微差爆破中起爆顺序对爆破振动的影响分析.pdf

2 0 1 3 年2 月微差爆破中起爆顺序对爆破振动的影响分析张南等 3 9 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 1 1 微差爆破中起爆顺序对爆破振动的影响分析 张南方向范磊 丁凯华中民 解放军理工大学工程兵工程学院 江苏南京，2 1 0 0 0 7 [ 摘要]为了研究不同起爆顺序对爆破振动的影响，通过设置不同测点对大量的微差爆破进行了振动监测。监 测数据回归及小波包分析发现不同的起爆顺序下，爆破抛掷方向不同，爆破抛掷反方向的振动强度最大。不同方 向上的爆破地震波主频大小以及振动信号的频带能量分布均具有规律性；爆破抛掷反方向1 5 H z 以内频带所占比 例明显高于其他方向，反方向上产生的爆破地震波对周围结构危害相对较大。 [ 关键词]微差爆破起爆顺序振动效应回归小波包分析 [ 分类号] Ⅳ2 2 1 T D 2 3 5 ．1 2 引言 微差爆破技术作为一种常用的爆破技术已在工 程中获得了广泛应用，实践证明它不仅可以改善爆 破效果，降低成本，而且能够有效降低爆破振动，使 得大规模深孔爆破成为可能。 安徽理工大学刘宜平研究了微差爆破技术在提 高块煤率方面的应用⋯，发现采用微差爆破技术提 高了工作面的块煤率，有效减少了炸药消耗，同时降 低了振动强度；解放军理工大学李德林等研究了微 差爆破技术在建筑物附近大量石方爆破中的应 用BJ ，说明该技术有效降低了爆破振动危害；再如 王广明等对露天矿台阶微差爆破改善爆破质量的问 题进行了探讨【3J ，指出微差爆破能够减少大块，提 高爆破质量。很多学者在优化微差爆破设计，如何 降低其爆破振动效应方面也作了大量的研究，如卢 志飞研究了起爆方式对微差爆破效果的影响MJ ，文 章对不同起爆方式的微差爆破挤压落矿效果进行了 分析和评价，在一些工程实例中，在与爆源距离基本 相等的情况下，周围结构物受到的振动危害程度却 不尽相同。有学者认为，这与爆破周围地质条件、起 爆顺序、最大段药量及总药量等因素都有关系，笔者 经过对大量爆破振动监测数据分析发现，在微差爆 破中，起爆顺序的不同，对各个方向上的振动危害影 响也不同，且具有一定的规律性。 1 工程概况 田湾核电扩建项目位于江苏省连云港港口高公 岛附近，该项目是在原有1 ’、2 。发电机组的西侧扩建 3 。、4 8 、5 。、6 。机组，目前正在进行的是3 ’核岛负挖爆 破、3 。常规岛负挖爆破以及4 4 核岛负挖爆破工程，其 中3 。岛负挖工程到正在运行的2 ”发电机组最近距 离只有2 0 0 m 左右。为了保证施工进度，同时保证 2 。发电机组的运行安全，在2 。与3 。核岛之间开挖了 减震沟以降低爆破施工对运行机组的振动危害。为 保护爆源周边3 0 m 处基岩性质不受破坏，在距爆源 3 0 m 处设置一个移动测点，控制阈值为质点振动速 度峰值≯5 c m ／s 。 本文为了研究不同起爆顺序对爆破振动效应的 影响，同时在距爆源1 5 0 m 处另设了4 个移动测点。 空间位置如图1 所示。 一减震沟 图1 空间位置示意图 F i g ．1 S k e t c ho fl o c a t i o nr e l a t i o n s h i p 2 爆破参数设计 爆破施工中，采用微差爆破技术以降低爆破振 动，选用了乳化炸药，起爆网络采用的是塑料导爆管 并联起爆网络，雷管段别根据具体爆破的实际情况 进行设定。爆破参数设计如表1 所示。 3 爆破监测简介 如图2 所示，在爆源周围1 5 0 m 处设4 个测点 依次为1 、2 、3 、4 号测点 ，同时测量。结合每炮次 收稿日期2 0 1 2 - 0 6 _ 2 9 作者简介张南 1 9 8 9 一 ，男，硕士，研究方向爆破振动监测与分析。E - m a i l z h a n g n a d 4 2 6 z n 1 6 3 ．c o r n 通信作者方向 1 9 6 5 一 。男，教授，博导，研究方向地雷与爆破器材爆炸作用研究。E - m a i l r a c e a g l l 1 6 3 ．c o r n 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 2 卷第1 期 表1 爆破参数 T a b ．1 B l a s t i n gp a r a m e t e r s ， ， t 2 号测点9 、 、 1 号测点 ．，，‘兮。～、 、． ，’ 、～．痨．．，‘ ‘、◇一‘7 3 号测点 图2 测点位置示意图 F i g ．2 S k e t c ho ft e s tp o i n t 的爆破设计网络，1 号测点始终设在爆破抛掷方向 的反方向，3 号测点位于正前方，2 、4 号测点分别位 于正右方和正左方。 经过对负挖区岩石属性的初步分析得知岩性 主要为微风化二长浅粒岩。另外，由于选取测点距 爆区较远，远大于爆区范围，因此可以把爆破近似看 作点爆破，这样忽略地形地貌及地质因素的影响，可 以认为4 个测点的监测值可以反映同一微差爆破中 不同起爆顺序的爆破振动影响值。 4 爆破监测数据分析 根据实验设计要求，已对爆破工程进行了3 0 多 炮次的振动监测，每炮次前均作了准确的距离测量， 以确保数据的有效性。 下面从质点振动速度峰值和信号频谱特性两个 方面对监测数据进行相关分析。 4 ．1 振速峰值对比分析 由于部分炮次的抛掷方向为两个甚至多个方 向，为了便于对比分析，决定把部分炮次的数据剔 除，这样经过对监测数据精心选取，最终选取其中 2 0 炮次的监测数据作为本文的研究对象。对各测 点监测数据分别进行回归。 一般情况下用萨道夫斯基经验公式计算爆破振 动速度∞1 ，即 秽K f 竭“ ＼R ／ 式中秽为单个集团装药爆破质点振动速度，c m ／s ；K 为与爆破方法、爆破参数、地形等因素有关的场地系 数，一般K 3 0 ～5 0 0 ；R 为爆心至测点的距离，m ；Q 为装药量 齐爆时为总药量，微差延时爆破时为最 大一段装药量 ，k g ；a 为与土石地质有关的振动衰 减系数，一般0 c 1 ．5 ～2 ．0 。 对数据进行萨道夫斯基回归，得到各测点的振 动衰减规律如下 ，3 r _ ’1 ．6 0 8 1 号测点秽 4 6 5 ．3 f 掣1 2 、n ， ，3 r - 、1 ．6 0 5 2 号测点口 4 2 1 ．6 f 掣1 3 ＼／1 ， ，3 r _ 、1 ．6 3 5 3 号测点口 4 6 1 ．5 f 掣l 4 、Ⅱ， ，3 ，万、1 ．5 8 3 4 号测点秽 3 8 5 ．6 f 掣l 5 ＼儿， 将实际爆破设计参数依次代入上述回归公式后 对比发现，1 号测点处的振动影响值显著大于其他 测点，3 号测点处爆破振动影响相对最小，2 号和4 号测点处爆破振动影响相当，即爆破抛掷反方向的 振动影响明显大于其他方向。 利用以上各测点回归得到的衰减规律对以后的 爆破振动进行预测，发现与各测点监测值存在一定 的误差，总的来说呈偏大趋势。利用以上各衰减规 律的预测值与后来2 0 炮次实际监测数据对比产生 的平均误差1 号测点7 ．3 6 ％、2 号测点8 ．0 2 ％、3 号测点7 ．8 9 ％、4 号测点8 ．1 1 ％。 预测误差主要是由于以上衰减规律都由萨道夫 斯基公式回归得来，而萨道夫斯基经验公式对单个 集团装药爆破比较适合，对多个装药分段延期爆破 计算得到的值与实际情况偏差较大。为了克服此缺 点，有很多学者根据多次工程实测数据及经验，在萨 道夫斯基公式的基础上提出了较为符合工程实际的 修正经验公式∞J 秽K K ’障1 “ ＼R ／ 6 式中K ’为与爆破方法、爆破参数等因数有关的爆破 场地修正系数，K 7 取0 ．2 5 ～1 ．0 0 ，距爆源近且爆破 体临空面较少时取大值，反之取小值。 其他参数的含义与式 1 相同。这样本文中各 测点对应经验公式 6 的K ‘分别为 0 ．9 2 6 4 表示1 号测点的K ’值，后面依此类推 ，如 0 ．9 1 9 8 ，坞 0 ．9 2 1 1 ，r 4 0 ．9 1 8 9 。 从修正后的衰减规律来看，不同起爆顺序的爆 破振动影响规律依然与修正前相同。需要指出的 是，若想将预测误差降到最小，则需建立爆破振动数 据处理的动态优化模型，进而对衰减规律进行实时 的修正。 景澳号 』4 、．、固，、． 万方数据 2 0 1 3 年2 月微差爆破中起爆顺序对爆破振动的影响分析张南等 4 ．2 信号频谱分析 对上述研究的2 0 炮次对应的各测点主频进行 统计，得到各测点的主频统计曲线如图3 所示。 图3 各测点主频统计曲线 F i g ．3 T h ef r e q u e n c yc u r v e 由统计图中可以看出，各测点处爆破地震波主 频集中在5 0 H z 以下，其中1 号测点处主频总体来说 相对较小，3 号测点相对较大；各测点处振动主频虽 然各不相同，但变化趋势略有相似。 为了进一步了解各测点处振动信号频谱特性的 不同，从监测信号中任意抽取5 组信号，用M A T L A B 分析软件中的W a v e l e tT o o l b o x 工具箱对各信号进行 d b 8 函数的8 层小波包分解【_ MJ ，得到各频带能量的 分布规律，现将其中一组信号频带能量的分布百分 比列于表2 。 表2 不同频带的能量所占百分比 T a b ．2 P e r c e n t a g eo fd i f f e r e n tf r e q u e n c y b a n de n e r g y 频带范围／H z 1 { 芋型盛芋孝壁量鼍差羚 由表2 中的数据可知，各测点频带范围在0 4 8 ．8 2 8 H z 内的能量分别占总能量的百分比为 9 8 ．3 7 7 ％、9 8 ．2 3 0 ％、9 8 ．0 2 0 ％、9 8 ．4 9 1 ％，所以，各 测点振动频带能量主要集中在5 0 H z 内，即低频部 分。另外，表中1 号测点处1 5 H z 以内占频带总能量 的比例大于其他测点，这也与1 号测点处振动强度 强于其他测点相对应，据相关研究表明0 | ，5 ～2 0 H z 的信号频率范围对周围结构物的影响最为强烈。因 此，微差爆破时尤其要注意爆破振动对抛掷相反方 向的振动危害。 需要说明的是，其他4 组振动信号经小波包分 解后得出的各测点频带能量的分布规律与列出数据 基本相同，表2 只是随机选择的一组信号频带能量 分布规律。 5 结论 微差爆破中，通过对同一炮次布置4 个距爆源 等距离的测点进行振动监测，然后对监测数据分别 进行统计回归以及信号的小波包分析得出 1 微差爆破中，与爆源等距离情况下，爆破抛 掷反方向上的振动影响强于其他方向，由于起爆顺 序的不同，决定着抛掷方向的不同，这就说明不同起 爆顺序对周围爆破振动影响也不同。 2 各方向上地震波主频主要集中在5 0 H z 以 下，且不同方向上的爆破地震波主频大小具有相同 的变化趋势，爆破抛掷反方向上的主频较其它方向 更小些。 3 爆破地震波能量显著集中在低频频带，其中 爆破抛掷反方向上1 5 H z 以内频带所占比例明显高 于其他方向，所以抛掷反方向上产生的地震波对周 围结构更具危害性；其它方向上频带能量分布规律 基本相同。 4 微差爆破中不同起爆顺序对爆破振动的影 响非常复杂，涉及的因素也很多。由于实验条件的 限制，不能对微差爆破任意起爆顺序进行分析，又因 为各测点与爆源间的地形也可能不同，所以只能得 出大致规律。 参考文献 [ 1 ]刘宜平．应用微差爆破技术提高块煤率[ J ] ．矿业安全 与环保，2 0 0 4 ，3 1 3 5 5 - 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