻成分在初始階段沒有完全被分解出來，造成了信號處理過程中失真現象的發生，但從整個過程來看，爆破振動信號在傳播過程中頻率、振幅呈衰減趨勢，符合爆破振動波的傳播規律，部分分量c11的振幅卻有增加的變化，與爆破地震波在傳播時與周圍的質點頻率相近達到共振現象有緊密關系。爆破振動信號頻譜如圖5所示，從圖中可以看到爆破振動信號頻率大部分處50 Hz以下，爆破振動能量集中在0～50 Hz，能量在低頻率段分布較為均勻，對巷道的安全性影響較大，這與巷道發生小部分落石片幫情況相符合，但同時對優化爆破參數、改變起爆方式等提供借鑒參考，進而降低爆破對巷道的危害效應。
對監測的振動信號做進一步計算，從瞬時能量譜、三維能量譜、時頻譜等時頻特性角度分析鄰近巷道的安全性。從瞬時能量譜圖6中觀察到信號出現了5個瞬時能量峰值，這是由于爆破過程中多段雷管起爆共同作用下所導致的，此外在0.2 s時刻的瞬時能量最大，為降低爆破振動對巷道的危害，選擇合理的微差爆破延期時間，減少能量在0.1～0.5 s時間段的集中，而在0.6 s時刻以后爆破振動信號的瞬時能量逐漸趨于0狀態，反映出爆破地震波的能量在傳播過程中隨著時間逐漸衰減的特征。
為了表明爆破振動能量在時間、頻率的變化特征，建立能量與時間、頻率之間的關系。三維能量譜如圖7所示。從三維能量譜中分析得到，爆破振動能量在高頻帶分布較少，且主要集中在0～50 Hz范圍內，其中在0～0.5 s、0～50 Hz爆破振動能量較為集中，且在0.2 s時刻的爆破振動能量最大，與瞬時能量譜、頻譜的分析結果相吻合，考慮巷道的安全性，應避免在0.2～0.5 s起爆多段雷管以達到減少能量在低頻段的集中分布的目的。
圖7 三維能量譜
4 結 論
對某鐵礦-68 m臺階進行多次爆破開挖試驗，考慮到爆破振動對鄰近巷道的危害效應，在巷道內共布置9個測點并進行監測，對爆破振動監測結果數據處理以及爆破振動信號的分析得出以下結論：
（1）巷道內測點的振動峰值速度集中于1～10 cm/s，主頻率集中分布在10～50 Hz之間，符合爆破振動安全標準。
（2）結合爆破振動監測數據并利用回歸分析得到爆破振動衰減系數k=141.66，α=1.74，并對實測振速與理論振速對比，其相對誤差分布在1.3～3.8%之間，為巷道安全性評價提供理論依據。
（3）對巷道監測的爆破振動信號進行處理，得到了瞬時能量隨著時間變化的規律，其中爆破振動瞬時能量出現5個峰值且在0.2 s時刻達到最大，為降低爆破振動對鄰近巷道的危害效應，應避免在0.2～0.5 s內起爆多段雷管，以達到減少瞬時能量的集中分布的目的。
（4）由三維能量譜得出，爆破振動能量在高頻帶分布較少，其中在0～0.5 s、0～50 Hz爆破振動能量較為集中，且在0.2 s時刻的爆破振動能量最大，與瞬時能量譜、頻譜的分析結果一致。
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