落矿爆破地震效应灰关联分析.pdf

第3 0 卷第4 期 爆破 V o l 3 0N o 4 2 0 1 3 年1 2 月B L A S T I N G D e c ．2 0 1 3 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 3 ．0 4 ．0 3 1 落矿爆破地震效应灰关联分析木 吴健飞1 ，叶义成1 ，刘艳章1 ，王其虎1 ，王水平2 ，陈基龙2 1 ．武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 8 1 ；2 ．武钢矿业公司金山店铁矿，黄石4 3 5 1 1 6 摘要为研究金山店铁矿落矿爆破地震效应对地表建 构 筑物的影响程度，运用灰色绝对关联分析法 对落矿爆破地震效应的影响因素进行敏感性分析，确定落矿爆破地震效应影响因素的主次顺序。以金山店 铁矿地表现场实测所得一3 2 6m 分段水平的l o 组扇形中深孔排面落矿爆破地震效应的数据为分析样本，以 最大振速、主振频率及持续时间作为衡量爆破地震效应的系统特征变量，并选取排数、炮孔数、总装药量、段 数、最大单段药量、微差时间、最小抵抗线、爆心距、高程差、测点地质条件作为评价落矿爆破地震效应的系统 相关变量，运用灰色绝对关联法进行计算，结果表明最大单段药量、爆心距和地质条件为主控因素，为矿山生 产过程中降低落矿爆破地震效应提供了定量依据。 关键词落矿爆破；地震效应；灰关联分析；主控因素；金山店铁矿 中图分类号0 3 8 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 3 0 4 0 1 3 7 0 6 G r a yC o r r e l a t i o nA n a l y s i so fS e i s m i cE f f e c to fM i n i n gB l a s t i n g W UJ i a n - f e i l ，Y EY i c h e n 9 1 ，ⅡuY a h ．z h a n 9 1 ，W A N GQ i h u l ，W A N GS h u i - p i n 9 2 ，C H E NJ i l o n 9 2 1 ．C o l l e g eo fR e s o u r c ea n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n 4 3 0 0 8 1 ，C h i n a ；2 ．J i n s h a n d i a nI r o nM i n e ，W u h a nI r o n S t e e lG r o u pM i n i n gC o m p a n y ，H u a n g s h i4 3 5 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t T oa n a l y z et h es e i s m i ce f f e c to fm i n i n gb l a s t i n go ns u r f a c eb u i l d i n g s t r u c t u r e o fJ i n s h a n d i a ni r o n m i n e ，t h eg r a ya b s o l u t ec o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o dw a sa p p l i e dt os t u d yt h es e n s i t i v i t yl e v e l so ft h ef a c t o r sw h i c h i n f l u e n c e dt h es e i s m i ce f f e c t o fm i n i n gb l a s t i n g ，t h u st od e t e r m i n et h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yo r d e ro ft h e s ei n f l u e n c i n gf a c t o r s ．D a t af r o m1 0g r o u p sf a n p a t t e r nh o l eb l a s t i n ge f f e c ta tt h el e v e lo f 一3 2 6mw e r em e a s u r e do nt h e g r o u n ds u r f a c eo fi r o nm i n e ．T h em a x i m u mv i b r a t i o nv e l o c i t ya n dd o m i n a t i n gv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dd u r a t i o nw e r e a p p l i e da st h es y s t e m a t i cc h a r a c t e r i s t i cv a r i a b l e so ft h es e i s m i ce f f e c to fm i n i n gb l a s t i n g ．B l a s t i n gp a r a m e t e r s ，s u c h a sl O w s ，b l a s t i n gh o l eq u a n t i t y ，t o t a lc h a r g ea m o u n t s ，n u m b e ro fd e l a y ，m a x i m u mc h a r g ea m o u n tp e rd e l a y ，m i l l i s e c o n dd e l a yt i m e ，b u r d e n ，d i s t a n c et ob l a s ts o u r c e ，h e i g h td e v i a t i o na n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，w e r es e l e c t e da st h e r e l a t e df a c t o rv a r i a b l e st oe s t i m a t et h es e i s m i ce f f e c to fm i n i n gb l a s t i n g ．T h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fg r a ya b s o l u t ec o r r e ． 1 a t i o na n a l y s i sm e t h o ds h o w e dt h a tt h em a x i m u mc h a r g ea m o u n tp e rd e l a y ，d i s t a n c ef r o mb l a s ts o u r c ea n dg e o l o g i c a l c o n d i t i o nw e r et h em a s t e rf a c t o r so nt h es e i s m i ce f f e c t o fm i n i n gb l a s t i n gi nm i n i n go p e r a t i o n ． K e yw o r d s m i n i n gb l a s t i n g ；s e i s m i ce f f e c t ；g r a yc o r r e l a t i o na n a l y s i s ；m a s t e rf a c t o r ；J i n s h a n d i a ni r o nm i n e 收稿日期2 0 1 3 0 8 2 3 作者简介吴健飞 1 9 8 8 一 ，男，武汉科技大学资源与环境工程学 院，硕士研究生，主要从事采矿技术及安全的研究， E m a i l w u j i a n f e i a 1 6 3 ．t o m 。 通讯作者叶义成 1 9 6 0 一 ，男，武汉科技大学资源与环境工程学 院，教授、博士生导师，主要从事矿床开采、矿山安全技术 的教学与研究， E - m a i l y y c 6 0 1 2 6 ．t o m 。 基金项目“十二五”国家科技支撑计划资助项目 2 0 1 l B A B 0 5 8 0 3 ； 国家自然科学基金面上项目 编号5 1 0 7 4 1 1 5 在金属矿床落矿爆破中，炸药爆炸能量除破碎 矿岩外，部分能量以地震波的形式在岩体中传播。 尽管爆破地震波携带的能量和影响范围远不及自然 地震波的能量和范围，但若落矿爆破作业点距地表 较近，爆破地震波极易到达矿区地表引起附近地表 及其附着物的振动，在爆区一定范围内造成各种破 万方数据 1 3 8爆破2 0 1 3 年1 2 月 坏作用．zJ 。影响落矿爆破地震效应的因素众多， 爆源因素、地震波传播因素等共同决定着落矿爆破 地震效应强度旧J 。为积极有效控制落矿爆破地震 效应的影响，有必要探究落矿爆破的主控因素，从而 达到防灾减振保护建 构 筑物的目的。 要在众多影响因素中识别爆破主控因素，就必 须对各相关因素与特征参数的影响程度进行分析比 较。目前国内外较多采用回归分析法、多元分析法 和显著性检验法来确定爆破影响因素的主次顺 序H j ，但回归分析法要求大量的样本数据且要服从 某个典型的概率分布规律，同时该方法只能对单个 影响因素与落矿爆破地震效应的关系作回归分析和 显著性检验；相关分析法是研究不存在确定关系的 变量间在特定条件下存在的规律性方法，该方法不 能对异常数据进行有效地分析处理，而落矿爆破地 震效应特征参数和影响因素指标都存在较大的离散 性。灰色关联分析 或称灰关联法 能够通过灰色 关联度来确定影响因素对系统主行为的贡献程 度【5J ，是识别爆破主控因素的有效方法。将灰色绝 对关联分析引入到金山店铁矿落矿爆破地震效应研 究中，分析判断井下扇形中深孔排面落矿爆破对地 表造成地震效应影响因素的主次顺序，识别影响落 矿爆破地震效应的主控因素，以便为控制落矿爆破 地震效应而采取合理有效的安全减震技术措施提供 依据。 I 灰关联法 I ．1 基本原理 灰关联分析的基本原理是通过对统计序列几 何关系的比较来分清系统中因素间的灰关联程 度，序列曲线的几何形状越接近，则它们之间的灰 关联度越大”J 。它可在不完全的信息中，对所要 分析的各因素通过计算系统特征变量数据序列与 相关变量序列之间的灰关联度矩阵，对该矩阵进 行优势分析，得到各影响因素重要度的主次顺序， 从而确定主要影响因素M ，7 | 。运用灰关联法的灰 色绝对关联度可以研究落矿爆破地震效应影响因 素的主次顺序。 I ．2 灰色关联矩阵的计算 描述井下扇形中深孔排面落矿爆破对地表造 成的地震效应有2 类指标，一类是落矿爆破地震 效应的衡量指标，即为系统特征变量。另一类是 落矿爆破地震效应的影响因素，即为相关变量因 素。设Y i k ，戈i k 分别表示第i 个系统特征变量 和第i 个相关因素变量在第k 次试验时的测量数 据 样本值 。若利用n 次试验结果来确定影响系 统特征量的主要因素，那么每一个系统特征变量 和相关变量在各次试验中所测得的数据，就形成 相应的系统特征变量数据序列和相关变量数据序 列”。7 』，即 K [ Y i 1 ，Y i 2 ，⋯，Y i 凡 ] ，i 1 ，2 ，3 ⋯，m 1 x ， [ y f 1 ，y f 2 ，⋯，y f n ] ，歹 1 ，2 ，3 ，⋯，z 2 式中为系统特征变量；x i 为相关因素变量；n 为 数据样本数量；m 为系统特征变量的个数；f 为相关 因素变量的个数。 由于数据在数值上相差比较大且单位也不统 一，为保证计算出的灰关联度的准确性，因此需要将 数据序列进行初始化和无量纲化处理。 y ’舢， 蔷嵩 ㈩ 戈7 舢 忑x j 两k - 面m i n x j 4 然后对序列P k 、X ’i k 进行始点零化像计 算“ ] ，从而得到序列F k 、F | j } Y k Y ’i k 一Y7 i 1 5 x k 戈7 ， k 一戈’， 1 6 根据灰色绝对关联度的定义，x i 和E 的灰色绝 对关联度计算式为【6 1 铲丽1S 苷抵SS 7 。” I；I IJ s iI li i 、。7 s i ∑卯 忍 ，S ∑秽 七 8 根据式 7 计算出的灰色绝对关联度占。可以 得到灰色绝对关联矩阵∞1 A 占。i 占1 18 1 2 8 2 1 S 2 2 占m 1占祀 9 若存在h ，，∈J1 ，2 ，⋯⋯，ZJ ，满足占访≥毛 i 1 ， 2 ，3 ，⋯⋯，m ，则称因素X 。优于五；若满足∑s ≥ I l ∑s u i 1 ，2 ，3 ⋯，m ，则称因素瓦优于葺；如果 存在J ∈l1 ，2 ，⋯，Z I 满足对任意的， 1 ，2 ，⋯，Z ，J ≠ h ，X 。均优于x i ，则瓦为最优因素；如果满足对任意 的_ 『 1 ，2 ，⋯，f ，，≠h ，瓦均准优于x f ，则瓦为准优 因素。工程上把最优因素和准优因素称为主控 因素‘5 引。 ％鼬 ～ ～ ．．．～ 万方数据 第3 0 卷第4 期吴健飞，叶义成，刘艳章，等落矿爆破地震效应灰关联分析 1 3 9 2 落矿爆破现状特征 2 ．1 落矿爆破方式 金山店铁矿采用无底柱分段崩落法采矿，采场 结构的中段高度为7 0m ，分段高度进路间距崩 矿步距 1 4mx1 6mx 3m 。矿山采用扇形中深孑L 排面爆破工艺落矿，总炸药量一般为6 0 0 1 2 0 0k g ， 采用非电毫秒雷管起爆 低段位跳段使用 ，常用段 数为3 、4 、5 段。矿床东、西采区的炮孔布置情况及 具体分段参数见图1 和图2 、表1 和表2 所示。 矿区地表构筑物多为砖} 昆结构，分布比较复杂。 现阶段由于矿床落矿爆破作业点距地表垂直距离最 近约3 0 0m ，外加落矿爆破工艺的单段药量大，因而 引起地表地震及其上部民房等建筑物的振动。若落 矿爆破地震引起的振动强度超过一定限度，可能会 引起开采区域及附近地表建筑物的破坏。 石 殓 划 胗忒 实线为前排孔，虚线为后排孔 图1 东区炮孔布置图及说明 单位m F i g ．1 E a s th o l el a y o u td r a w i n g sa n dd e s c r i p t i o n u n i t m 表1 东区炮孔参数 T a b l e1E e s th o l el a y o u tp a r a m e t e r s 2 ．2 落矿爆破系统特征变量值 地表建筑物的爆破振动判别通常采用被保护对 象所在地质点的振动速度峰值和主振频率作为依 据o 。但是爆破振动持续时间也是研究爆破地震 效应的一个重要指标，持续时间越长对地表构筑物 的危害程度越大。因此，将三者作为衡量落矿爆破 地震效应的系统特征变量。 系统特征变量数据来源于金山店铁矿井下扇形 中深孔排面落矿爆破地震效应的现场实测。测振系 统由N U B O X - 6 0 1 6 智能振动监测仪通过专用的输入 信号接线缆与T P 3 V - 4 ．5 三维速度型传感器相连构 成 如图3 ，可同时监测竖直方向、水平径向和水平 切向三个方向的系统特征变量值。 图2 西区炮孑L 布置图及说明 单位m F i g ．2 W e s th o l el a y o u td r a w i n g sa n dd e s c r i p t i o n u n i t m 表2 西区炮孔参数 T a b l e2W e s th o l el a y o u tp a r a m e t e r s 。。 单排双排 荨鹅慧／翟狷鬈／篙 幽3现场爆破地表振动效应测试系统 F i g ．3 T h et e s ts y s t e mo fs u r f a c eb l a s t i n gv i b r a t i o ne f f e c t 在对金山店铁矿地表建 构 筑物的特点和分 布情况经过调研后，分别将3 套测振系统布置在矿 体上盘西南区的马垅村、运行车间综合片和下盘保 安矿柱付三村附近建 构 筑物的岩石面或水泥面 等硬质地面上 见图4 ，对井下一3 2 6m 水平的1 0 组落矿爆破进行地震效应实测，取得了3 0 点次的实 万方数据 爆破 2 0 1 3 年1 2 月 测数据。通过运用专业分析爆破振动软件B M V i e w ，对实测数据所得的波形图进行时域分析和频 谱分析，从结果中选取1 0 组能较好反映波形特征的 监测数据，见表3 。 图4 地表测点布置和井下爆源分布示意图 F i g ．4 S c h e m a t i cd i a g r a mo fd i s t r i b u t i o no fs u r f a c es u r v e yp o i n ta r r a n g e m e n ta n du n d e r g r o u n dd e t o n a t i o n O U l ℃e 表3 落矿爆破地震效应系统特征变量 T a b l e3T h es y s t e mc h a r a c t e r i s t i cv a r i a b l e so ft h ee f f e c to fm i n i n gb l a s t i n gs e i s m 3 灰关联落矿爆破地震效应分析 3 ．1系统相关变量的确定 落矿爆破地震效应的影响因素主要包括爆源因 素、地震波传播因素。爆源因素主要有排数、炮孔 数、总装药量、段数、最大单段药量、微差时间、最小 抵抗线等；地震波传播因素有爆心距、高程差、爆破 方向、地质条件等一J 。分析的影响因素越多，则分 析结果越趋向合理可靠。 据研究测点地质条件与爆破地震效应强度存在 密切关系，破碎性较严重的地质体会对地震波产生明 显的衰减，因此将测点地质体作为相关变量进行分 析。根据测点地质体的均匀性和破碎程度，用岩体完 整性 龟裂 系数将测点地质条件划分5 类，见表4 。 对微差爆破而言，段与段之间不同的微差延迟时间会 产生不同的爆破地震效应强度‘1 0 1 ，此处尝试选取最 后一段的间隔时间作为微差时间的评价参数。 表4 地质条件划分依据 T a b l e4B a s i so fg e o l o g i c a lc o n d i t i o nd i v i s i o n 经过对金山店铁矿井下中深孔排面落矿爆破的 现场调查分析，结合井下生产工段的现场生产状况， 万方数据 第3 0 卷第4 期吴健飞，叶义成，刘艳章，等落矿爆破地震效应灰关联分析 1 4 1 最终选取排数、炮孔数、总装药量、段数、最大单段药 量、微差时间、最小抵抗线、爆心距、高程差、测点地 质条件这1 0 影响因数作为评价系统的相关变量。 依据如表1 所示的系统特征变量，收集整理与其相 对应的参数值见表5 。 表5 落矿爆破地震效应的系统相关变量因素 T a b l e5T h es y s t e mr e l a t e df a c t o rv a r i a b l e so ft h ee f f e c to fm h a n gb l a s t i n gs e i s m 3 ．2 爆破振动效应灰色关联矩阵 根据灰色关联分析法计算过程，以表1 中落矿 爆破地震效应实测值作为系统特征变量数据序列 K ，以表3 中的落矿爆破地震效应影响因素作为系 统相关变量因素数据序列x i ，首先用式 3 、式 4 对序列E 、x i 进行初始化和无量纲化处理得到序列 y ’i k 、X ’i k ，然后按式 5 、式 6 进行始点零化 像计算，从而得到序列P k 、霹 J j } ，最后根据灰色 绝对关联度的定义式 7 、式 8 ，得到灰色绝对关 联度占口的灰色绝对关联矩阵。各相关因素分别对 最大振速、主振频率、持续时间的关联度以及综合关 联度的计算分析结果见表6 。 表6 灰色绝对关联矩阵 T a b l e6 G r e ya b s o l u t ec o r r e l a t i o nm a t r i x 3 ．3 计算结果分析 1 从最大振速、主振频率和持续时间3 方面 综合分析影响金山店铁矿落矿爆破地震效应的1 0 个系统相关变量的敏感性由强到弱的排序为最大 万方数据 1 4 2爆破 2 0 1 3 年1 2 月 单段药量 爆心距 地质条件 微差时间 排数 炮孔数 段数 最小抵抗线 高程差 总装药量。 1 0 个影响因素中，没有最优因素，最大单段药量、爆 心距及地质条件为准优因素 灰色绝对关联度为 5 ．8 8 9 、5 ．8 3 6 、5 ．8 2 7 。因此金山店铁矿落矿爆破地 震效应的主控因素为最大单段药量、爆心距和测点 地质条件。识别所得的落矿爆破地震效应主控因素 与萨道夫斯基理论的相关变量因素相一致，证明灰 色绝对关联分析能正确求解落矿爆破地震效应因素 重要度。 2 从系统特征变量单独分析相关变量对落矿 爆破地震效应贡献程度对最大振速贡献程度较大 的因素为最大单段药量和测点地质条件 关联度为 2 ．2 6 4 、2 ．2 3 0 ，其中最大单段药量对振动速度峰值 的影响作用明显强于总药量的作用 关联度为 1 ．7 4 2 ，揭示了在多段微差爆破中最大单段药量对 爆破振动峰值影响更为显著；而对振动持续时间贡 献程度较大的因素为最大单段药量和测点地质条 件 关联度为2 ．0 4 0 、2 ．0 1 7 。测点地质条件对落矿 爆破地震效应的最大振速和持续时间都存在着强烈 的影响。这主要是因为矿山无底柱分段崩落法采矿． 形成塌陷错动区，不同区域岩体性质差异很大，相对 破碎的岩体会损耗更多的地震波能量，使其在传播 过程中被衰减。 4 结论 1 将灰色绝对关联分析应用到金山店铁矿落 矿爆破地震效应影响因素分析中，以现场实测数据 为分析样本，运用灰色理论的关联矩阵确定影响因 素重要度的敏感性，模型在较少的数据下得到理想 效果，实用性强。 2 影响金山店铁矿落矿爆破地震效应的主控 因素为最大单段药量、爆心距和测点地质条件，因此 矿山选择合理的爆破参数时，尤其要严格控制最大 单段药量，最大单段药量增大时可采取开挖减震沟 等措施来降低落矿爆破地震效应。 3 测点地质条件对落矿爆破地震效应的振动 速度峰值和持续时间存在较大影响，本文根据岩体 完整性系数对其进行划分，条件允许时要依据爆破 地震效应规律综合其它地质特征指标进行更为系统 地划分。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]叶义成，黄炎焱．古墓坑疏排水明沟及平巷开挖的谨 慎爆破[ J ] ．工程爆破，2 0 0 0 ，6 4 8 4 - 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