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，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2％～6％，在湿土中约为5％～6％，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25~105m时，岩石中的水平方向的质点速度增大1.23~3.04倍，垂直方向增大3.26~3.80倍；在表土中水平方向增大1.18~1.53倍，垂直方向增大1.32~1.79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/Q2≤10，认为近距离震动；R1=R/Q2＞10认为是远距离。近距离震动K值较大，可达500以上，α值较大，可取2.0～3.0；远距离爆破震动，衰减指数K=130～500，α=1.3～2.0。G.L.Yang[13]、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、α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，α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，α值趋小；反之破碎、软弱岩体、起伏地形，α值趋大。K取值范围大部分在50～1000之内，α取值在1.3～3.0之间。根据[20]经验总结K，α值与之对应的岩性特征如表1.1所示表1.1不同岩石性质对应的K，α值岩石性质Kα坚硬岩石50～1501.3～1.5中硬岩石150～2501.5～1.8软岩250～3501.8～2.0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、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。(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