半煤岩巷道掘进爆破振动监测分析_庄又军.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 半煤岩巷道掘进爆破振动监测分析 庄又军 1， 石 刚 1， 高敬东1， 张 卫1， 杨秉真1， 张 浩 2 （1.山东东山新驿煤矿有限公司， 山东 济宁 272116； 2.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室， 山东 青岛 266590） 摘要 为研究半煤岩巷道掘进爆破振动规律及其对围岩松动圈的影响， 以新驿煤矿半煤岩段 巷道为试验地点， 开展了爆破振动及松动圈现场测试。分析爆破振动监测数据表明 半煤岩巷道 掘进爆破主振频率在 50～250 Hz， 同段雷管起爆的药量较大时引起爆破主振频率较高； 实测爆破 振动速度大于理论计算值， 借助萨式公式回归拟合了爆破振动衰减公式， 并计算了不同岩层爆 破安全允许距离。 分析松动圈检测数据表明 砂岩层围岩松动圈范围为 1～1.25 m， 煤层围岩松动 圈为 1.25～1.5 m； 爆破振动对砂岩层围岩扰动较小， 对煤层围岩松动圈增加了约 0.2 m； 随着自 由面的增多， 爆炸总能量在岩体内传播随之减少， 此时爆破振动对围岩扰动变小。基于监测分析 成果， 提出了装药结构、 支护参数等方面改进措施。 关键词 半煤岩巷道； 爆破振动； 回归拟合； 安全距离； 围岩松动圈 中图分类号 TD235.4 6 文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 11-0258-05 Analysis on Monitoring of Blasting Vibration in Semi Coal and Rock Roadway Excavation ZHUANG Youjun1, SHI Gang1, GAO Jingdong1, ZHANG Wei1, YANG Bingzhen1, ZHANG Hao2 （1.Shandong Dongshan Xinyi Coal Mine Co., Ltd., Jining 272116, China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China） Abstract To study the regularity of blasting vibration of semi coal and rock roadway and its influence on the broken rock zone, the semi coal and rock roadway of Xinyi Coal Mine is taken as the test site, and the field test of blasting vibration and broken rock zone is carried out. The monitoring data analysis of blasting vibration shows that the main vibration frequency of excavation blasting in semi coal and rock roadway is 50 Hz to 250 Hz, and the main frequency of blasting vibration is higher when the detonating charge of the same section of detonator tube is large. The measured blasting vibration velocity is higher than the theoretical value, and the blasting vibration attenuation ula is fitted by using Sadov’ s ula regression, then the permissible safe distance of blasting in different rock layers is calculated. The analysis of the test data of the broken rock zone shows that the range of the broken rock zone of sandstone layer surrounding rock is 1 m to 1.25 m, and the range of coal seam surrounding rock is 1.25 m to 1.5 m. The blasting vibration has little disturbance to the surrounding rock of sandstone layer, and the broken rock zone of coal seam increases by about 0.2 m. With the increase of free surface, the propagation of total explosion energy in rock mass decreases, and the disturbance to surrounding rock by blasting vibration becomes smaller. Based on the results of monitoring and analysis, the improvement measures of charging structure and supporting parameters are put forward. Key words semi coal and rock roadway; blasting vibration; regression fitting; safe distance; surrounding rock loosing circle 巷道掘进过程受煤厚条件、断层延展分布复杂 等地质构造制约，不可避免的遇见半煤岩巷道。据 统计，我国煤矿半煤岩巷道的掘进工程量约占巷道 掘进总量的 20[1]。半煤岩巷道作为 1 种各向异性 的特殊围岩结构，具有非均质及分层性的特征， 两 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.053 庄又军， 石刚， 高敬东， 等.半煤岩巷道掘进爆破振动监测分析 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 258-262. ZHUANG Youjun, SHI Gang, GAO Jingdong, et al. Analysis on Monitoring of Blasting Vibration in Semi Coal and Rock Roadway Excavation ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 258-262.移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （41772299， 51279096） 258 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 1炮孔布置及起爆顺序 Fig.1Blasting hole arrangement and detonation 帮煤岩体强度相差较大，层间分布有强度低、厚度 小、 胶结性差的沉积结构面[2-5]， 爆破掘进时巷道围 岩变形破坏规律难以摸清， 支护困难， 返修工程大。 因此有必要采用有效检测方法对巷道稳定进行检测 分析， 为复杂地质构造巷道支护提供指导。 针对爆破掘进巷道检测方法， 汪海波等[6]研究 了软岩巷道掘进爆破振动效应及其对巷道围岩松动 圈的影响，分析检测数据提出了爆破参数及装药结 构方面优化措施； 李胜林等[7]对浅埋地铁隧道爆破 振动进行了现场测试，对比了实测数据与理论计算 的差异； Hemant Agrawal 等[8]进行了多孔试爆与单孔 爆破引起地面振动预测值的对比研究，得到了改进 后的多孔爆破振动预测方程。上述研究运用合理检 测方法得到了有价值成果，但因半煤岩巷道地质条 件不同，研究结论并不完全适用，目前国内外针对 半煤岩巷道振动检测可参考资料缺乏。 1测试方案 1.1测试区域概况和测试区爆破方案 测试区域选在新驿煤矿-280 m 南翼集中运输 巷，巷道开门层位位于山西组砂岩中，自煤仓联络 巷定点位置开始掘进， 按方位角 1960′0″,3‰上山 施工 1 233 m， 巷道断面为直墙半圆拱， 尺寸为 4.2 m3.2 m， 支护方式采用锚网喷支护， 锚杆支护长度 2 m。巷道掘进过程中遇煤岩正断层， 煤层倾斜角度 5下山， 选取巷道穿过煤岩断层上盘段， 根据巷道断 面揭露， 巷道断面下部煤层高度 1.5～1.8 m， 上部砂 岩层高度 1.6～1.7 m。 南翼集中运输巷采用钻眼爆破法配合挖掘式装 载机联合掘进，钻眼爆破法采用上下台阶法施工， 下台阶预先爆破，为后续上台阶爆破提供自由面， 掏槽方式采用含空孔矩形锥形掏槽， 炮孔深度 2 m， 封堵长度 0.6 m， 炸药采用煤矿二级许用乳化炸药， 炮孔布置及起爆顺序如图 1。 1.2检测方案 1） 爆破振动测试。爆破振动监测仪器采用Blast- UM 型爆破测振仪， 为避免监测设备受到飞石损坏， 选取首个测点距离 SA距爆源大于 20 m，并选择地 势平整的地点安置仪器，测试量为质点振动速度， 包括水平径向 x、 水平切向 y、 垂直方向 z。爆破振动 及松动圈测点布置如图 2。 2） 松动圈测试。松动圈测试采用 SR-RCT 松动 圈测试仪，选择距离掘进断面较近的位置，在巷道 两帮钻取声波测试孔，为比较同次爆破煤岩层位松 动圈影响差异， 设置巷道左帮在岩层中钻孔， 右帮在 煤层中钻孔，钻孔高度根据煤岩层位确定。钻孔深 度 2 m， 控制钻孔角度向下倾斜 10， 便于孔内存水 检测，爆破前后声波测试时每 0.25 m 读取 1 次数 据。半煤岩巷道声波测试孔布置如图 3。 2爆破振动测试结果与分析 2.1测试结果 依据测试方案进行了 2 次掘进爆破振动测试， 由于巷道采取上下台阶法爆破，因此获取 4 组监测 数据， 爆破振动监测数据见表 1。 典型振动速度时程 曲线如图 4。 图 2爆破振动及松动圈测点布置 Fig.2Blasting vibration and loose circle measuring point 图 3半煤岩巷道声波测试孔布置 Fig.3Sonic test hole in semi coal rock roadway 259 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 表 2爆源距离与爆破振动速度 Table 2Explosion source distance and blasting vibration speed 距爆源距离 /m 煤层爆破振动速度 / （m s-1） 砂岩层爆破振动速度 / （m s-1） 5 6 7 8 9 10 59.06 41.92 31.37 24.41 19.55 16.05 37.98 28.58 22.47 18.4 15.18 12.88 表 1爆破振动监测数据 Table 1Blasting vibration monitoring data 为了比较实测数据与理论数据，表中计算了 GB 67222014 爆破安全规程 中所采用的萨道夫 斯基公式[9-11]计算结果 vk Q 3 ■ R （） α （1） 式中 v 为质点振动速度， m/s； Q 为最大一次起 爆药量， kg； R 为爆心距， m； k、 α 为与场地、 装药等情 况有关的拟合参数， 根据 爆破安全规程 对不同岩 性参数取值原则，下台阶煤层爆破 k 取 250， α 取 1.8， 上台阶岩层爆破 k 取 150， α 取 1.5。 2.2振动测试结果 由表 1 可以看出， 2 次掘进爆破主振频率约在 50～250 Hz 范围内，对于装药量为 24、 19.6 kg 的起 爆， 因辅助眼使用的同段雷管起爆炸药量增加， 引起 主振频率较大。对比实测质点振动速度和理论计算 结果可以看出，规程中采用的经典萨式公式计算结 果均大于实际监测值，平均约为测试结果的 1～1.5 倍，部分测点达到 2 倍。借助萨式公式对上述监测 数据进行回归分析[12-14]， 得到不同岩层条件下巷道 掘进爆破振动速度衰减公式 vm223.01 Q 3 ■ R （） 1.88 （2 ） vs114.4 Q 3 ■ R （） 1.56 （3） 式中 vm为煤层中爆破质点振动速度， m/s； vs为 砂岩层中爆破质点振动速度， m/s。 由实测数据拟合式 （2） 、 式 （3） 可以看出， k、 α 相 关系数中煤层取值明显大于砂岩，这与爆破安全规 程中参数选取原则相一致，且可以看出规程中的取 值结果保守， 计算得到安全距离较大。 巷道掘进爆破后先进行吊挂前探梁、打设全螺 纹锚杆或初喷浆等临时支护， 然后进行永久支护[15]， 其中永久混凝土喷层滞后掘进断面锚杆、挂网支 护，喷层位置应大于爆破安全距离，减少爆破振动 对喷层强度影响。根据式 （2） 、 式 （3） 计算了装药量 为 15 kg 时距离爆源不同距离的振动速度。爆破安 全规程中给出了矿山巷道振动速度安全允许标准为 20～30 cm/s， 爆源距离与爆破振动速度见表 2。 装药 量/kg 测距 /m 振动速度/ （m s-1）主振频 率/Hzx 方向y 方向z 方向合速度 萨式公式 12 281.591.131.531.722.7683.8 390.430.210.620.701.5259.1 680.370.590.010.310.56109.9 24 282.482.013.944.034.96227.4 391.350.851.531.753.01192.7 680.830.570.010.831.3192.4 19.6 421.010.641.131.361.78129.7 590.650.630.460.650.97192.7 810.410.380.500.470.5598.6 810.370.420.660.510.7263.7 42 59 0.65 0.57 0.57 0.42 0.87 0.63 0.99 0.74 1.94 1.17 124.4 64.212.4 图 4典型振动速度时程曲线 Fig.4Time history curves of typical vibration speed 260 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 5爆破前后波速变化曲线 Fig.5Wave velocity curves before and after blasting 由表 2 可以看出， 煤层爆破安全距离为 9 m， 岩 层爆破安全距离为 8 m。 3松动圈测试结果与分析 爆破前后采用 SR-RCT 松动圈测试仪在巷道两 帮钻取声波测试孔进行检测（其中第 1 次掘进爆破 因施工组织关系， 未在下台阶爆破后检测） ， 测试量 为不同深度时的声波传播速度，通过爆破前后波速 变化确定松动圈影响范围，爆破前后波速变化曲线 如图 5。 由图 5 可知，爆破前岩层测试孔测得探头进至 孔深 1 m 后，声波速开始上升至 2 500～4 000 m/s， 判断松动圈范围为 1～1.25 m；测试孔深为 1.25 m 时， 声波波速上升至 2 000～2 500 m/s， 判断煤层松 动圈范围为 1.25～1.5 m。 对比爆破前后声波波速， 岩 层中声波波速下降不明显，其中第 2 次爆破波速在 1～1.5 m 发生少量下降； 煤层中受爆破振动影响， 声 波波速在 1.25～1.75 m 发生明显下降，且松动圈范 围增大 0.2 m，煤层中采用的锚杆长度 2 m 应增加 至 2.2～2.4 m。 对比图 5 （c） 、 图 5 （d ） ， 上、 下台阶爆破 后波速差异不明显，由于断面下部爆破使上台阶爆 破自由面增加，围岩松动圈受爆破振动影响较小， 其原因在于，自由面受限时，大部分炸药爆炸的能 量都将作为地震能量消耗掉，使爆炸能量岩体内传 播对围岩稳定造成扰动，随着自由面增多，爆破振 动信号总能量向岩体内传播减少， 振动速度降低。 4结论 1 ） 通过 4 组爆破监测数据看出， 半煤岩巷道掘 进爆破主振频率在 50～250 Hz，一次起爆药量较大 时，引起爆破主振频率较高，爆破方案调整应考虑 减少同段雷管的起爆药量， 进而控制爆破振动。 2） 实测爆破振动速度大于 爆破安全规程 采用 的萨式公式理论计算值，借助萨式公式回归拟合了 适用于半煤岩巷道掘进的爆破振动衰减公式。起爆 装药量为 15 kg 时， 煤层中爆破安全允许距离 9 m， 砂岩层中爆破安全允许距离为 8 m，为减少爆破振 动的影响，巷道支护时永久混凝土喷层位置应大于 安全距离。 3） 通过围岩松动圈测试， 半煤岩巷道砂岩层围 岩松动圈范围为 1～1.25 m，煤层围岩松动圈为 1.25～1.5 m； 爆破振动对砂岩层围岩扰动较小， 松动 圈范围基本没有变化，但煤层围岩松动圈增加了约 0.2 m， 应适当提高煤层中锚杆的支护深度。 4） 比较上下台阶爆破后的围岩松动圈变化不明 显， 说明自由面受限时， 大部分炸药爆炸的能量都将 作为地震能量消耗掉， 随着自由面的增多， 爆炸总能 量随之减少， 此时爆破振动对围岩扰动变小。 261 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 ［15］ 孙希奎， 赵庆民， 施现院.条带残留煤柱膏体充填综 采技术研究与应用 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2017， 34 （4） 650-654． ［16］ 张广超， 何富连， 来永辉， 等.高强度开采综放工作面 区段煤柱合理宽度与控制技术 ［J］ ．煤炭学报， 2016， 41 （9） 2188-2194． ［17］ 候西华， 季成， 赵善坤， 等.具有冲击危险性区段煤柱 合理宽度研究 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （9） 190-193． ［18］ 王德超， 李术才， 王琦， 等.深部厚煤层综放沿空掘巷 煤柱合理宽度试验研究 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2014， 33 （3） 539-548． ［19］ 王朋飞， 赵景礼， 王志强， 等.非充分采动采空区与煤 岩柱 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