1、地下洞室及其围岩爆破地震安全监测与动力分析第 16 卷第 6 期2006 年 6 月中国安全科学ClaimSafetyScienceJournalV-01.16No.6Jun.2006地下洞室及其围岩爆破地震安全监测与动力分析阳生权,2 副教授周健 2 吕中玉(1 湖南科技大学土木学院,湘潭 4112012 同济大学土木学院,上海 200092)学科分类与代码:620.5o 中图分类号:X924.4 文献标识码 :A基金项目:湖南省自然科学基金资助(o5jJ3OOO1).【摘要】基于地下洞室及其围岩的爆破震动安全监测,通过质点振动速度峰值及其卓越频率分析,论述爆破地震波的传播规律以及地下洞室与
2、围岩爆破地震作用下的动力特性,并对爆破地震安全监测与分析结果进行解释与原因探讨.通过大量监测数据的回归分析,得出质点振动速度峰值与爆破药量和距离及环境条件的关系式,并在分析三者关系的基础上指出,近爆破点区域的爆破地震波衰减速度明显大干较远区域,爆破引起的质点振动速度峰值的卓越频率集中在以 45Hz 为中心的1575 范围值.质点振动速度峰值及其卓越频率与爆破规模与环境的几何因素密切相关,介质本身的物理几何特性是爆破地震波衰减的主要影响因素之一.【关键词】地下洞室;围岩;爆破震动;安全监测;动力分析BlastingSeiaicSafetyMonitoringandDyn 锄 icAnalysis
3、ChamberofUndergroundPitandItsSurroundingRockYANGSheng.quartt 一.Prot.ZI-IOUJian2LVZhong.yut(1CollegeofCivilEngineering,HunanUniversityofSciencesTechnolc,Xiangtan411201,China2CollegeofCivilEngineering,TonalUniversity,Lngha200092,China)Abstract:Basedonblastingseimaicsafetymmitoringandfrequencyandamplit
4、udeanalysisofthepeakpardclevelocity(H】v)ofchamberofundidpitanditssdingrock,thelawofblastingseimaicwavespropagationinsdingrockandthe(qn3iccharacteristicsofchamberoftmddpitanditssurroundingrockaredescribed.m1eresultsofblastingseimaicsafetymmitoringeffectsofchamberofundergroundpitanditssI】 rIamdingrock
5、arediscussedandexplored.m1eattenuationformulaofthePPVccditionedwithexplosivesanddistancebetweenblastingcenterandrrtoringpositionisstern.m1erelationshipbetweenthePPVandradochargeofblastingvibrationiSpointedOUt,v,tlichshowsthatthePPVattenuatesrlrerapidlyinnearareathaninfHltherarea,andtheprincipalfrequ
6、encyfocuses013.1575Hzespecially45Hz,andthatcorrelationbetweenthePPVanditsprincipalfrequencyandchageanddistancebetweenblastingcenterandrrxtoringpositionismorehigh.m1edecayingoftheblastingseimaicwavesrelatedmainlywiththeneutralityandcharacteristics()fpropagationmediarfkqss.Keywords:chamberofundidpit;s
7、dingrock;blastingvibration;safetynxtoring;dynamicanalysis1 引言爆破地震引起的地下洞室的掉块,开裂,坍塌,片帮,底鼓,冒水等现象时有发生,地下洞室挖掘过程中爆破施工影响下的地下洞室稳定性研究也Ft 益颇受关注H,为了研究重复性的地下开采生产爆破对矿体与围岩的影响,对尖林山号矿体一50m 水平生产爆破进行了震动观测和分析,针对爆文章编号:lOO33o33(2oo6)o6014104;收稿 FI 期:2OO6 一 O113;修稿 FI期:2OO60425?142?中国安全科学ChinaSafetyScienceJd 皿 a】第 16 卷20
8、06 钲破引起的土岩介质体震动及其对地下洞室的影响,探索其爆破地震波在深层岩体中的传播规律,并应用理论指导,控制和优化生产爆破1,在安全预测预报和控制地下工程围岩和洞室因爆破引起的地质灾变和局部破坏方面,给出了一些具有实用的经验.2 工程概况尖林山号矿体由致密块状磁铁矿组成,矿石质地致密坚硬,强度高,性脆,以块状洞室为主.上部顶板围岩为石英闪长岩和矽卡岩,属隔水岩层,质地致密坚硬,强度高,但裂隙节理发育;底板为含水大理岩,含岩溶水,裂隙稀少,层面粘结力和抗风化能力强,以层状洞室为主,稳定性好.采矿生产爆破是在沿脉巷实施爆破作业,采用铵油炸药,炸药单耗为 1.21.81,g/n?, 由于放炮工作
9、面数目的不同,总药量为 200975,最大段药量为 162.5-546.0,通常总药量为 350-400,最大段药量为180.采用毫秒延时,延时时差为 150-250rns.3 地下洞室及围岩爆破震动监测爆破地震监测以爆破引起的最大震动可能发生位置,地下洞室可能发生的破坏位置以及爆破地震波衰减路线为爆破震动观测测点与测线布置原则,前后进行了 5 次固定测点的不同规模生产爆破震动观测,每次参与量测测点 6 个,观测试验共计采集到168 组数据.爆破地震速度观测结果及观测相应情况如表 1,表 2.测点的实际布位如图 1 所示,测点分别布置在距离爆破点 30-50m 白勺沿脉巷道或上盘巷道两帮中部,
10、下部位置,每个测点布置径向,切向与垂直方向的 3 个传感器.表 1 震动观测结果表图 1 测点布置及对应爆破地点示意图药量(1 霹) 质点峰值速度 PPV 次序爆破点(穿脉巷道)总计最大段幅值(s)卓越频率()19#3251656.3316.7433.256.627#,8#,9#97554|65.299.5834.1 55.738#.10#9504900.996.3018.6印.545#.6#2002000.734.8810.774.259#.10#7003752.786.0624.456.6表 2 爆破震动观测点详细情况表距爆心水平距离(m) 测点编号测点位置N31N32N.3No4N1 沿
11、脉巷南侧帮下 322628432831403638282 沿脉巷南侧帮中 32262843,2831403638283 沿脉巷北侧帮下(8#穿脉侧)26.52525432427353536254 沿脉巷北侧帮中(8#穿脉侧)26.5252543242735353625第 6 期阳生权等:地下洞室及其围岩爆破地震安全监测与动力分析 ?143?续表距爆心水平距离(m) 测点编号测点位置N01N.2N.3NN.55 沿脉巷北侧帮下(7 穿咏侧)262124362525363035256 沿脉巷北侧帮中(7#穿脉侧)262124362525363035254 地下洞室及围岩动力分析图 2 为尖林山典型
12、的振动速度波形时频图,清晰可见分两段爆破,起爆时差约为 175rns,正常幅值下还能分辨出持续时间的长短,通常为 450780rns,其中有出现异常值的情况.频率较为集中在 1575Hz 的频率段.同一次观测垂直方向,水平径向与切向频谱分布较为一致.0At=O.100(s)1000(s)2000(s)-llllfllI_III_l_一T乖亩方向F一md 吐 i.“?“水平切向FTangentdirectiOn.?:“水平径向一.,.F.Radialdirectio,“-0Af=-25.O0(Hz)250.O0(Hz)500.O0(Hz)W弋ave:F-frequency.图 2 典型振动速度波
13、形时频分布图图 3 为质点振动速度峰值与药量和距离关系,结果表明:衰减指数普遍较大,说明爆破震动波衰减理髫咂遐药量距离比值(1(g l/3/m)?垂向径向 -切向一一一垂向一径向-? 切向图 3 质点振速峰值与药量和距离的关系加快;垂直方向,水平径向与水平切向质点振动速度峰值与药量和距离的幂函数关系相当清晰;振质点动速度峰值随药量与距离的衰减以垂直方向最快,水平切向次之,水平径向最慢.其关系式为垂直方向91.75(Q 一/R 一(1)水平径向Vzn,x69.75(/R)(2)水平切向=75.78(Q 一/R“(3)同时,第一次爆破震动观测质点振动速度峰值普遍比其他几次高的现象,究其原因是因为该
14、次爆破是一个工作面爆破,药量相对比较集中,虽然总药量与最大段药量并不是最大,但其单个工作面的药量与其他几次爆破的单个工作面爆破药量相当(见表 1 与表 2),而其他几次生产爆破均是两个或 3 个爆破点,药量相对要分散些,表明了炸药量分布密度对爆破地震强度的影响.另外,在多个工作面爆破施工时,总药量与最大段药量并不是最大的情况下,出现质点振动速度峰值趋高的现象,其原因是地震波的相减干涉,降低了爆破地震强度.说明多点爆破时可利用波的相互干涉来控制爆破地震动.图 4 为质点振动速度峰值与距离关系分布图.6I.垂向 VVm=9E+O6R,4.22径向 VL 肌=9E+O7R.4.91切向 VTm=39
15、7025R333830354045爆心距(m)垂向-径向.切向一一一垂向径向一切向图 4 质点振速峰值与距离关系.1r,一一 _王 L2963O3)覃骧峰?144?中国安全科学OlinaSafetyScienceJoumal第 16 卷2006 正质点振动速度峰值及其分量随距离迅速衰减,衰减幅度相当大,图中速度峰值幅值约按距离 R 按 1/R31/R 衰减 .而在裂隙不发育的岩体中的质点振动速度峰值幅值随距离 R 通常按 1/R1/R0 衰减,因为矿岩体裂隙发育导致了其中爆破地震波传播的大幅衰减,说明围岩物理特生和其中层理裂隙的几何挣 生是影响爆破地震波加速衰减的主要因素之一.同时,从图 4
16、中看出,在距离 2535m 范围内,幅值衰减相当迅速,但超过 35m 后,随幅值质点振动速度峰值迅速降到小幅值区,幅值随距离的衰减也相对变得平稳.其结果表明振动速度幅值在爆破较近的区域衰减快,而在相对远区就要慢些,是因为在爆破较近范围内的围岩要受到爆破近区爆炸应力波的破坏作用,以及稍远距离的爆破地震波对围岩的作用,致使该范围内的围岩体物理力学参数的较大程度改变,该恶性改变是爆破地震波迅速衰减的主要原因.而在远区,围岩体中裂隙等缺陷受爆破地震动扰动相对较小,不管是岩体的物理力学性质还是缺陷洞室面的几何特性均较为稳定,前期的爆破震动对它们的破坏作用较小,围岩整体性较好,不会造成爆破地震波的大幅衰减
17、.图 5 质点振动速度卓越频率频度分布图,卓越频率频度分布具有一定的规律性,卓越频率均分布在 15-75Hz 的范围内,而且 3 个方向的振动速度的卓越频率均以 45 频度最高,同时三者的卓越频率分布趋势线几乎重合.1210,8642001020304050607080频率(nz)图 5 主频频度图通过对卓越频率与药量及距离数据统计和分析发现,卓越频率随药量增减均无明显变化,说明卓越频率与药量变化的相关程度不大.卓越频率在距离20-45m 范围内呈杂乱分布且分散,规律性差,没有明显的卓越频率随距离的增减而出现幅值上升降的变化趋势.5 结论根据上述现场安全监测及其动力分析,可以得出如下结论:1)生产爆破对裂隙较发育矿岩体不断形成而进一步破坏,导致裂隙发育程度加剧,从而加速了爆
