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摘要：爆破振动是施工过程中必然产生的自然现象，影响着矿山的生产安全，一直视为露天矿山首要解决的灾害。如何控制爆破振动强度在安全范围之内是目前面临的一个主要难点问题。本文结合国内外学者的研究成果，以某矿山工程为依托，利用现场试验、数值模拟等手段从爆破振动速度、加速度振级角度对控制爆破振动技术的可行性做出评价。
关键词：露天采矿爆破振动加速度振级无量纲系数减振
引言
爆破振动的评价及控制一直是矿山关心的重点问题。张家斌等利用统计学方法建立了东川岭矿的爆破振动传播模型，在保证爆破效果条件下降低炸药量的减振措施。李宇星等从爆破振动的频率和速度角度出发，基于地震波传播理论对爆区周围房屋稳定性展开了评估。占城等将现场监测与数值模拟综合对建筑物的动态响应特征，为建筑物安全稳定性提供预测。辛红园等利用ansys分析软件对爆区邻近的输电塔展开了数值模拟，保证了其安全性。文献从岩石结构的角度出发，建立振动传播与岩石结构的内在联系，提出了岩石性质对爆破振动的影响。结合国内外学者的研究成果，本文结合某矿山具体爆破开挖工程，通过对矿区附近民房的调查，制定了单排减振孔、双排减振孔等控制技术方案，结合现场监测试验与数值模拟手段对振动速度和加速度振级进行了综合评价；引入了无量纲系数分析减振孔形式对爆破振动的影响特性。
1工程概况
关宝山矿位于鞍山市高新区千山镇，隶属于鞍钢矿业有限公司。在关宝山采场西区的西南侧，坐落有山印子村，该村现有居民270户，距采场边界均超过100m。结合地质条件，基于爆破地震波传播理论，在离爆区几何中心15m的位置分别布置单排减振孔、双排减振孔。初步设计减振孔孔径为250mm，孔间、排间距均为2m，配合使用2号岩石乳化炸药，采用径向不耦合装药结构及逐孔微差起爆方式。为了验证方案的减振效果，分别对无减振孔、单排减振孔、双排减振孔条件下爆破振动强度的监测以及对减振孔的布置形式、数目等展开了定量分析。
2现场测试
结合上述的提出的减振方案，在-96m台阶分别对无减振孔、单排减振孔、双排减振孔条件下展开振动速度、加速度振级监测，在单排减振孔方案中，共布置16个减振孔，其中减振孔与爆破区域几何中心为15m，按射线位置布置4个测点，每个测点之间的间距为10m。而双排孔减振方案中，初步设计为32个减振孔，前排减振孔距离爆破区域几何中心仍为15m，同样也布置4个测点，每个测点之间的间距仍为10m。
3结果分析
3.1爆破振动速度的对比分析
本次台阶爆破振动测试采用TC-4850振动监测仪。-96m水平台阶深孔爆破时，在该台阶共布置4台仪器，进行爆破信号收集。对单排减振孔、双排减振孔、无减振孔试验的监测数据整理。本次测振共展开10次，测振地点位于-96m水平台阶上。当在-96m水平台阶上没有布置减振孔时，其中监测的最大峰值速度的达到8.65cm/s，；即使监测中峰值速度最小值也达到了5.10cm/s，总体振动效应较大。在距离爆区15m处布置单排空孔时，监测的水平径向、水平切向、垂直方向振动峰值速度均有不同程度的减小。针对布置的双排孔方案，在距离爆区15m的位置处布置两排空孔，在后排空孔外布置4个测点，相对于单排减振孔来说，双排减振孔的降振效果更加明显。另外相对于无减振孔方案降振率近似于单排减振孔的试验方案的2倍。因此，在距离爆区15m处布置双排空孔降振效果最佳，该结论可为现场施工提供指导意见。
3.2爆破振动加速度振级的对比分析
本次台阶爆破振动测试采用杭州爱华仪器有限公司研究开发的振动加速度监测仪。-96m水平台阶深孔爆破时，在该台阶共布置4台仪器，进行爆破振动加速度信号收集，测试前，先将加速度传感器固定于基岩上，然后将传感器接头连接完毕后，最后开启电源，仪器进入工作状态；测试后，将仪器简单擦拭，并按照要求放入工具箱。相对于单排减振孔来说，双排减振孔的降振效果更加明显。距离爆区15m的双排减振孔后方监测的加速度振级最大为65dB，相当于无减振孔同位置的0.59倍、单排减振孔同位置的0.68倍。另外相对于无减振孔方案的加速度振级降振率分别为40.9%、49.1%、58.2%、60%，近似于单排减振孔的试验方案的2～3倍。
综上可得出加速度振级降振率：双排减振孔＞单排减振孔。因此，在距离爆区15m处布置双排空孔降振效果最佳，与所监测的振动峰值速度相吻合。
4不同减振孔形式对爆破振动的数值模拟分析
4.1数值模型的建立
选取某一部位设为研究区域，考虑到中深孔爆破的实际特征，采用三维计算模型，共计划分约22900个单元，231000个节点，因减振孔布置形式不同，各计算模型单元与节点数略有差异。模型总长100m，高16m，宽42m。中深孔布置于模型的一侧，孔径150mm，呈6m×6m方形布置，共计32个炮孔。减振孔位于炮孔前端，呈2m×2m梅花型布置。屈服准则选取mohr模型，均质力学参数为弹性模量35GPa，泊松比0.22，黏聚力1.05MPa，内摩擦角45°，抗拉强度0.5MPa。
4.2动力计算参数
（1）阻尼的选取
由于岩体的运动是不可逆的过程，要避免系统在平衡位置来回振荡，就要采用加阻尼的办法来耗散系统在振动过程中产生的动能。因而在动力分析时，需要确定阻尼形式和大小。FLAC动力计算中主要采用了2种形式的阻尼，即瑞利阻尼（RayleighDamping）和局部阻尼（LocalDamp⁃ing）。局部阻尼FLAC在静力计算中采用的阻尼方法，在振动中通过在节点上增加或者减少质量的方法达到收敛，但系统保持质量守恒。本文选用局部阻尼，选取目前岩土动力分析中的典型值5%，从而求得局部阻尼为0.1571。
(2）边界条件
在动力计算中，波传播到模型边界会产生反射，这势必会影响计算的结果。理论上，模型边界选取的越大越好，但过大的模型会引起巨大的计算负担，影响效率，可操作性差。因而在FLAC中提供静态边界和自由场边界来解决这个问题。静态边界通过施加法向和切向的粘壶来吸收来自模型内部的入射波，对于入射角>30°入射波可以完全吸收，此范围外的波也具有一定的吸收能力。本模型的研究对象为爆破载荷，来自模型的内部范围有限。如果模型的范围足够大，选用静态边界可以达到计算的精度要求。
4.3无减振孔模型与减振孔模型的对比分析
在本次数值模型中，通过直径250mm的null单元模拟减振孔，参照岩石松动圈理论，对减振孔周边1倍直径范围的岩体单元进行弱化，弱化后单元体力学参数为弹性模量1.5GPa，泊松比0.22，黏聚力0.35MPa，抗拉强度0.23MPa，内摩擦角35°。于减振孔的存在，减振孔周边的介质与周边原岩介质间存在较为明显的力学性能差异。振动波传播至减振孔部位后，受到明显的干扰，振动波于减振孔范围振荡，爆破产生的振动效应受限于减振孔与炮孔之间，减振孔对于振动沿x正方向传播产生了较为明显的阻断作用。
5结论
综上所述，相对于无减振孔试验，双排减振孔的降振效果更加明显，最大降振率达到71.4%。针对双排减振孔布置方案，最大降振率可达到单排减振孔的3倍，降振效果显著。减振孔的存在导致了减振孔周边的介质与原岩介质间力学性质发生较大的差异，减振孔的存在对于振动传播产生了较为明显的阻断作用。
参考文献
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