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地下金属矿山爆破设计与振动控制表面结构的安全性

关键词：地下爆破、冲击振动、表面结构、爆破设计、振动控制

1. 介绍

采矿工程爆破实践的振动是由许多变量控制的复杂现象。来自矿山，建筑等行业爆破的地面振动一直是生活在附近的采矿活动的市民和监管机构负责制定安全和环保标准中一个连续的问题。关于爆破振动效应的问题经常出现，特别是关于振动是否可以或可能导致房屋和其他结构的开裂和损坏。答案主要取决于振动的水平和频率，并在较小程度上对现场和结构的具体因素。所有爆破震动的投诉是由于投诉人多的房子怎么摇晃，地面没有多大震动。地面震动，震动程度确定的三个因素是地面振动的振幅（峰值速度；PPV）以及它的持续时间和频率。除了PPV，在附近地区的结构响应的频率内容和水平和垂直分量的相对振幅也能发挥重要的作用。另一方面，各种变量如电荷装填密度，现场地质，爆破的几何形状，也可以影响在给定的缩放距离地面震动。此外，在深埋隧道围岩的爆破开挖扰动的影响主要体现所造成的围岩应力重新分布岩体的损坏或故障，开挖爆破的爆破负荷和瞬态卸载挖掘负载。李等人试图通过分析PPV和应力分布来评估隧道安全。夏等人观察到隧道周围的岩石损伤程度呈线性峰值粒子速度（PPV）增加。人类发现振动水平远低于建立结构损伤阈值的水平。先前的研究人类对瞬态振动的反应表明人类对振动的耐受性降低了振动的持续时间。

雷达曼和尼伯格试图描述发生在沿隧道壁开挖爆破振动。在过去的研究中，地下结构对地面建筑物的影响主要集中在地表沉降。最近，地下结构对地表地震响应的影响已经引起研究人员的关注，因为他们已经得出结论，这些地下结构的存在也影响到附近的地震响应。瑟蒙茨尼等人提出了一种解析法来描述地下洞室对地震波产生的地表运动的影响。然而，这些方法只考虑一些简单的假设，如弹性介质中的分析，并没有没有考虑其他因素，如土壤非线性。采矿业需要切实的爆破设计水平，也需要在外围的结构中安全防护的实用技术。同时负责爆破和炸药矿山安全监管机构需要合理的，适当的和技术上建立并支持的，以此为基础的法规爆破振动破坏准则。最后，围绕采矿作业的邻居真的需要保护他们的财产和健康。 最后但是同样重要的;在采矿作业中不应该停止仅由于对结构/建筑物的损坏的忧虑。

本文研究的是kayad村因为地下爆破引起的地面震动问题以及其解决办法。这项研究是通过改变爆破设计即爆破步骤来解决问题，如药量，爆破延迟，孔的数量、位置以及平台，起爆顺序，炮孔的直径和深度，炸药的类别，不同的起爆器材。

1. 地质细节

该研究已在Kayad地下矿井进行的。这是印度斯坦锌业有限公司的铅锌矿，位于在印度拉贾斯坦邦阿杰梅尔中区Kayar村。该矿位于Kayad村的东缘。该矿床位于北纬N26°之间3130“和经度E74°41和74°42.The Kayad村阿杰梅尔市9公里NNE，并由柏油路相连。

有三个透镜 - 主透镜，K1A透镜和S1透镜。早期的三个镜头即。 K1，K2和K3的已重新关联为一个单透镜作为在这些透镜之间的空隙在钻孔中遇到的正交点。主要围岩是石英云母片岩以及一些矿化的钙硅酸盐长石。主镜头在很多地方被伟晶岩切割。平行于轴面片理/切割/断裂的镜头的折叠系统或剪切断裂管理受岩性变化影响。主要的镜头可以探索不同深度，最大最多的50 MRL而K1A和S1走高达350 MRL。主透镜范围的平均宽度从陡峭的部分5米到平坦的部分40米。主镜头的最大有效范围的是900米，即从地面约250 m的深度。它显示了一个在深度上总的减少趋势。这个镜头显示增大和收聚的现象可能是因为折叠的不同阶段的叠加。矿产资源的总储量约1140万吨（锌10.61%、1.61%的铅和33 ppm的银）。

1. 现有爆破振动标准

不同的国家在开展了广泛的实地调查的基础上制定自己的标准。还有就是世界上现有的标准过多基于地面振动的方面例如振幅，峰值质点速度，频率，加速度等这些参数使用，也可以作为一个单一的标准或组合;有时频率与幅度和速度相结合。峰值质点速度在实践中已传统地用于爆破损害结构的测量。美国矿业局（USBM）发表RI 8507 16并设定了基于地震波的主频率峰值粒子极限（12.5毫米/秒）的爆破破坏准则。限制强加的进一步研究，提出了如何确立相对较小的限制，如0.25in./s，在技术上是合理的问题。几位研究人员指出，没有一项工程研究或研究证明这样的限制。但是，当这些限制性的水平被强加时，他们更多的是一个旨在减少或消除公众投诉的政治限制。澳大利亚和德国标准分别为住宅推荐的最小PPV水平为19毫米/秒和5毫米/秒。印度标准提出的监管机构在表1。

表1

允许质点峰值速度（PPV）毫米/秒在矿区建筑物的基础水平（DGMS圆7 1997）

1. 建筑物/构筑物不属于业主

主要的激励频率，赫兹

lt;8 8-25 gt;25

1．国内的房子/结构（泥，砖和水泥） 5 10 15

2.工业建筑 10 20 25

3.重要的历史意义和敏感结构对象 2 5 10

1. 属于业主的生活跨度建筑物的限制

1.国内房屋/结构 10 15 25

2.工业建筑 15 25 50

4. 爆破细节和振动监控

爆破振动监测是在Kayad村三到四个地点进行，由于在卡亚煤矿井下爆破。发展面爆炸是在矿井不同地点进行。在爆炸中爆破的孔的数量，从17变化到78。在槽爆和环爆的情况下，孔的数目一般在2和十三之间变化。总爆炸的炸药引爆重量变化从70年到310公斤。最大的延迟爆破量在3.90和18.75公斤之间不等。爆破孔直径为45毫米的情况下，发展面爆破和槽提高和环爆炸的钻头直径为76毫米。

由于形成冲击振动的发展，切割天井和环爆炸已采取分析。在所有的情况下都为30-185米的垂直深度和水平距离从垂直上方从地下采工作面点执行300米爆破振动监测。记录的爆炸振动数据的范围为2.34 - 14.6毫米/秒。确定了该村各住宅的结构响应，记录了其固有频率在14到16赫兹的范围内。在不同层的结构中，由于房屋的固有频率，在不同层的结构中，振动引起的振动的峰值频率较高，导致振动的降低。在表2中描述了几个房屋/结构的细节，并在图1中给出了确定的自然频率的爆炸波信号。

振动的记录频率在30.1-246赫兹的范围内。高速傅立叶变换得到的振动数据（FFT）分析表明，振动能量的浓度在50-150赫兹的范围内。因此，振动的安全水平采取15毫米/秒作为为住宅/建筑物的安全DGMS标准（表1）。在图2中，给出了在不同的径向距离处记录振动的主要峰频率。

记录爆破震动数据每隔一定的时间进行分析。展开面爆炸和生产爆炸（切割天井和环）的振动数据已经采取了分析和广义预测方程已经成立，它被赋予为

V=490.1（R/radic;Q_max）^-1.314

其中，V是峰值速度（毫米/秒），R是振动监测点与爆破面之间的距离，Q_max是单次延迟最大爆炸重量kg。这个方程的相关系数为82.3%。

图1

图2. Kayad村在不同的径向距离的地下爆破振动

表2.在Kayad村的几个结构/房屋的固有频率

5.爆破设计参数的优化

5.1掘进爆破

实验爆炸进行了不同的爆炸设计，优化设计参数和控制地面振动的最低水平。基于村里的振动记录震级对所有的孔之间的延迟时间间隔进行了修改。最初，爆炸进行了15毫秒，20毫秒和25毫秒的延迟时间间隔，孔采取一个接一的五中心孔并对快速采样速率记录的振动特征进行了分析。结果发现，25毫秒的延迟时间导致地面振动的水平较低。随后孔之间的延迟时间被设置为50ms渐升为200毫秒，并在两个断面切口设100毫秒的跳跃延迟。但爆炸的整体拉力是在70-80％的范围内。平均炮眼深度为3.5米，在图3中给出了设计的探讨。为了提高每一次爆炸的张力，爆炸是由两个中心孔进行的， 25毫秒的延迟时间间隔，切眼与其他炮孔的延迟时间是一样的，如图3。改进的爆炸设计导致平均拉力在80-90%之间。优化的爆设计产生了极好的效果，它是持续的交叉切割爆炸。此外，设计略有下降，下降和主要面临的冲击，特别是在钻孔设计，即，负担和间距的冲击孔。在这种改进的设计中得到的平均拉力90-95%。优化的爆炸设计，如讨论图4。

在Kayad矿不同阶段用以控制地面振动的最低水平发展面临的优化爆破设计的设计修改呈现在图4中。25毫秒的延迟时间导致成振动的产生水平较低。爆炸的掏槽孔（初始五个孔）之间的这25毫秒的延迟时间进行了优化，改为20毫秒，25毫秒，30毫秒和50毫秒。随后，提供跳跃延迟。两个连续的切割爆炸之间使用的200毫秒至300毫秒的延迟间隔将产生极好的效果。来自采准工组爆破的一个典型的爆炸冲击波特性记录在图5中。充填模式和爆破孔参数的细节在表3和4分别给出。

最初，电子雷管延迟被广泛用于控制爆破引起的震动和噪音。但随着矿井进展越深，由于成本上的优势导爆管体系被广泛使用。对两种引发体系即激波管的影响（爆）和电子延时起爆系统产生的爆破振动进行了分析。记录电子延迟起爆管进行的500次爆破数据，同样的记录由导爆管导爆的500次爆破数据并对数据进行分析。记录的爆破振动数据绘制成图，其比例为引爆系统即电子延迟雷管和NONEL引发体系的距离，并示于图6。很明显，电子起爆系统产生的振动在9.47–12.5%范围比导爆管起爆系统产生的水平较低。

图3起初用于开发面爆炸的爆破设计和延迟设计

图4优化后的爆破设计和延迟设计

图5记录在kayad村爆破产生的爆炸冲击波的特性

5.2掏槽爆破提高

掏槽提高爆炸后，在北和南下降的平面中得到了了充分的发展爆炸理论。炮孔和装药量数量进行了修改，以获得所需的从掏槽爆破产生的爆炸拉动。在几次爆炸中记录了2.7米的最大拉动。虽然，炸药装在槽孔1.9–2.2 m。根据炮眼的条件炮孔数量在30至40之间。一轮爆炸的炸药总量在16至172 kg之间。槽爆破的初始设计示于图7。

表3 在kayad地下矿山发展面爆破的装药设计

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