露天矿山高台阶爆破振动分析

化工矿物与加工

INDUSTRIAL MINERALS & PROCESSING

2020年第3期

文章编号：丨〇〇8-7524( 2020) 03-0012-05 D0I ： 10. 16283/j. cnki. hgkwyjg. 2020. 03. 004

露天矿山高台阶爆破振动分析

贺高威、窦超杰、轩朴实、肖定军2，常俊杰、邵琢凯1

(1.中建七局安装工程有限公司，河南郑州45_;2.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳621010)

摘要:露天矿山高台阶边坡的稳定性关系着矿山的正常生产和安全，研究爆破振动在台阶边坡上的传播规律及选

择合适的预测方式具有重要的现实意义.以某露天石灰石矿为研究对象，开展现场爆破振动测试，根据测试结果对露 天矿爆破高台阶边坡振动传播规律进行了分析，结果表明:三向爆破振动在高台阶边坡上整体表现为垂向振速最大， 但随着爆心距的增加，垂向振速衰减速率明显大于水平方向；高台阶边坡上爆破振动高程效应受地形条件影响较大；在近爆源区域内（小于42 m),爆破振速与振动频率随爆心距的增大而呈负相关性，在远离爆源时呈正相关性;振动频 率也存在一定的高程效应，且与振速高程效应出现的区域基本一致，但其在水平方向上出现高程效应具有一定的滞后 性。采用基于量纲分析法加人高程差的萨道夫斯基修正公式对爆破振动进行了预测，修正公式计算得出的平均相对 误差约为10%，相较萨道夫斯基公式，径向误差减小了 33. 72%，切向误差减小了 10. 64%,垂向误差减小了 20. 16%，〔向预测精度排序为垂向 > 径向 > 切向;结果表明萨道夫斯基修正公式预测效果较好，可为高台阶边坡的爆破振动分 析提供指导。

关键词:露天矿山；高台阶边坡;爆破振动;高程效应;萨道夫斯基公式;振动速度;振动频率;传播规律

中图分类号:TD235

文献标志码：A

Vibration analysis of high bench blasting in open-pit mine

HE Gaowei1, DOU Chaojie1, XUAN Pushi1, XIAO Dingjun2, CHANG Junjie1, SHAO Chenkai1

(1. Installation Engineering Co. , Ltd. ,Seventh Engineering Bureau,China National Construction Engineering

Corporation,Zhengzhou Henan 450000,China；2. School of Environment and Resources,

Southwest University of Science and Technology, Mianyang Sichuan 621010,China)

Abstract: The stability of slope with a high bench is related to the normal production and safety of the mine. It is of great practical significance to study the propagation law of blasting vibration on the bench slope and select the appropriate prediction methml. Taking a limestone mine as the research object,the field blasting vibration test was carried out and according to the test results,the vibration propagation law of the high bench slope of the open pit blasting was analyzed. The results showed that the vertical vibration velocity is the largest as a whole in the three-way blasting vibration on the high l>ench slope. However, with the increase of ihe distance of the blasting center, the attenuation rate of vertical vibration velocity is obviously greater than that of horizontal vibration velocity. The elevation effect of blasting vibration on the slope of high bench is greatly affected by the teiTain conditions. In the area near the explosion source (less than 42 m) , the blasting vibration velocity and viliration frequency show a negative correlation with the increase of the blasting center distance,and a positive correlation with the distance away from the blasting source. The vibration frequenc^y also has a certain elevation effect, which is basically the same as the region where the vibration velocity elevation effect occurs, but the vibration frequency has a certain lag when the elevation effect ocrcurs in the horizontal direction. The blasting vibration is predicted by the Sadovsky correction formula based on dimensional analysis with elevation difference. The average relative error calculated by the correction formula is aljout 10% ,00111 pared with Sadovsky for­mula, the radial error is reduced by 33. 72%, the tangential error is reduced by 10. 64%, the vertical error is reduced by 20. 16%. The accuracy of three-way prediction is vertical>radial>tangential. The results show that Sadovskymodified formula has a good prediction effect and can provide guidance for blasting vibration analysis of high bench slope.

Key words: open-pit mine；high bench slope；blasting vibration；elevation effect ；Sadovsky formula； vibration velocity; vibra­

tion frequency; propagation law

* 收稿日期：2019-08-05

作者简介：贺高威（1990-)，男，硕士。

通信作者：肖定军（1982-)，男，博士，主要从事工程爆破及矿山安全等方面的教学与科研丁.作，E-mail: 154689219@qq.com

•

12

•

采矿工程贺高威等：露天矿山高台阶爆破振动分析2020年3月

0引言

在露天矿山的生产过程中，随着开采的不断

NET爆破振动测试仪、计算机组成。测试系统示 意图如图1所示。

深人逐渐形成高台阶边坡,边坡的稳定性与矿山 的安全生产紧密相关，因此研究爆破振动在高台 阶边坡上的传播规律对维护边坡稳定和指导矿山 施工具有重要意义m。关于高台阶边坡的振动 规律，无论是凸起作用还是高程效应[2]，都集中 表现在台阶高度对爆破振动的影响[3_5 ;通过分 析相关文献发现，爆破振动在高台阶边坡上出现 高程效应具有一定的条件性[M]。

目前，关于高台阶边坡振动的分析，通常是根 据爆破现场振动监测结果，按萨道夫斯基公式进 行回归分析,然后基于回归分析得到的萨道夫斯 基公式预测爆破振速；但由于该公式未考虑测点 与爆心之间高差的影响，当爆破场地的地形地貌 变化较大时用该公式预测爆破振动的精度较差。 基于这一认识，近来不少学者对有高程变化的爆 破振动进行了研究[KMn。本文针对露天矿山的 常规爆破开采，分析爆破振动在高台阶边坡上的 传播规律，根据高程效应产生的地质条件进行双 重预测，得出适合高台阶边坡振动预测的公式。

图2测点布置示意图

信y-处《

图1 Blast-NET爆破振动测试系统示意图

1.2. 2爆破振动测点布置方式

根据该矿地质地形条件和高台阶边坡的特 点,爆破时，以起爆区域中心为爆源中心，沿直线 布置测点，在每一级台阶上分别布置2 ~3个测 点，测点位置涵盖边坡脚、坡顶和台阶中部等部 位。爆破现场测点布置方式如图2所示。

1爆破现场地质条件和振动测试

某露天石灰石矿为南北走向，走向长3. 075

1.3爆破参数

孔距a = 6. 0 m ,排距6 = 6. 0 m,孔径/)= 120 mm,孔深 // = 16. 5 m，超深 /i = 1.5 m,单孔装 药量g = 120 kg,炮孔数目n =33,总药量=4 t。

采用排间微差起爆方式，孔内延期时间为1

1. 1 爆破现场地盾条件

km,平均宽0.83 km,面积2. 55 km2。最高点标高

1032. 90 m，最低点标高494. 20 m，相对高差 538.70 m。目前已形成3层台阶，每层台阶高度 为15 m,台阶边坡角为70°，属于高台阶边坡。1.2爆破现场振动测试 1.2. 1爆破振动测试系统

爆破振动测试系统由三向速度传感器、Blast-

S，孔外延期时间为100 ms,最大单段起爆药量约

为 1 400 kg 。

2现场测试结果及分析

现场爆破各测点的测试结果见表1。

表1爆破测试结果

测点编号

1234567

水平距 离/m

12.530.534.938.450.657.264.3

亜1 口j

/m001515153030

径向

振速/

(cm • s'1)33. 739. 176. 524.523. 578.3310. 19

切向

频率

/Hz12.227.441.741.721.327.827.8

垂向

频率

/Hz16.513.523.946.037.35.626.9

振速/

(cm • s 1 )28.9114.049.307.474.626. 869.74

振速/

(cm • s~1 )26.0228. 5611.318.798. 1613.3410. 75

频率

/Hz11.727.427.827.828.653.427.8

速度/

(cm • s_i )39.8128.5914. 1311. 139.2514.6914. 12

.13 •

采矿工程化工矿物与加工第49卷第3期

2. 1露天矿爆破高台阶边坡振动传播规律2. 1. 1振速在高台阶边坡上的传播规律

三向振速和合速度随爆心距的变化曲线如图 3所示。

°5

^

40

60

80 5 20 40

60 80

雉已、距

/m

爆>11、距

/m

(a) (b)

图3振速随爆心距变化曲线

由图3可知，露天矿山爆破振动在高台阶上 的传播规律表现为：

a. 垂向振速最大，但随着爆心距的增加（大于

70 m后）三向振速逐渐接近，表明垂向振速的衰减 速率明显大于水平方向振速的衰减速率。

b. 在同一台阶边坡上，三向地表振动整体表 现为振速随爆心距的增大而减小，但测点2垂向 振速却出现振速增大的现象，这可能是由于测点2 布置在紧靠台阶边坡角的原因（测点2布置在台 阶边坡角底部，垂向振速出现显著增大，这可能是 由于振动波在台阶边坡角处发生反射所致），符合 凸形地形处地震波发生反射叠加使得能量集中释 放而使质点振速增大的规律[12]。

c. 在距离爆源52 ~ 72 m内，三向振速均随爆

心距的增大而增大，即出现爆破振动的高程放大 效应,但垂向振速受高度差和测点位置的影响程 度明显大于水平方向，与文献[13]中爆破振动高 程放大效应具有方向性、在垂直方向更明显的结 论一致。

d.

测点3、4、5和测点6、7与爆源均存在水平

高度差,但测点3、4、5并未出现高程效应，而测点

6、7却出现了高程效应，且测点6、7高差相同，但 测点7水平振速大于测点6,测点7垂向振速小于 测点6。这表明爆破振动在台阶边坡上的高程效 应具有一定的条件性，与文献[14]的研究结论一 致。爆破振动在台阶边坡上出现的高程效应受到 最大单段起爆药量和地形高度差的影响，且高程 效应在水平方向上存在一个连续区域，这与文献

[15]中的结论一致。

2. 1.2振动频率在台阶边坡上的传播规律

根据测试结果，绘出7个测点的振动频率与

.14 •

爆心距的关系曲线，如图4所示。由图4可知：

a. 当爆心距小于42 m时，振动频率随爆心距

的增大而增大；当爆心距为42~53 m时，振动频率 随爆心距的增大而减小，之后振动频率基本保持稳定。

b. 观察测点5、6、7的振动频率可知，垂向振

动频率随高度的增加，最先出现高程效应,径向次 之，切向最慢,这表明振动频率也具有一定的高程 效应，且水平方向振动频率的高程效应具有一定

的滞后性。

〇15

-------20

1----------40

1----------60

1----------81

1

距离/m

图4振动频率随爆心距的关系曲线

2. 1.3爆破振速与振动频率的关系

对比分析图3、图4可知，台阶边坡上爆破振 速和振动频率具有如下关系：

a. 在近爆源区域内（小于42 m),振速与振动

频率随爆心距的增大呈负相关性,在远离（大于42

m)爆源区域时呈正相关性。

b.

振速和振动频率均存在一■定的局程效应，

这与文献[16]的结论一致，且均存在一定的条件 性（高度差达到一定程度时才会显现）。

c. 振速与振动频率出现高程效应的区域基本

吻合，但振动频率的高程效应在水平方向上存在

一定的滞后性。d. 出现高程效应的区域内，水平方向振速与 振动频率受高度的影响和爆心距的影响规律一 致，垂直方向振速与振动频率受高度的影响和爆 心距的影响规律不同。

e. 通过对测点2的观察发现，在紧靠台阶边

坡角处振速出现明显的突变而振动频率却无影 响，表明振速与振动频率在边坡角处并无严格的 对应关系。

2.2露天矿爆破高台阶振动传播规律预测

露天矿山爆破振动在高台阶上的传播速度预 测对于指导矿山生产和高台阶边坡灾害防治具有

采矿工程

贺高威等：露天矿山高台阶爆破振动分析

2020年3月

重要意义。由前述可知，爆破振动在高台阶上存

在高程效应，最大振速达33. 73 cm/s，且在爆破过 程中边坡上存在落石。

由于高台阶边坡受到地形条件的影响（高差 影响）而存在高程效应，使得振速随爆心距的增加 而不具有收敛性（或收敛性较差），因此运用传统 的萨道夫斯基公式进行预测具有一定的局限性。 本文采用萨道夫斯基公式和量纲分析法得出的萨 道夫斯基修正公式进行双重预测，通过对比减小 预测误差，提高预测精度，为露天矿山高台阶边坡 的爆破振动预测提供理论依据。2.2. 1

萨道夫斯基公式预测 预测公式为：

卜

0 ⑴

式中：F表不质点振速，cm/s;(>表本炸药量，齐发 爆破为总药量，延时爆破为最大单段装药量，kg; D 表示爆源至测点的距离，即爆心距，m分别表

示与地形、地质有关的系数和衰减指数。

由于式（1)为非线性公式，为便于回归，将式 (1)转换成线性公式：

1

lnV = InA^ + aln(-^--)

(2)

萨道夫斯基公式回归参数见表2。

表2

萨道夫斯基公式回归参数

K

R2

a径向0. 86224. 570. 49切向0.84528.340.71垂向

0. 604

29.05

0.76

基于量纲分析法得到加人高程差的萨道夫斯 基修正公式：

vnd) ’f ⑶

式中：表示爆源至测点的水平距离，m;

表示

与地形高差有关的影响系数；尺2、〇：分别表7T：与地 形、地质有关的系数和衰减指数；表示与高差有 关的衰减指数。2. 2. 2

萨道夫斯基修正公式预测

预测公式的回归拟合过程同萨道夫斯基公式 拟合的步骤一致，先将式（3)转化为线性公式：

丄

111^=^^：,^, +a\\n(QJ/R) +/3\\n{H/R) (4) 萨道夫斯基修正公式回归参数见表3。

表3

萨道夫斯基修正公式回归参数

K、K2

R2

a

径向-0.441.8317.570. 88切向0. 351.3245.320.60垂向

-0.02

0.95

25.05

0. 83

对比表2、表3可知，加人高程差的萨道夫斯 基修正公式拟合优度系数在径向和垂向明显增 大，但切向减小；对比衰减系数发现，径向高差影

响系数为0.72,切向高差影响系数为1.60,垂向高 差影响系数为0.60。2.3 回归方式优选

根据萨道夫斯基公式和萨道夫斯基修正公式 分别计算三向预测误差，然后计算三向振速的平 均相对误差，计算方法见式（5)、式（6),平均相对 误差见表4。

相对误差计算方法：

「实*

平均相对误差计算方法：

n

V = —— (I = (6)

表4平均相对误差

单位:％振速方向

径向

切向

垂向

萨道夫斯基公式预测相对误差45.9024.3028.20萨道夫斯基修正公式预测相对误差

12. 18

13.66

7.04

由表4可知，萨道夫斯基修正公式预测误差 明显低于萨道夫斯基公式；萨道夫斯基公式预测

的平均相对误差较大,远大于20%，水平径向平均 相对误差高达45. 90%，表明将萨道夫斯基公式用 于预测高台阶爆破振动不太合理；加人高程差的 萨道夫斯基修正公式计算得出的平均相对误差明

显较低，约为10%，预测准确性较高。萨道夫斯基 修正公式相对萨道夫斯基公式，径向误差减小了 33. 72%，切向误差减小了 10. 64%,垂向误差减小 了 20. 16%;萨道夫斯基修正公式三向预测精度排 序为垂向>径向>切向，而垂向振速最大。由此可 见，加入高程差的萨道夫斯基修正公式对于高台 阶爆破振动的预测效果较好，可为工程爆破提供 —■定参考。

3结论

a.该露天石灰石矿在常规生产爆破时，高台

• 15 •

采矿工程

IM&P化工矿物与加工第49卷第3期

阶振速较大，爆破时有部分落石，应在爆破前加强 对边坡周围的安全警戒与台阶边坡防护。

[J].化丁.矿物与加丁，20丨6,45(7) :34-38.

[2] 唐海，李俊如.凸形地貌对爆破震动波传播影响的数值模拟

[J].岩土力学，2010,31(4) :1289-丨294.

b. 三向爆破振动在高台阶边坡上整体表现为

[3] 武旭，张s鹏，郭奇峰.台阶地形爆破振动放大与衰减效应研

垂向振速最大，但随着爆心距的增加，垂向振速衰 减速率明显大于水平方向振速衰减速率。

究[J].爆炸与冲击，2017,37(6) :1017-1022.

[4] 吴斌，张义平.高差条件下爆破震动峰值速度的预测研究

20丨0,30(5) :88-90.c. 高台阶边坡上爆破振动高程效应的出现具 [J].矿业研究与开发，

[5] 刘世波.多台阶开挖中的爆破振动传播规律研究[J].铁道建

有一定的条件性，受地形条件（高度差）影响较大，

筑，2008(1) :68-71.

且爆破振动高程效应具有方向性，在垂直方向上

[6] 张智宁，刘殿柱，马军，等.爆破振动载荷作用下露天矿高边

更明显，而在水平方向上具有一定的连续性（高程 坡动态响应分析[J].防灾减灾T.程学报，2015,35(3):

效应存在一个连续区域）。373-377.

[7] 金淳圭.露天采场爆破在边坡中的震动效应[J].金属矿山， d. 在近爆源区域内（小于42 m)，爆破振速与 振动频率随爆心距的增大呈负相关性，在远离爆 源时呈正相关性；振动频率也存在一定的高程效 应，且与振速高程效应出现区域基本一致，但振动 频率在水平方向上出现局程效应具有一定的滞 后性。

1995(5) ： 18-20.

[8] 王在泉，陆文兴.高边坡爆破开挖震动传播规律及质量控制

[J].爆破，1994(3) : 1-4.

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力学与工程学报，2001(1) :83-86.

[10] 乔建军.露天矿山爆破振动测试及分析[J].铜业工程，2013

e. 在出现爆破振动高程效应的区域内，水平

(2) ：46-48.

方向振速与振动频率受高度差的影响和爆心距的 影响趋势一致，垂直方向振速与振动频率受高度 差的影响和爆心距的影响趋势相反，且振速与振 动频率在边坡角处并无严格的对应关系。

[11] 马陆宝，杨溢，李鹏飞，等.某露天矿开采爆破振动测试与分

析[J].矿冶，2013,22(4) :18-21.

[12] 易巧明，璩世杰，许文耀，等.爆破地震波在台阶坡顶处放大

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周谊，左宇军，魏兴，等.爆破振动高程效应对比试验研究

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f. 萨道夫斯基公式不适合用于高台阶边坡的

[14] 武旭，张云鹏，郭奇峰.台阶地形爆破振动放大与衰减效应

爆破振动预测，基于量纲分析法加人高程差的萨

道夫斯基修正公式预测效果较好,具有一定的应 用价值。

研究[J].爆炸与冲击，2017,37(6) : 1017-1022.

[15] 付波，胡英国，卢文波，等.岩石高边坡爆破振动局部放大效

应分析[J].爆破，2014,31 (2): 1-7+46.

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CCCCCCCCCCCGGCCCCCCCCCCggCCCCCCC-g-g-CCCgCCCCCGCCC-GGgCCCgCCCCCggCCCCCCCCCC

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