矿山爆破振动与地表车辆载荷相互影响分析

矿山爆破振动与地表车辆载荷相互影响分析

李功炜马赛

（河北钢铁集团矿业有限公司河北唐山063000）

摘要：为保证公路运营与井下采矿的共同安全，以岩土力学、爆破理论等为依据，利用爆破震动速度原理的计算方法详细分析了井下开采爆破振动冲击波引起岩层移动的影响范围。同时因地表车辆运行载荷可能对地下空区稳定性产生的影响，分别按集中分布、矩形分布、带状分布不同荷载分布形式进行了理论计算分析，结果表明矿山开采爆破振动对公路建设与运营不会造成危害，公路运营也不会对地下采空区带来不利影响。

关键词：爆破振动；稳定性；公路建设；车辆荷载

大规模或频繁地的爆破作业引起的爆破振动对周围建筑、附属设施和人员会构成安全上的隐患，直接影响到矿山的正常生产和生活安全以及相邻公路运营之间隐患．因此，预测、控制爆破振动是工程上迫切需要解决的问题．

一、影响爆破振动的主要因素

为了在井下开采中获得理想的效果，必须了解影响台阶爆破振动的各种因素，如爆区地形、地质条件、炸药性能参数、炮孔的几何参数等．而上述影响因素有一些是人为可以改变的，有一些则不行．鉴于此，为研究方便，将上述影响因素分为不可控因素和可控因素．

1.不可控的影响因素。所谓不可控影响因素，就是一些无法预测、无法控制的因素，对井下开采爆破控制产生的影响也是无法预计的。就现阶段井下开采爆破工作中，存在的不可控振动影响因素有地质条件以及地形条件。地形条件，即爆破区域的地面坡度起伏、自由面的形状大小和数目等地形特征．坡度起伏有放大或者缩小爆破振动波幅值、主频及频率范围的功效，而自由面是爆破能量释放的方向．地质条件，即爆破区域中岩石节理构造、孔隙性、岩石的风化程度等，它们影响岩体爆破后岩石的破碎程度和大块率孑L隙与节理起着阻碍波传播的作用，而岩石风化程度越高，则越有利于波的吸收．

2．可控的影响因素。所谓可控影响因素，就是可以对矿山爆破振动控制的因素，有效避免和降低井下爆破振动的损失，可以有效地提升井下矿山的爆破效率。矿爆破中炮孔直径易受台阶高度、钻孔机具及岩石破碎程度的影响．对于节理裂隙发育的岩体条件，过大的炮孔直径会使爆破块度显著增大，产生的振动和飞石还会危及场地周围建筑和人们的安全．炸药单耗是矿台阶爆破中爆破能量的体现．它一般受岩石可爆性和爆破目的等因素的制约．单耗如果过小，岩石破碎后没有多余的能量供其抛掷飞行，岩石也就无法被抛掷到采空区；如果过大，可能会产生较大的振动及大量飞石．孔网参数～般由最小抵抗线、孔距和排距组成，确定它的依据是单个炮孔装药量，进而确定出单个炮孔所负担的岩石体积，最后得出孔网参数．较多研究资料认为其主要对爆后块度分布影响较大，对振动影响较小．台阶爆破中应用较多的是连续装药结构、间隔装药结构两种，间隔装药在减振及降低大块率方面有较大的优势．间隔时间是毫秒延时爆破技术中的关键问题，在实际爆破工程中，均期望能选取合理的延时间隔来获得理想的爆破效果和最大限度地降低地震效应．同时抛掷方向对特定点的振动也有很大影响．

二、爆破震动对公路运营的影响分析

1.工程慨况。乡道改扩建项目与某矿区边缘相邻，公路与矿区西南角最近距离约为150m。矿山为“三下开采矿山”，位于风景区上部，一直采用充填法开采，生产能力为80万t／a；目前回采-180m以下的矿体。由于充填体能较好的控制地压，且暴露的采空区较小，能防止地面塌陷，保护地表建、构筑物的安全，地表未出现明显的塌陷及建筑物破坏现象。但是采矿活动需进行爆破作业，产生较大的爆破振动，可能会对地表公路造成影响；车辆运行的载荷也可能对地下空区稳定性产生影响。为保证公路工程与采矿活动的安全，应当对矿山开采爆破作业与公路运营之间的相互影响关系进行全面系统的分析与评估，杜绝安全事故的产生。

2.井下爆破振动可能对公路运营及施工产生影响，对于主要建、构筑物，爆破地震应满足《爆破安全规程》中关于建、构筑物质点震动速度标准的规定，根据目前矿山开采实际情况，井下集中爆破作业点为-210m和-180m水平，单次最大药量为87．45kg。参照交通隧道爆破振动安全允许标准，当井下爆破引起地表公路爆破震动速度为最大安全允许速度0．1～0．2m／s时，根据表4，取K=250，a=1．8，R=232．7～340．8m。则井下爆破点与隧道的最小安全距离计算结果表明，为满足《爆破安全规程》交通隧道安全震动速度小于0．14～0．2m／s的要求，确保公路施工和运营安全，井下爆破作业点必须与隧道间保持340．8m以上的安全距离。目前，矿山-165m以上矿体已全部采完，-210m以下为主要回采中段，地面标高在+50m以上，公路设计为一级公路，规范要求其安全保护距离为公路两侧100m。因此保护边界至矿山回采中段（-210m）的爆破点距离大于575m，远大于爆破安全距离340．8m的要求，不会对地表公路运营造成影响。

三、公路运营对地下空区影响

地表车辆载荷也有可能产对地下空区稳定性产生不利影响嘲，根据地面公路等级及运行车辆的性质进行荷载向深部传递的影响分析。根据《公路工程技术标准》，载重为200，300kN以及550kN的车辆相关指标如表1所示。

表1重为200，300，550kN汽车主要技术指标

设车辆吨位为P，汽车载荷按不同形式可分为：集中分布、矩形分布以及带状分布。

1.集中分布：荷载按一定的比例分布到车辆的各个车轴，其计算简图如图1所示。

2.矩形分布：车辆荷载按规定比例分布到各个车轴，其具体计算简图如图2所示。

以具有2个车轴的重车为例，得出矩形作用面上的均布载荷在其角点以下深度为Z时所产生的附加应力计算公式为：

式中，p为标准接触面所受面力；m=L／B，L是标准接触面长边，B是标准接触面短边；n=z／B。

3.带状分布：公路车流的特点往往是流量大、载荷作用频率高。载荷沿公路呈带状连续分布的理论是，以车辆前轮标准接触面宽度为L，且其值不因车辆超载而发生改变嘲。得到离公路表面垂直距离为2点处的附加应力计算公式为：

式中，P为线载荷；X和z为点的坐标。公路设计为一级公路，双向8车道，其容许最大载重为55t。按《公路工程技术标准》规定，最大载重量为55t的车辆，前轴标准接触面长×宽为300mm×200mm；后轴标准接触面长×宽为600mm×200mm。车辆尺寸长x宽为15mx2．5m。根据上述分析的荷载分布形式，这里考虑最不利情况，车辆超载2倍，车辆载荷呈带状分布；x坐标取为0，即m=0。根据测量，公路与矿山井下-210m水平下部空区最小垂直距离约为640m。带入公式中计算得车辆荷载给地下开采最近处产生的附加应力为852kPa，而岩石强度为其近百倍，因此可以认为公路运营后汽车产生的荷载不会对地下采空区带来不利影响。

矿山生产行业的发展极为迅速，井下矿山爆破工作也受到行业的重视。由于爆破过程中可能会出现可控或不可控因素的影响，造成爆破时出现振动而影响到整个矿山生产的爆破效率。通过本文对露天矿山爆破振动影响因素的分析，时，基于理论计算与《公路工程技术标准》的计算表明，公路运营也不会对地下采矿带来不利影响。

参考文献：

[1]周涛．大冶铁矿井下开采巷道围岩稳定性分析及控制技术研究[D]．武汉：中国地质大学，2014．

[2]万成超．车辆荷载作用下路基沉降计算方法研究[D]．爆破，2014，30（03）：39—42．