井下爆破振动与地面建筑物响应

收稿日期:1997年7月10日修回日期:1998年1月10日井下爆破振动与地面建筑物响应张相军　孙吉全　吴振坤(山东金岭铁矿)摘　要　通过对地面与建筑物由井下爆破引起的震动测试,分析井下爆破震动传播特性,提出减少爆破震动引起建筑响应的措施,降低爆破震动对建筑物的危害。

关键词　爆破,地震波,建筑物响应Blasting Oscillation in UndergroundShaft and Building Response on GroundZhan g Xian gjun,Su n J iquan ,Wu Zh enk un(Jin ling Iron M ine of S han dong)Abstract T hrough detecting of building oscillation on ground caused by blasting in u nderg round sh aft,the paper an alyses oscillation transm ission characteris tic of underground s haft blasting and puts forw ar dreducing meas ures for building respons e cau sed by blasting oscillation ,th us the harm of building caus ed byb las ting os cillation can be reduced .Keywords blastin g,earthquak e w are,building res ponse1　前　言1.1　引　言山东金岭铁矿在日常生产中,正常情况下把井下爆破引起地表建筑物质点振动的速度控制在2cm/s 以下,符合《爆破安全规程》的规定,但也时常引起村民的不满。

经分析和观测,得知其原因是利用振动速度峰值来衡量地表不同建筑物的振动,存有一定的缺陷,因不同建筑物对同一地面振动会产生不同的影响。

为了进一步研究井下爆破地震对地表建筑物的影响,我们从爆破激励特性和建筑物振动响应特性两方面入手,对辛庄分矿井下爆破对地表民房的影响进行了调查和测试分析,从实测波形的分析处理中得到了铁山矿区地表建筑物的响应谱特征、动力响应特性和爆破振动的传播特性。

从而为改善井下爆破参数和爆破系统结构,降低井下爆破所引起地面建筑物振动提供了理论依据。

1.2　基本情况铁山矿区是金岭岩体与奥陶系地层接触带上的接触交代矽卡岩型磁铁矿床。

矿区地层简单,矿体顶板多为结晶灰岩、大理岩和矽卡岩,底板为透辉石、矽卡岩、二长岩、蚀交闪长岩,矿床顶板围岩稳固,矿体平均厚8～9.8m,埋藏于-160～-340m 之间,矿体倾角较缓。

矿体上30第20卷　第3期1998年6月山　东　冶　金Shando ng Yejin Vol.20,NO.3J une 1998张相军　孙吉全　吴振坤 井下爆破振动与地面建筑物响应盘,第四系黄土层厚约20m,地表表面标高+39.0m,表面建筑为民房、公路及农田。

目前开采水平在-160～-220m之间,采用分段空场法与全面房柱采矿法采矿。

矿房落矿采用上向扇形中深孔,爆破参数为孔径 60mm;孔深15～20m;孔底间距1.8～2.0m,排间距1.0～1.2m。

采用乳化粒状硝铵炸药,其密度为1.0～1.25g/cm3,钢管猛度为16～18m m,爆速为3500m/s,采用毫秒微差起爆系统起爆,排内分段,一次起爆一排。

2　爆破测试及测点布置2.1　测试方案本次爆破测试目的是在测试过程中获取爆破振动的有关数据,并通过分析得到井下爆破振动在地表频谱、振速峰值、位移、加速度等各种波动特性和地表建筑物固有特性,即固有频率、阻尼、放大系数等影响特征,对采用以振动速度峰值来确定地表建筑物安全程度的不足进行补充,提出降振措施。

测试采用ZCF-16A型振动参数采集分析系统,65型拾震器。

传感器拾取的振动信号经放大、滤波、A/D转换,送入计算机内存,并以文件形式存入磁盘,进行波形的预处理及处理、单信号的谱分析、双信号的频谱分析、细化FFT分析及矢量分析等。

2.2　测点布置原则在地面建筑物上下同时布置传感器,并遵循以下原则:(1)地面振动测量能真正测得建筑物所处地面振动,又要避开建筑施工回填土的影响;避免建筑物振动而影响地基振动。

(2)建筑物振动测量能反映建筑物整体振动和易破坏的部位。

2.3　测点布置在每一测点布置3个互相正交的传感器,地面传感器方向与上部结构传感器方向一一对应并保持一致,振动方向要求径向垂直建筑物长轴方向,与放炮排面基本垂直。

切向平行于建筑物长轴方向,与排面大致平行。

垂向垂直于建筑物地面方向。

每次爆破同时测试2幢平房,在每幢平房附近地面及房屋上分别布置3个互相互交的65型传感器,另外将CD-1传感器作沿垂向触发传感器,布置在爆区地面投影附近。

3　波形数据分析对每次测试数字化振动波形按奇偶分成两列,分别FFT频谱分析,然后进行平均。

3.1　双信号的频谱分析得到传递函数及相干函数以求得建筑物的动力响应特性,通过分析幅值谱求得振动波形的主频率。

3.2　信号的波形分析3.2.1　测试波形的反演　在测试过程中,由于测试系统的幅频特性的影响以及其他干扰,振动波形会产生畸变,有必要对畸变波形进行反演,包括基线常量修正、频响曲线修正及滤波。

3.2.2　微积分　求得振动加速度、位移、时间历程及峰值。

3.2.3　响应谱分析　根据地面振动的速度、波形,求得阻尼为3%的伪加速度响应谱,得到主谱频率、伪速度值谱、伪加速度平均谱和相对位移平均谱。

3.3　数据分析3.3.1　振动峰值影响因素分析　爆破振动的影响因素多而且复杂,有些是自然条件所决定31的,是人为不可改变的,如岩性、地质构造、地形、爆区位置等;有些是人为可以改变的,如爆破参数、炸药性能等。

所有这些自然条件和可变条件依据各矿山的条件变化而有不同的特性。

这些因素对爆破振动又起着不同的作用,即各因素之间具有不同的相互关系。

通过对各因素进行分析计算,得到影响爆破振动的密切关系依次是距离、同段药量、方位、总药量。

3.3.2　振动峰值传播规律　在试验期间,共进行了8次爆破地震测量,得到80多条地面质点速度波形数据。

这些数据包括纵向、横向和垂向3个方面的振动分量,将3个分量合成为一个合速度,并对所测数据按无量纲公式:V =K (R /W 1/3)进行回归分析,得到质点速度公式:V =311(R /W 1/3)-1.53式中　K , ——与爆破地点、地形、地质等条件有关的系数和衰减指数;V ——质点振动速度,cm /s;W ——最大一段炸药量,kg ;R ——爆点与传感器之间直线距离,m 。

3.3.3　响应谱与建筑物振动响应　响应谱即为激励振动信号引起的一组具有特定阻尼、不同固有频率的单自由度体系,可能产生的最大振动响应。

它以谱图为表现形式,横轴是频率,每一个频率代表一个单自由度系统。

纵轴表示对应的最大振动强度,可以是位移、速度或加速度。

由于采用正弦近似,可以将响应谱图标绘在一个四轴三用图表上,同时标示三种振动幅度量。

图图1　实测地面振动响应谱1是一幅实测地图2　爆破振动响应谱与频谱的比较面振动的响应谱,谱图中横轴表示频率,纵轴表示速度,与两轴相交45°的轴表示加速度,与加速度轴正交的轴表示位移。

由图可得不同频率的位移、速度、加速度谱值,其中我们最关心的是谱峰值,它表示结构最大的振动。

若将谱的速度峰值除以表面振动速度峰值,可以得到速度的放大系数。

3.3.4　结构响应　由测试数据可以看出,屋顶振速非但没有放大,反而比表面振速小,这是由于爆破在井下200多米的位置,而房屋为平房,自振频率与主谱频率相差较大,因而造成屋顶振速比表面振速小的现象。

如图2(a )、(b )两炮的地面振动速度峰值相等,幅值谱的主频也十分接近,但响应谱峰值不等,对于5.5Hz 的结构响应相差更大。

虽图2(a )主频为4Hz ,但在6Hz 、9Hz 处出现较大的峰值,因此响应谱主频为9Hz,且谱形较宽,说明能量分布在较宽的频率范围内。

反映在结构响应上,虽然两炮地面振动完全一样,但图2(a)中5.5Hz 的响应值仅仅是图2(b )的50%。

从响应谱上看对于一定自振频率的房屋,自振频率与爆破主频相等时,自振动幅值最大,因此应避免爆破主频与建筑物自振频率相等,(下转59页)321998年6月山　东　冶　金必须解决余振量问题。

为此,新型变送器在设计时增加了余振量自动跟踪功能,只要按要求设定完上料的料满值后,勿需考虑余振量,新型变送器将会自动提前停振,靠余振达到要求的料满值,从而保证了上料的准确性。

另外,上料的准确与否还与处理速度有很大关系,为保证控制给料振筛的料满信号及时发出,将处理速度提高到5次/s 。

3.3　自动校秤计量仪表需要定期校正。

原变送器的校正是一件非常繁重、复杂的工作。

例如个2t 的秤,调完零点后,需要压上2t 砝码调量程,量程调完后,零点又变了,卸下2t 砝码再调零点,零点调了,量程又变了,又要压上2t 砝码再调量程,如此反复多次,是一件很繁重的体力劳动,且需很长时间,特别是在生产时,校秤很难实现。

新型变送器具有智能性,通过软件编程,具有了自动校秤功能,只需加载一次砝码(勿需加到满量程),即可完成校秤工作,大大减轻了校秤的劳动强度。

3.4　安装维护方便,可靠性高如前所述,原称量系统组成复杂,连线多,安装维护十分不便。

新型变送器将变送、显示、调节及传感器激励电源集于一体,免去了仪表间相互连线等复杂工作,安装维护十分方便,从新变送器引四根线(两根信号线,两根桥压线)至传感器接线盒,即可实现一个称量系统(传感器并联)。

新型变送器和原变送器相比,硬件上增加了微处理器监控电路,料满输出电路采用了光电隔离技术,软件上采取了抗干扰措施,从而大大提高了仪表的可靠性。

另外,新型变送器具有标准的模拟量输出信号(0～5V,1～5V,0～10mA,4～200mA 任选)、料满继电器输出信号,这使它与计算机、电气等组成自动给料控制系统成为可能。

4　结束语1996年8月至1997年底,已有50多台新型变送器被应用于各种生产条件下的中小高炉称量系统中。

实践证明,自动调零、非线性校正等功能,充分保证了称量的准确性;自动跟踪余振量功能,保证了料满信号的准确、及时发出,从而保证了上料的准确性;自动校秤功能大大减轻了校秤这一繁重的体力劳动的强度。

(上接32页)尽量提高爆破主频。

通过分析说明,响应谱比地面振动峰值和幅值谱更能全面地反映爆破振动的激励特性,因此,用其评价爆破振动对建筑物影响较为合理。