爆破荷載作用下采場邊坡動力穩(wěn)定性分析

羅周全，賈楠，謝承煜，汪偉

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

爆破作為一種經(jīng)濟(jì)、有效的采場巖體開挖手段，廣泛應(yīng)用于露天開采過程中。由于巖石爆破振動的影響，導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度降低，在與邊坡應(yīng)力松弛及調(diào)整的耦合作用下，采場邊坡巖體有可能發(fā)生局部坍塌和失穩(wěn)[1?4]，一旦發(fā)生事故，將會造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。研究表明：部分采場邊坡災(zāi)害的發(fā)生與不恰當(dāng)?shù)谋茀?shù)及施工方法等密切相關(guān)[5?7]。因此，開展爆破振動對露天采場邊坡穩(wěn)定性影響的研究，對于確保礦山安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)礦山的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前，關(guān)于爆破荷載作用下邊坡動力穩(wěn)定性的研究還處于探索階段[8]，一些學(xué)者分別應(yīng)用極限平衡、動力有限元、離散元等方法對爆破載荷作用下邊坡的動力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析，并取得了較理想的結(jié)果[9?11]，這說明用數(shù)值分析的方法探究爆破載荷下邊坡巖體的動力響應(yīng)具有實(shí)用價(jià)值。為此，本文作者結(jié)合某礦山工程實(shí)際，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料及國內(nèi)外相關(guān)采場邊坡爆破振動的研究成果，開展爆炸荷載作用下邊坡動力穩(wěn)定性的數(shù)值研究。當(dāng)最終邊坡角為 54°時(shí)，采用預(yù)裂爆破技術(shù)，在不同裝藥結(jié)構(gòu)條件下，研究爆破開挖對采場邊坡穩(wěn)定性的影響，以便為減少采場邊坡災(zāi)害和制定合理爆破施工方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 采場邊坡動力響應(yīng)有限元分析模型構(gòu)建

1.1 工程概況

某石灰石露天礦山邊坡高差約為180 m，其臺階高為10 m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察結(jié)果，爆破開挖區(qū)域未見明顯的風(fēng)化破碎現(xiàn)象，礦體內(nèi)無軟弱夾層的石灰?guī)r層、圍巖及礦體巖溶較發(fā)育，其有關(guān)巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock physical and mechanic parameters

礦山采用中深孔爆破，鉆孔直徑為 100 mm，鉆孔傾角為70°；設(shè)計(jì)爆破抵抗線長度L1為2.5～4.0 m，孔距a=3.0～3.5，排距b=3.0～3.5 m，炮孔直徑D=90 mm，炮孔長度L=11.2 m，裝藥長度L2=8.2 m，炸藥單耗q=0.30～0.35 kg/m3，單孔裝藥量Q=42.9 kg。炸藥選用2號巖石乳化炸藥。

1.2 采場邊坡動力響應(yīng)有限元分析模型

根據(jù)巖體的物理、力學(xué)性質(zhì)和采場邊坡設(shè)計(jì)形式，采用 MIDAS-GTS有限元數(shù)值分析軟件構(gòu)建分析模型，采用徑向不耦合連續(xù)裝藥技術(shù)和間隔裝藥技術(shù)，研究最終邊坡角為 54°時(shí)下部臺階爆破對采場邊坡整體安全穩(wěn)定性的影響。圖1所示為研究礦山最終境界剖面圖。

圖1 最終境界剖面圖Fig.1 Profile of final mining area

根據(jù)采場的工程地質(zhì)剖面圖及相關(guān)地質(zhì)資料，采場邊坡最終邊坡角為54°，臺階高度取10 m，下端邊界(Z軸方向)取至采場最終境界線以下87 m。模型Z方向范圍為0～270 m，X方向范圍為0～487 m，Y方向范圍為 0～200 m。將 cad中的二維剖面圖導(dǎo)入MIDAS-GTS中，并運(yùn)用擴(kuò)展功能形成三維有限元模型，然后采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的尺寸受輸入振動波的最短波長控制，即不應(yīng)大于波長的1/8～1/10[12]，共劃分31 490個(gè)單元，8 283個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖2。

圖2 采場邊坡動力響應(yīng)有限元分析模型Fig.2 Analysis model of stope slope of dynamic response finite element

根據(jù)現(xiàn)場勘察，采場巖體無軟弱夾層，故可以簡化為彈塑性體。計(jì)算時(shí)，模型 4個(gè)側(cè)面及底面采用Lysmer和Wass提議的不反射邊界(黏性邊界)，可以降低采場邊界面上反射應(yīng)力波對數(shù)值分析結(jié)果的影響[13]；并采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行分析。

1.3 爆破等效動力荷載

炸藥引爆后，巖體在高壓作用下以炮孔為中心瞬時(shí)產(chǎn)生塑性流動并形成破碎區(qū)，在破碎區(qū)外由近至遠(yuǎn)依次形成碰撞區(qū)和振動區(qū)。由于在破碎區(qū)內(nèi)巖石變形近似流體使得定義此范圍巖體的力學(xué)參數(shù)存在困難，而碰撞區(qū)和振動區(qū)的巖體卻可以視為彈性體，因此，若將爆破載荷施加在破碎區(qū)邊界，則問題可得到解決。對于徑向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，本文破碎區(qū)的邊界爆破壓力計(jì)算方法如下[14]：

式中：q0為破碎區(qū)邊界的爆破載荷峰值，MPa；γ為絕熱指數(shù)；ρ為炸藥密度，kg/m3；W為單位質(zhì)量的爆破熱量，kJ/g；vD為爆速，m/s；D為炮孔直徑，m；ds為破碎區(qū)直徑，m；DC為裝藥直徑，m。爆破載荷持續(xù)時(shí)間t由下式確定：

其中：R為與爆心的距離，m；K為爆炸氣體的膨脹速率，m3/s。在爆破載荷持續(xù)時(shí)間t內(nèi)作用于破碎區(qū)邊界爆破載荷與時(shí)間呈如下指數(shù)變化：

其中：a為衰減指數(shù)，由作用時(shí)間t決定。本文所用炸藥為乳化炸藥，γ=3，ρ=900 kg/m3，W=3.89 kJ/g，vD=3.2 km/s，D=0.09 m，ds=0.16 m，R=0.08 m，得出爆破載荷與加載時(shí)間曲線如圖3所示。

根據(jù)上述方法，計(jì)算出連續(xù)裝藥條件下，爆破荷載等效峰值應(yīng)力為5.97 MPa；在間隔裝藥條件下，等效峰值為5.38 MPa。

圖3 爆破沖擊載荷曲線圖Fig.3 Curves of blasting loads

2 不同裝藥結(jié)構(gòu)條件下爆破動力響應(yīng)分析

2.1 裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方式

2.1.1 裝藥結(jié)構(gòu)

為獲得不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破振動對采場邊坡穩(wěn)定性的影響，分析傳統(tǒng)連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的間隔裝藥結(jié)構(gòu)(均為徑向不耦合裝藥)在相同的計(jì)算模型及爆破參數(shù)條件下對采場邊坡產(chǎn)生的動力響應(yīng)。圖4所示為徑向不耦合連續(xù)裝藥和徑向不耦合間隔裝藥示意圖。

圖4 不同類型裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Different types of charging structures

2.1.2 起爆方式

采取多排微差松動起爆方式，每次起爆3排，每排10個(gè)孔，分別采用1，3和5段非電導(dǎo)爆管雷管。

2.2 爆破振動監(jiān)測

爆破監(jiān)測采用的系統(tǒng)是中科院成都分院 TC-4850爆破震動信號測試儀，測點(diǎn)選在距爆心15 m處的臺階上(見圖2)。由于測點(diǎn)距離采場爆心較近，為防止測試儀器被爆破飛石損傷，應(yīng)加強(qiáng)對爆破測振儀的合理防護(hù)。

2.3 最大振動速度分析

為了檢測間隔裝藥結(jié)構(gòu)的爆破減振效果，在相同臺階分別進(jìn)行5組爆破，并在X方向(下同)距爆心15 m處對2種裝藥結(jié)構(gòu)爆破振動實(shí)時(shí)監(jiān)測。表2所示為在不同裝藥結(jié)構(gòu)條件下最大振動速度實(shí)測值及其平均值。從表2可以看出：在連續(xù)裝藥條件下，第4組實(shí)測值與平均值最接近。因此，在連續(xù)裝藥條件下取第4組監(jiān)測波形圖進(jìn)行分析。同理，間隔裝藥條件下取第1組監(jiān)測波形圖進(jìn)行分析。

圖5所示為距爆心15 m處連續(xù)裝藥條件下振動速度實(shí)測波形圖及模擬波形圖。由圖5可知：在連續(xù)裝藥條件下，實(shí)測峰值為 30.03 cm/s，數(shù)值分析峰值為31.32 cm/s，數(shù)值分析相對誤差為4.30%，在5.00%以內(nèi)，說明數(shù)值模擬的結(jié)果在一定范圍內(nèi)接近現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果。

表2 2種裝藥結(jié)構(gòu)下最大振動速度實(shí)測值Table 2 Measured maximum vibration velocity with two different charging structures cm/s

圖5 距爆心15 m處連續(xù)裝藥條件下振動速度實(shí)測及模擬波形圖Fig.5 Measured and simulated oscillogram of vibration velocity at 15 m far from blasting center with continuous charging structure

圖6所示為連續(xù)裝藥條件下X方向(下同)最大振動速度的衰減規(guī)律。從圖6可以看出：距離坡面較近的質(zhì)點(diǎn)，最大振動速度衰減較快；距離坡面較遠(yuǎn)的質(zhì)點(diǎn)，其最大振動速度衰減較慢；距爆心15 m處，計(jì)算質(zhì)點(diǎn)最大振動速度為31.32 cm/s，巖體將產(chǎn)生拉伸破壞，與現(xiàn)場開挖情況相符。因此可知：在連續(xù)裝藥條件下的爆破開挖對采場邊坡安全穩(wěn)定性有一定的威脅。

圖6 連續(xù)裝藥條件下最大振動速度衰減規(guī)律Fig.6 Maximal vibration velocity decay curve with continuous charging structure

圖7所示為距爆心15 m處間隔裝藥結(jié)構(gòu)條件下振動速度實(shí)測波形圖和模擬波形圖。在間隔裝藥爆破條件下，最大振動速度衰減規(guī)律如圖8所示。結(jié)合圖6及圖7可得：在間隔條件下，振動速度衰減規(guī)律與連續(xù)裝藥下的衰減規(guī)律相似；但間隔裝藥爆破條件下距爆心15 m處最大振動速度實(shí)測值減小為14.82 cm/s，是連續(xù)裝藥相應(yīng)位置最大振動速度數(shù)值實(shí)測值的49.35%；距爆心15 m處最大振動速度數(shù)值分析值為14.35 cm/s，為連續(xù)裝藥條件下數(shù)值分析值的45.82%。

2.4 采場邊坡位移分析

圖9所示為在200 ms內(nèi)不同裝藥結(jié)構(gòu)采場邊坡位移云圖。從圖9可以看出：連續(xù)裝藥條件下采場邊坡位移場的變化規(guī)律是從爆破中心向四周不斷擴(kuò)展；最大位移出現(xiàn)在爆心區(qū)域，最大值為7.69×10?2m；在爆心附近，巖體的破壞變形較大，然后向四周逐漸衰減，大約在離爆心40 m處破壞變形的位移衰減至最小值 3.46×10?7m。

與連續(xù)裝藥條件下采場邊坡位移相比，間隔裝藥條件下的采場邊坡位移變化規(guī)律及影響范圍無明顯變化，但是，采場邊坡最大位移卻減小至3.74×10?2m，只占連續(xù)裝藥條件下的 48.36%。同樣，距離爆心約40 m處破壞變形的位移最小值為1.69×10?7m，是連續(xù)裝藥條件下最小位移的48.97%。

圖7 距爆心15 m處間隔裝藥條件下振動速度實(shí)測及模擬波形圖Fig.7 Measured and simulated oscillogram of vibration velocity at 15 m far from blasting center with decked charging structure

圖8 間隔裝藥條件下最大振動速度衰減規(guī)律Fig.8 Maximal vibration velocity decay with decked charging structure

圖9 200 ms時(shí)，不同裝藥結(jié)構(gòu)采場邊坡位移云圖Fig.9 Stope slope displacement at 200 ms with different charging structures

2.5 采場邊坡最大剪應(yīng)變分析

圖 10所示為不同裝藥結(jié)構(gòu)采場邊坡最大剪應(yīng)變圖。從圖10可見：在間隔裝藥條件下，最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在第1級臺階坡底線處，為1.303×10?2，同時(shí)，第1級臺階坡頂線附近也出現(xiàn)較大的剪應(yīng)變，這2處是引起邊坡破壞的重要危險(xiǎn)源。因此，在開采過程中，要對采場邊坡坡面上的巖石破壞情況高度關(guān)注；此外，爆破對上一級臺階的邊坡穩(wěn)定性影響也至關(guān)重要。而間隔裝藥條件下爆破載荷的影響范圍雖沒有明顯減小，采場邊坡坡面最大剪應(yīng)變卻減小為 6.66×10?3，為連續(xù)裝藥條件下的51.11%。

圖10 不同裝藥結(jié)構(gòu)采場邊坡最大剪應(yīng)變圖Fig.10 Stope slope max shearing strain with different charging structures

現(xiàn)場爆破結(jié)果表明：連續(xù)裝藥與間隔裝藥條件下的大塊率以及超挖、欠挖等爆破效果基本一致，根據(jù)文獻(xiàn)[15]中的爆破安全判據(jù)，并參考爆破安全規(guī)程(GB 6722—2011)，邊坡安全的最大振動速度為15～30 cm/s(主頻f＞50 Hz)，說明連續(xù)裝藥更易引起采場邊坡巖體裂隙擴(kuò)展，產(chǎn)生采場邊坡安全隱患。而在間隔裝藥條件下，采場邊坡剪切破壞程度，巖體位移及應(yīng)力作用明顯減小，更有利于控制局部破壞及保持采場邊坡穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1) 針對礦山工程實(shí)際，基于爆破等效動力荷載理論建立了爆炸荷載作用下采場邊坡的動力響應(yīng)有限元分析模型，分析了爆破開挖對采場邊坡穩(wěn)定性的影響，有效地揭示了爆破載荷下邊坡巖體的動力響應(yīng)。

(2) 在最終邊坡角為54°時(shí)，在確保爆破質(zhì)量的前提下，采用徑向不耦合間隔裝藥技術(shù)，距爆區(qū)15 m處最大振動速度約為連續(xù)裝藥條件下的1/2，采場邊坡巖體位移和采場邊坡剪切破壞程度分別減小到連續(xù)裝藥條件下的48.36%和51.11%。

(3) 采場邊坡巖體爆破應(yīng)充分考慮開挖過程中的動力穩(wěn)定性問題。采用預(yù)裂爆破技術(shù)及間隔裝藥結(jié)構(gòu)相當(dāng)于分散了炸藥量，可有效地降低爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響。

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