摘要：分析了礦山爆破工程中爆破振動(dòng)產(chǎn)生的原因、爆破地震波的特征及傳播規(guī)律和影響地震波傳播的因素,指出礦山在爆破施工中為減小爆破振動(dòng)強(qiáng)度、控制和預(yù)防爆破地震效應(yīng),應(yīng)選取合理的爆破參數(shù),充分利用微差技術(shù),改善爆破條件等。
　　
　　關(guān)鍵詞：礦山爆破;地震效應(yīng);控制技術(shù);降震措施
　　
　　1概述
　　
　　在礦山爆破施工中,因爆破的規(guī)模、爆破的方法、爆破自由空間及爆破區(qū)域環(huán)境條件的不同,爆破所引起的振動(dòng)、空氣沖擊波、噪音、有毒氣體及露天爆破引起的飛石,對(duì)周圍的環(huán)境、建(構(gòu))筑物、設(shè)施和人員將產(chǎn)生不同程度的影響。尤其是爆破振動(dòng)帶來(lái)的危害較為嚴(yán)重,它不僅對(duì)周圍建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響,更嚴(yán)重的是引起礦山與當(dāng)?shù)卮迕裰g的民事糾紛。目前大多數(shù)礦山企業(yè),為避免和減小爆破振動(dòng),采取的主要措施就是降低爆破炸藥量。降低了爆破炸藥量,也減少了爆破礦石總量,進(jìn)而影響了采礦強(qiáng)度和礦山發(fā)展中生產(chǎn)規(guī)模的提高。因此,研究和分析礦山爆破振動(dòng)的控制技術(shù)及降震措施,是十分必要的,也是礦山發(fā)展中確保生產(chǎn)秩序正常的一項(xiàng)重要工作。
　　
　　2爆破振動(dòng)與爆破地震波的傳播
　　
　　2.1爆破振動(dòng)及爆破地震波的形成由巖石爆破機(jī)理知,巖石
　　
　　爆破“破壞”是一個(gè)炸藥能量釋放、傳遞和作功的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程非常短暫,只有幾十微秒。在這個(gè)短暫的時(shí)間中,炸藥包在巖石中爆炸,爆轟作用形成的應(yīng)力波,由藥包中心即爆炸中心向周圍傳播,先是使鄰近藥包周圍的巖石產(chǎn)生壓碎圈和破裂圈(壓碎圈和破裂圈的大小,由炸藥的品種、數(shù)量和巖石的性質(zhì)決定),形成壓碎圈和破裂圈,這是我們所希望得到的炸藥爆炸的有用功。而當(dāng)應(yīng)力波通過(guò)破裂圈后,由于它的強(qiáng)度急速衰減,再也不能引起巖石破裂,而只能引起巖石質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生彈性振動(dòng),并以彈性波的形式向外傳播,這種彈性波又叫地震波。爆破地震波傳播到地表,將會(huì)引起地表震動(dòng),即為爆破振動(dòng)。由此引起的地面以及地面上的物體產(chǎn)生顛簸和搖晃的現(xiàn)象及后果叫地震效應(yīng)。爆破振動(dòng)的發(fā)生、傳播,雖然時(shí)間很短,但不加控制,帶來(lái)的危害很大。
　　
　　2.2爆破地震波的特點(diǎn)
　　
　　地震波具有較復(fù)雜的波形,但整個(gè)波動(dòng)過(guò)程大致可以分為三個(gè)部分,(1)初震相;(2)主震相;(3)余震相。如圖所示,主震相振幅最大,所以破壞性也最大。爆破地震波的峰值與裝藥量、至震源的距離有關(guān),并隨之變化而變化。
　　
　　地震波由若干種波組成,根據(jù)波傳播的途徑不同,大致分為主要由縱波與橫波組成的體積波和主要由瑞利波與拉夫波組成的表面波兩種。體積波特別是其中的縱波能使巖石產(chǎn)生壓縮和拉伸變形,它是爆破時(shí)造成巖石破裂的主要原因。表面波特別是其中的瑞利波,由于它的頻率低、衰減慢、攜帶較多的能量,是造成地震破壞的主要原因。
　　
　　2.3地震波的傳播規(guī)律及特征
　　
　　2.3.1地震波攜帶的能量很小炸藥爆炸時(shí),雖然用于破碎巖石的能量只占炸藥爆炸釋放能量的10%～15%,松動(dòng)爆破時(shí)也不超過(guò)25%，但轉(zhuǎn)換成地震波的能量更小,只不過(guò)占炸藥爆炸釋放總能量的百分之幾,并隨著巖石性質(zhì)不同略有差異,在干土中約為2%～3%,在濕土中約為5%～6%,在巖石中約為2%～6%。
　　
　　2.3.2爆破地震波與自然地震波不同爆破地震和自然地震雖然同屬于能量釋放引起地表振動(dòng)的現(xiàn)象,但二者有明顯的差異。一是頻率不同,自然地震頻率都很低,爆破地震頻率則較高,從數(shù)十至數(shù)百赫;二是波的衰減速度不同,自然地震波衰減慢,爆破地震波衰減很快;三是持續(xù)時(shí)間不同,自然地震常持續(xù)達(dá)數(shù)分鐘之久,而爆破地震持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)也不超過(guò)數(shù)百毫秒。
　　
　　2.3.3爆破地震波的頻率與炸藥性質(zhì)有關(guān)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明,炸藥爆炸時(shí)所產(chǎn)生的爆破地震波受炸藥性質(zhì)影響。低爆速炸藥爆轟壓力上升得慢,產(chǎn)生的爆破振動(dòng)也小，反之,高爆速炸藥爆轟壓力上升得快,產(chǎn)生的爆破振動(dòng)也大。
　　
　　2.3.4爆破地震波的傳播受地形地質(zhì)條件影響爆破地震在堅(jiān)硬的巖石中傳播較慢,衰減也快,而在松軟的巖石中傳播則快,衰減也慢。爆破地震波在傳播過(guò)程中,遇到斷層、裂隙、解理面、采空區(qū)、巷道、河谷、山溝時(shí),其裂度明顯降低。
　　
　　2.3.5爆破地震波的強(qiáng)度與爆破方法和參數(shù)有關(guān)爆破施工中,采用的爆破方法直接影響著爆破振動(dòng)的強(qiáng)度。若用齊發(fā)或瞬發(fā)起爆,產(chǎn)生的爆破振動(dòng)強(qiáng)度大;采用微差起爆,產(chǎn)生的爆破強(qiáng)度就小。另外,爆破振動(dòng)強(qiáng)度與爆破藥量、爆破作用指數(shù)等參數(shù)也有著直接關(guān)系。
　　
　　2.4爆破地震振動(dòng)強(qiáng)度及判據(jù)
　　
　　2.4.1衡量爆破振動(dòng)強(qiáng)度的物理量衡量爆破振動(dòng)強(qiáng)度的物理量是非常復(fù)雜的,但是主要的有質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度等。究竟用哪一種量最能反映爆破振動(dòng)的強(qiáng)度,到目前,國(guó)內(nèi)外專家的看法還不能統(tǒng)一,但多數(shù)人認(rèn)為選擇質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為標(biāo)準(zhǔn)比較合適。我國(guó)GB6722-86《爆破安全規(guī)程》也是按質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為判定爆破振動(dòng)強(qiáng)度的判據(jù)。
　　
　　2.4.2爆破振動(dòng)物理量的計(jì)算大量的研究和實(shí)際測(cè)試表明,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與一次起爆的炸藥量成正比,與至爆源的距離成反比。由于試驗(yàn)的條件不一樣,各國(guó)得到的計(jì)算公式也不同,但趨向卻是一致的。當(dāng)爆破作用指數(shù)為1時(shí),我國(guó)常用的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度計(jì)算公式〔１〕為:
　　

式中R安——爆破地震安全距離,m 。

　　3爆破振動(dòng)的控制及降震措施
　　
　　礦山爆破,無(wú)論是地下礦山的中深孔爆破,還是露天大爆破,必須重視爆破振動(dòng)的危害。特別是在距村莊民房或固定的建(構(gòu))筑物較近的區(qū)域爆破,為確保安全,避免引起民事糾紛,必須把爆破振動(dòng)的危害控制在允許的范圍之內(nèi)。
　　
　　3.1選取合理的爆破參數(shù)降低爆破振動(dòng)
　　
　　3.1.1選擇適當(dāng)?shù)谋谱饔弥笖?shù)對(duì)露天大爆破,特別是露天硐室大爆破,爆破作用指數(shù)n值的大小,較大的影響著爆破振動(dòng)強(qiáng)度,在一定的范圍內(nèi),它們之間成反比關(guān)系。根據(jù)資料介紹,n為1.5的拋擲爆破與n為0.8的松動(dòng)爆破相比,振動(dòng)速度可降低4%～22%〔2〕。因此,礦山爆破中,應(yīng)盡可能獲得最大
　　松動(dòng)的爆破效果,以減少爆破振動(dòng)強(qiáng)度。地下礦山的中深孔爆破,在合理選取爆破作用指數(shù)n值的同時(shí),還必須創(chuàng)造一定的自由空間,使爆破獲得最大松動(dòng)。
　　
　　3.1.2孔網(wǎng)參數(shù)要合理根據(jù)爆破機(jī)理的微分原理,為達(dá)到安全、合理之目的,使炸藥均勻地分布在被爆巖體中,防止能量過(guò)于集中,達(dá)到減小爆破振動(dòng)強(qiáng)度之目的。這就要求爆破設(shè)計(jì)中選取比較合理的孔網(wǎng)參數(shù),一是炮孔密集系數(shù)要盡量大于1;二是采用大孔距小排距爆破新技術(shù);三是減少炮孔超深;四是地下礦山扇形中深孔孔口堵塞長(zhǎng)度要合理,防止孔口藥量集中;五是采用孔內(nèi)間隔裝藥。
　　
　　3.1.3取合適的單位炸藥消耗量單位炸藥消耗量,是爆破設(shè)計(jì)中計(jì)算炸藥量的一個(gè)非常重要的參數(shù),它除對(duì)保證爆破效果起決定作用外,還影響著爆破振動(dòng)的強(qiáng)度。過(guò)大的炸藥單耗,會(huì)使爆破振動(dòng)和空氣沖擊波增大,并引起巖塊過(guò)度移動(dòng)或拋擲。相反,炸藥單耗過(guò)小,也會(huì)由于延遲和減小從自由面反射回來(lái)的拉伸波效應(yīng),從而使爆破振動(dòng)增大。最優(yōu)的炸藥單耗,要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和長(zhǎng)期實(shí)踐來(lái)確定。
　　
　　3.1.4控制一次爆破炸藥量一次爆破時(shí)的最大炸藥量與爆破振動(dòng)的強(qiáng)度成正比,一次爆破藥量越大,爆破振動(dòng)強(qiáng)度越大。爆破時(shí)必須嚴(yán)格控制一次爆破藥量。采礦強(qiáng)度需要加大爆破藥量時(shí),必須采用分段(包括排間分段、孔間分段和孔內(nèi)間隔分段)起爆,但不影響爆破總裝藥量和爆破礦石總量,滿足生產(chǎn)需要。
　　
　　3.2利用微差技術(shù)降低爆破振動(dòng)強(qiáng)度
　　
　　3.2.1微差起爆微差起爆,就是將爆破的總藥量,分組以毫秒級(jí)的時(shí)間間隔進(jìn)行順序爆破,這完全符合爆破機(jī)理的微分原理,對(duì)減弱爆破地震效應(yīng)有很大作用。大量的試驗(yàn)研究表明,在總裝藥量及其它條件相同的情況下,微差起爆的振動(dòng)強(qiáng)度要比齊發(fā)爆破降低1/3～2/3。其降振率計(jì)算公式〔2〕為:

　　δ = (V-V1) / V = 1 - η2/3(3)

式中δ ——降振率,%;

　　V ——齊發(fā)爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;

　　V1——微差爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;

　　η ——齊發(fā)爆破總裝藥量與微差爆破最大一段裝藥量之比。

　　3.2.2按地震效應(yīng)最小的原則確定微差時(shí)間大量試驗(yàn)研究表明,產(chǎn)生地震效應(yīng)最低的微差時(shí)間同補(bǔ)充自由面以及利用爆破碎塊碰撞進(jìn)行補(bǔ)充破碎所需的微差時(shí)間是一致的。這就是說(shuō),選擇地震效應(yīng)最小的微差時(shí)間,不會(huì)影響爆破效果。確定微差時(shí)間的原則有三:一是使前后起爆的炸藥量產(chǎn)生的地震波主震相不重疊;二是選取微差時(shí)間應(yīng)使前后起爆的炸藥量產(chǎn)生的地震波互相干擾;三是使排間延發(fā)時(shí)間大于排內(nèi)延發(fā)時(shí)間。長(zhǎng)期研究和實(shí)踐證明,此時(shí)間一般選取30～５０ms為宜。這還要按不同的地質(zhì)條件和環(huán)境,通過(guò)測(cè)試和長(zhǎng)期觀察來(lái)確定。
　　
　　3.3改善爆破條件降低爆破振動(dòng)
　　
　　3.3.1選用低爆速、低威力的炸藥在爆破施工中,選用低爆速、低威力的炸藥,對(duì)降低爆破振動(dòng)強(qiáng)度有一定的積極作用。試驗(yàn)研究表明,炸藥的波阻抗ρD不同,爆破振動(dòng)強(qiáng)度也不同,ρD越大,爆破振動(dòng)強(qiáng)度也越大。當(dāng)炸藥的波阻抗ρD越接近巖石的波阻抗ρC,則振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)更大。若將2＃巖石炸藥的爆速由3200m/s降到1800m/s時(shí),其地震效應(yīng)就可降低40%～60%〔2〕。
　　
　　3.3.2創(chuàng)造良好的自由空間爆破試驗(yàn)研究得知,松動(dòng)條件良好的炮孔爆破,即靠近自由面的炮孔爆破時(shí)產(chǎn)生的爆破振動(dòng)小,因此,爆破施工中必須有充分的自由空間,配合微差技術(shù),使所有炮孔均能有良好的自由空間,以便使炮孔爆破后,特別是后排炮孔爆破后產(chǎn)生的壓縮波可以從這些自由面反射,獲得最大的松動(dòng),以達(dá)到降低爆破振動(dòng)的效果。
　　
　　3.3.3調(diào)整爆破傳爆方向爆破施工中,尤其是露天爆破施工中,爆源與被保護(hù)對(duì)象的相對(duì)方位不同,其振動(dòng)影響也不同。實(shí)踐表明,拋擲爆破時(shí),最小抵抗線方向的振動(dòng)最小,反向最大,兩側(cè)居中。成排的群藥包爆破時(shí),在藥包中心連線方向比在垂直于連線方向的振動(dòng)速度可降低25%～45%。
　　
　　3.3.4利用自然條件爆破施工中,可充分考察并利用自然的河流、深溝、渠道、斷層等自然條件,減弱地震速度的傳播。如無(wú)自然條件可利用,必要時(shí)開(kāi)挖減震溝,或采用預(yù)裂爆破,人為地形成垂直于地表的裂隙面,使地震波到達(dá)時(shí)發(fā)生反射。采用減震溝措施,一般可減震30%～50%,是減震的有效措施。
　　
　　3.3.5全面分析保護(hù)對(duì)象礦山爆破中,被保護(hù)對(duì)象和地震傳播介質(zhì)一般是固定的。因此,要經(jīng)長(zhǎng)期的觀測(cè)、分析、了解并掌握其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和抗震性能,采取相應(yīng)的措施,必要時(shí)進(jìn)行科學(xué)測(cè)試,從爆破地震波的波動(dòng)規(guī)律和傳播性能,以及建筑物的響應(yīng)特性兩個(gè)方面,通過(guò)進(jìn)行頻譜相干特性與建筑物的影響特征分析,合理確定爆破參數(shù)和與地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù),確定合理的安全距離。
　　
　　4結(jié)束語(yǔ)
　　
　　礦山爆破地震效應(yīng)是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題,影響因素較多。但是,經(jīng)認(rèn)真分析和研究,抓住幾個(gè)關(guān)鍵的因素,采取適當(dāng)?shù)拇胧?完全可以減弱礦山爆破振動(dòng)影響。既使被保護(hù)對(duì)象不受損壞,又避免因爆破引起礦群之間的民事糾紛,確保正常的礦山生產(chǎn)秩序。
　　
　　參考文獻(xiàn):
　　
　　〔1〕中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)工程爆破專業(yè)委員會(huì)。爆破工程［Ｍ］。北京:冶金工業(yè)出版社,1992.4
　　
　　〔2〕商健，等。拆除爆破與安全管理［Ｍ］。北京:兵器工業(yè)出版社,1993.10