0.   引言

岩溶塌陷是覆盖型岩溶矿区突出的问题，几乎所有的覆盖岩溶矿区都在矿建和生产中发生过岩溶塌陷^[1]。过量开采地下水、采矿排水、基坑排水等工程活动，导致地下水位出现急剧变化，从而触发岩溶塌陷^[2]。与其它地区的岩溶地面塌陷最大的不同就在于矿山开采中产生的爆破振动会加剧岩溶地面塌陷的发生；一般认为，岩溶塌陷主要是由于在岩溶地区进行地下水的抽排或矿山排水所引起的，矿区岩溶塌陷的形成机理复杂、工程治理效果难以掌控，治理成功的关键在于正确分析塌陷形成机理，针对致灾主控因素合理选择工程治理方法，达到标本兼治^[3]。现今岩溶塌陷的预测及评价研究趋势主要是由定性向探索性定量、半定量评价及预测的途径和方法进行，多采取指标预测法、影响函数法和理论模型等方法^[4]。目前使用比较多的代表理论模型有：灰色模糊理论、弹塑性连续介质、神经网络、数值模拟法及GIS等^[5~6]。岩溶塌陷预测评估作为矿山环境评价中重要的环境评价问题之一，是矿山环境问题研究中的重要环节^[7]；项式均等^[8]在地质分析的基础上结合多元统计的定量方法对大冶县大广山塌陷进行预测和评价；高锡擎等^[9]以淮南矿山为例，分析矿区岩溶塌陷形成条件，结果表明覆盖层特征、岩溶发育程度、地下水等都是影响岩溶塌陷产生的重要因素；罗周全等^[10]通过构建矿区岩溶地表塌陷区BP神经网络预测模型，结合各区预测塌陷危险分级结果，提出相应的防灾治灾措施；王益伟等^[11]将某矿区塌陷的主要控制参数量化，提出相应的塌陷空间预测模型，对该矿区岩溶塌陷分类进行预测；龚华根等^[12]通过分析矿山岩溶塌陷的机理，采用层次分析法建立矿区岩溶塌陷预测评估体系；孙伟等^[13]在分析我国矿山环境背景条件及地质环境问题类型的基础上，提出了地表变形、地下水位等27个矿山地质环境监测要素，对提高矿山地质环境监测效率和预警水平具有重要意义。

湖南水口山矿区在勘探、疏干过程中因严重塌陷而闻名，塌洞总数达700个以上，其中大多数是由于工程影响造成的。针对上述问题，以广西古丹铅锌矿现场实测采矿爆破振动数据为对比基础，通过对湖南水口山铅锌矿实测数据进行爆破理论分析、拟合分析等来研究该矿区采矿爆破振动波传播规律的影响因素。

1.   研究区概况

1.1   水口山铅锌矿区基本概况

湖南水口山铅锌矿区坐落于衡阳市以南44 km，常宁市北东42 km处的一个小镇旁。矿区岩溶发育。影响该矿区测试结果的主要断裂构造延长大于20 km，在矿区内展露长度超过6 km，走向南端略表现出北北东方向发展，到矿区内走向表现出近南北向穿过，倾角在10°~70°范围内发展，但大部分主要在30°~40°内发展。

1.2   对比分析区(古丹铅锌矿)基本概况

对比研究的广西融安县泗顶镇古丹铅锌矿区由东、西矿两部分组成，西矿矿体出露地表，1965—1989年断续开采，浅部矿体采用露天开采，深部矿体采用地下开采，目前西矿大部分已采空。矿区岩溶形态以裸露型为主，埋藏型次之岩溶发育分布区是与区内断裂构造一致，岩溶发育随深度而减弱。矿区内有一条影响测试结果的断裂构造，该断裂倾向为60°~80°，倾角约60°，从北西向南东方向延伸1 km以上，是典型的拉伸正断层断裂，断裂带较破碎。

2.   爆破振动测试方案

2.1   测试指标

爆破振动试验主要选取爆破振动波的振动频率、其在介质体中的传播速度及其引发的质点振动产生的振动速度作为测试指标。考虑到质点峰值振动速度的衰减与地形地貌等条件的关系，采用萨道夫斯基的修正公式V=KQ^aR^b来计算质点峰值振动速度与爆心距及炸药量之间的关系^[14]。对萨道夫斯基的修正公式两边取自然对数后得出：

设z=lnV，x=lnQ，y=lnR，c=lnK则公式(1)变为：

其中，V代表被测岩土体中质点的振动峰值速度, cm/s；Q代表爆破所用炸药量, kg，对于延时爆破来说则是代表最大段炸药量，而齐发爆破则是指总药量；R代表爆心距, m，爆源到被测点的距离；K，a，b代表与爆破点到被测点之间的地质条件、地层岩性及地形地貌等有关的系数及衰减指数。

将公式(2)自定义到Origin软件内，对所监测到的数据对速度及震中距取自然对数回归分析处理后求得相应参数a、b、c。

通过WinWave软件对所有收集到的原始爆破振动数据实施提取、分析研究。

2.2   爆破测线布置

根据湖南水口山铅锌矿生产情况及实验要求，实验选择在生产爆破附近地表进行现场测试。整个测试场地总共布置四条测线，穿过尾砂库的Ⅰ号测线、穿过断层的Ⅱ号测线以及不受断层、尾砂库影响的Ⅲ号、Ⅳ号测线，每条测线拥有48道检波器，接受4次爆破，(见图 1)。

图  1  水口山测线布线图

Figure  1.  Layout of survey lines in Shuikoushan Pb-Zn mine area

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Ⅱ号测线接收1#及2#爆破点传来的爆破震动信号，Ⅲ、Ⅳ号测线接收3#及4#爆破点传来的爆破震动信号。

根据同样的布线原则，对比分析的古丹铅锌矿布线图如图 2所示。该矿区中Ⅰ号测线与岩层走向基本一致，Ⅰ号测线部分与岩层走向垂直，Ⅲ、Ⅳ号测线布置穿过断层。

图  2  古丹铅锌矿测线布线图

Figure  2.  Layout of survey lines in Gudan Pb-Zn mine area

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3.   爆破振动测试结果分析

3.1   爆破地震波频谱衰减规律分析

(1)Ⅳ号测线的破点到各个检波器之间都不存在异常区，试验以该测线来研究爆破振动波频率衰减规律与振动波传播距离的关系。Ⅳ号测线两次爆破其爆破药量及爆心距都有所变化，从主频率分析(见图 3、图 4)可以看出，岩土体对高频地震波起到了滤波作用，随着地震波传播距离的增大，高频波衰减的较快，低频波衰减的较慢^[15]。同时也与广西泗顶古丹铅锌矿试验所得结论一致，即随着传播距离的增大，岩土体对高频地震波起到了滤波作用，致使地震波随传播距离的增大，高频波衰减的较快，低频波衰减的较慢。

图  3  水口山Ⅳ号测线接收3#爆破点的主频率分析图

Figure  3.  Main frequency analysis of 3# explosive point of line Ⅳ in Shuikoushan

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图  4  水口山Ⅳ号测线接收4#爆破点的主频率分析图

Figure  4.  Main frequency analysis of 4# explosive point of line Ⅳ in Shuikoushan

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(2) 由水口山Ⅱ号测线主频率分析图 5、图 6，这两组数据均以28、29道检波器为界出现频率迅速衰减的突变现象。从布线图 1可以发现，在28与29道检波器之间恰巧有一断层通过。断层被软弱填充物所填充，振动波经过此处时，高频率波迅速衰减，致使通过断层前振动波的主频率要高于通过断层后的振动波的主频率。

图  5  水口山Ⅱ号测线接受1#爆破点的主频率分析图

Figure  5.  Main frequency analysis received by 1# explosive point of line Ⅱ in Shuikoushan

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图  6  水口山Ⅱ号测线接收2#爆破点的主频率分析图

Figure  6.  Main frequency analysis diagram received by 2# explosive point of line Ⅳ in Shuikoushan

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3.2   爆破地震波传播速度衰减规律分析

(1) 岩土体性质对爆破地震波传播速度的影响。水口山Ⅰ号测线处于两种性质的岩土体上，波的传播速度以第14道检波器为界限爆发生突变衰减(见图 7)。其中1至13号检波器处于该地区岩土体性质相对密实、易于爆破地震波传播的第四纪岩土体上，而15至48道检波器位于与周边第四纪岩土体结构松散、不易于迅速传播爆破地震波的尾砂库内。

图  7  水口山Ⅰ号测线接收2#爆破点的传播速度分析结果图

Figure  7.  Main frequency analysis diagram received by 2# explosive point of line Ⅰ in Shuikoushan

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(2) 断层对爆破地震波传播速度的影响。水口山爆破振动测试实验只有Ⅱ号测线有断层从第28与29道检波器之间通过，断层起到缓冲作用，爆破振动波的传播速度以28、29道检波器为界限发生突变减小(见图 7)。1~28道检波器接收到的传播速度小于29~48道检波器的传播速度。对比分析的广西古丹铅锌矿Ⅲ号测线也有一断层通过，同试验的爆破振动波传播速度衰减规律一样^[16]，在穿过断层后其传播速度减慢(见图 8)。

图  8  古丹Ⅲ号测线爆破地震波传播速度分析图

Figure  8.  Seismic wave propagation velocity analysis of line Ⅲ in Gudan

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(3) 岩层走向对爆破地震波传播速度的影响。水口山铅锌矿的地质构造较复杂，波的传播方向与岩层走向关系及传播速度受到岩层走向的影响都不明显。而从古丹铅锌矿Ⅰ、Ⅱ号测线接收到的数据可以看出(见图 9、图 10)，岩层走向对传播速度的影响较明显。两条测线的布置方向接近一致，但Ⅰ号测线接收的25#爆破点信号表现出波的传播方向与岩层走向基本一致(见图 11)，根据对比可以看出(见图 9、图 10)，爆破振动波速沿着岩层走向传播要比垂直岩层走向传播得快。

图  9  古丹Ⅰ号测线爆破地震波传播速度分析图

Figure  9.  Seismic wave propagation velocity analysis of line Ⅰ in Gudan

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图  10  古丹Ⅱ号测线爆破地震波传播速度分析图

Figure  10.  Seismic wave propagation velocity analysis of line Ⅱ in Gudan

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图  11  古丹Ⅰ、Ⅱ号测线爆破振动波传播示意图

Figure  11.  Vibration wave propagation schematic diagram of line Ⅰ and line Ⅱ in Gudan

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3.3   质点峰值振动速度的衰减规律分析

(1) 线性回归分析。经过Origin的拟合分析之后，最终得出适合实验场地区域内的萨道夫斯基的修正公式为：

可以明显看出推测值与实测值差别很小(见图 12)，所以公式(3)可以作为该区采矿爆破振动引起的质点峰值振速的预测公式来使用。

图  12  推测与实测结果对比图

Figure  12.  Comparison of the predicted and measured results

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(2) 对比分析古丹铅锌矿质点峰值振动速度的衰减规律。湖南水口山铅锌矿区的地质情况要比广西泗顶古丹铅锌矿的复杂且有所不同，经过Origin的拟合分析后，广西泗顶古丹铅锌矿实验场地区域内的萨道夫斯基的修正公式为：

对比两个矿区回归分析结果可以看出，湖南水口山铅锌矿与广西泗顶古丹铅锌矿的质点峰值振动速度在不同的所属地区，分别有着不同的衰减规律。

(3)断层对质点峰值振动速度的影响。实施现场爆破振动测试时，湖南水口山铅锌矿区Ⅱ号测线及广西泗顶古丹铅锌矿区Ⅳ号测线均有断层通过(见图 13、图 14)。可以很明显看出，两组数据具有相同的变化趋势，都表现出当爆破振动波通过断层时质点峰值振动迅速突变减小的趋势。

图  13  水口山铅锌矿Ⅱ号测线接2#爆破点的峰值振速与爆心距关系散点图

Figure  13.  Peak vibration velocity and epicenter distance received by 2# of line Ⅱ in Shuikoushan

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图  14  古丹铅锌矿Ⅳ号测线接收到的峰值振速与爆心距关系散点图

Figure  14.  Peak vibration velocity and epicenter distance of line Ⅳ in Gudan

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4.   结论

收集湖南水口山铅锌矿及广西古丹铅锌矿的区域地质图等，并进行现场调查，最终按照研究要求制定了水口山及古丹铅锌矿的现场爆破测试方案，经研究分析得出爆破振动对矿山地面塌陷的影响结果。

(1) 岩土体结构越松散软弱，爆破振动波的频率衰减得越快，其频率范围也变得越来越小，传播速度越慢；由于其缓冲减震作用，使爆破振动引起的质点峰值振动速度迅速衰减；断层对振动波的影响实质上与软弱结构岩土体有着相似的原理。

(2) 爆破振动波的频率衰减与其在岩土体中的传播距离有关。同一次爆破产生的振动波在介质中传播时，随着传播距离的增加，振动波被过滤，高频率的衰减得快，低频率的振动波相对高频率的衰减得慢。

(3) 爆破振动波的传播速度在区域地质条件相同的情况下与传播距离无明显关系；波的传播速度还受岩层走向的影响，在垂直岩层中的传播速度比顺着岩层走向的慢。

(4) 在实际工程中，采矿爆破振动荷载促使岩体内原始裂纹进一步扩展并产生随机分布的新裂纹，加速岩体内节理和裂隙的发育，最终在振动荷载、岩体内部力学性能劣化以及其它致塌因素的综合作用下发生地表塌陷灾害。