摘要：通过现场爆破振动、松动圈实测和分析，研究煤矿软岩巷道掘进爆破振动效应及其对巷道松动圈半径的影响。振动测试和小波分析结果表明：爆破振动速度3个方向的分量中水平径向最大、垂直方向最小，因此可将水平径向振动速度作为巷道掘进爆破振动的安全评判指标；爆破振动主振频率均＞100Hz，爆破能量的80%左右都集中在100～150Hz频带范围内，且存在2个明显的“子频带”。松动圈测试和分析表明：巷道稳定后的松动圈半径为1.8m左右，其中爆破振动的影响约占10%。据此调整支护参数，增加锚杆长度，提高支护的安全可靠性。在此研究的基础上，从爆破参数和装药结构等方面提出降低煤矿软岩巷道爆破掘进爆破振动效应的措施。
关键词：采矿工程；煤矿；爆破;振动
引言
随着煤炭开采规模的扩大，巷道断面越来越大，再加上中深孔掘进爆破技术的推广应用，巷道爆破掘进时的单段药量和一次起爆总药量增大，巷道围岩和支护结构所受到频繁的爆破振动效应也随之增强。爆破振动引起巷道围岩损伤和破坏，造成巷道围岩裂隙的进一步延伸，使由于巷道开挖形成的围岩松动圈加大，甚者造成巷道围岩爆震塌落破坏，严重影响了巷道的稳定性。而目前此方面的研究极少，鲜见于国内外公开的各种资料文献。煤系地层中的岩石较多的为中硬以下（坚固性系数f＜8）岩性，更多的是f＜6的松软岩层，如泥岩、页岩、砂质泥岩等，其本身的坚固性就低、整体性差，在爆破振动载荷的作用下，更容易松动破裂。因此，笔者力图通过对煤矿软岩巷道掘进爆破振动强度和围岩松动范围进行监测分析，研究煤矿巷道爆破振动传播规律和爆破振动效应对大断面软岩巷道围岩松动范围的影响。
1研究方案
1.1测试地点选择
试验研究巷道选在淮北某矿轨道大巷，该巷道断面形式为直墙半圆拱，掘进宽度5.42m，掘进高度4.41m，掘进断面积20.744m2。永久支护采用锚网喷，喷射混凝土强度等级为C20。岩石以泥岩、砂质泥岩为主，f=4～6，属于松软岩石，满足研究要求。
1.2掘进爆破方案与爆破参数
掘进爆破采用楔形掏槽，掏槽眼深度（垂直深度）为2.5～2.6m，其他炮眼深度为2.3～2.4m。采用3级煤矿水胶炸药，1～5段毫秒电雷管，现场使用2种直径的炮眼和药卷：掏槽眼采用40mm直径的炮眼，配用35mm×200mm×240g的药卷，其他辅助眼、崩落眼、周边眼和底眼等都采用32mm的炮眼，配用27mm×430mm×300g的药卷。循环炮眼数目84个，循环炸药消耗55kg，全断面一次起爆，最大单段起爆药量12～17kg。循环进尺2m左右。
1.3测试方案
1.3.1爆破振动测试
爆破振动仪器选用BlastmateSeriesIII振动监测仪，测试量为质点振动速度和主振频率，振动监测仪可每次测试垂直、水平径向和水平切向3个方向的分量。在巷道的帮部用风镐开凿一个小的平台用来放置传感器，各测点布置如图1（a）所示，具体每次爆破时各测点至工作面的距离R见表1。
1.3.2围岩松动圈测试
松动圈测试采用中国矿业大学的BA–II型单孔声波测试仪，测试时采用水耦合，测试孔直径42mm。根据围岩情况，在巷帮布置测试孔，孔深2.5m，距巷道底板高度1.5m，第一次实测时，第一个测孔距掘进工作面5m，各孔间距3m，共4个测点，各测点位置关系如图1（b）所示。在松动圈测试期间，对每次爆破进行振动监测。
2爆破振动测试结果及分析
2.1结果分析
按测试方案进行了多次掘进爆破振动的测试，第一次实测就发现单段药量较大，引起的爆破振动强度较高，随之对各炮孔起爆顺序进行了调整，将单段起爆药量降低在12～13kg范围内。对实测数据进行分析比选，相关性较好的几组列于表1。典型振动波形见图2。
2.2爆破振动传播特性分析
由于试验巷道的地质情况比较稳定、没有断层等地质变化，岩石比较单一，采用萨道夫斯公式对表1中振动合速度、径向和切向速度进行回归分析。
鉴于水平径向速度分量最大，采用小波变换对图2中水平径向信号的频率和能量分布进行分析，得到振动信号的时频和能量分布图、频谱图和不同频带的能量比例，如图3～5所示。
由表1可得，测试所得煤矿软岩巷道掘进爆破振动主振频率均大于100Hz。图3表明，掘进爆破振动频率主要集中在100～150Hz，这个频带占据了全部能量的80%，且存在2个明显的子频带，能量分布与质点振动速度值是相对应的；200Hz以上的高频部分能量很少。爆破振动衰减规律式中衰减系数和指数值均较大，与软岩石相吻合。掘进施工时，永久支护一般滞后10～12m，表2是根据式（1）计算所得的最大段药量为13kg时距工作面距离5～10m处的振动速度峰值；由表2可见，在距离工作面10m处的振动合速度为16.832cm/s，水平径向速度峰值为11.967cm/s，已达到允许标准的临界值（矿山巷道：15～30cm/s）。巷道永久支护一般滞后工作面10～15m完成，喷射混凝土的强度等级为C20，厚度为150mm，为避免过强的爆破振动对永久混凝土喷层造成危害，故建议施工单位在该软岩巷道掘进爆破时，单段起爆药量严格控制在13kg以内。
由表1和图2可得，振动速度的3个方向分量峰值中水平径向较大，水平切向次之，而垂直方向的振动速度值最小。对于巷道围岩，径向和切向振速过大会对围岩及初期支护产生直接影响，因此可将水平径向振速作为巷道掘进爆破振动的安全评判指标，这与地面爆破时垂直方向分量较大迥然不同。考虑爆破时使用了5段雷管，故从水平径向振动波形图中可以明显的看到5处波峰，表明未产生波形叠加的现象，最大值出现在第三个波峰处，而能量分析也表明，100～150Hz频带占据了全部能量的80%，故在以后的施工中要注意崩落眼的装药量，必要时对雷管使用段别和延迟时间进行优化，使得不会出现某段雷管引爆的药量过大。
结语
本文通过对爆破振动和松动圈范围现场测试和分析，研究了煤矿软岩巷道掘进爆破振动传播规律及其对巷道围岩松动范围的影响，并采用小波分析对掘进爆破振动频谱特性进行了分析。研究成果对类似地质条件的煤矿巷道爆破掘进和支护参数设计具有一定的指导意义。主要结论和建议如下：（1）爆破振动测试分析结果表明，在3个方向的分量中水平径向较大，水平切向次之，而垂直方向的振动速度值最小。故此建议可将水平径向振速作为巷道掘进爆破振动的安全评判指标。（2）爆破振动信号小波分析结果表明，煤矿软岩巷道掘进爆破振动频率较高，能量主要集中在100～150Hz，该频带占据了全部能量的80%左右，且存在2个明显的子频带；200Hz以上的高频部分能量很少。（3）通过对围岩松动半径测试和分析，巷道开挖后围岩松动范围为1.60～1.65m，在爆破振动效应作用下围岩松动范围增大了0.2m左右，占最终松动半径的10%左右。爆破振动影响的巷道长度为25～30m。（4）为抵抗爆破振动对围岩松动圈的影响，提高巷道的稳定性，应适当加大锚杆的支护深度。
参考文献：
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[2]李洪涛，杨兴国，舒大强，等.不同爆源形式的爆破地震能量分布特征[J].四川大学学报：工程科学版，2010，42（1）：30–34.
论文作者:赖金柱
论文发表刊物:《基层建设》2017年第9期
论文发表时间:2017/7/21
标签：巷道论文; 围岩论文; 测试论文; 药量论文; 频带论文; 水平论文; 能量论文; 《基层建设》2017年第9期论文;