露采爆破振動對擬建水庫壩體影響研究*

趙 奎王 明何 文王曉軍柯新華

（1.江西理工大學(xué)工程研究院；2.鎢資源高效開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)教育部工程研究中心；3.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；4.江西銅業(yè)集團(tuán)公司德興銅礦）

·安全與環(huán)?！?/p>

露采爆破振動對擬建水庫壩體影響研究*

趙 奎1，2王 明3何 文1王曉軍3柯新華4

（1.江西理工大學(xué)工程研究院；2.鎢資源高效開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)教育部工程研究中心；3.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；4.江西銅業(yè)集團(tuán)公司德興銅礦）

某露天采場采用中深孔爆破，采場最終邊界附近擬建酸性水庫壩體。為了研究露天采場爆破振動對壩體穩(wěn)定性的影響，首先對露天采場爆破振動進(jìn)行現(xiàn)場測試，對測試結(jié)果進(jìn)行了回歸分析，得到了爆破振動的最大振速公式；其次，根據(jù)現(xiàn)場實際情況對壩體處最大振速公式進(jìn)行了修正；在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的方法研究了露采不同時期爆破振動作用下壩體的安全系數(shù)。結(jié)果表明：露采一期爆破振動過程中，壩體是穩(wěn)定的；露采二期爆破振動過程中，壩體穩(wěn)定性較差，提出了降低單段最大藥量的技術(shù)措施。

露天采場 爆破振動 壩體 振動速度 數(shù)值模擬

爆破作為礦山日常生產(chǎn)的重要手段和主要工藝，會伴隨礦山的整個生產(chǎn)過程［1-2］。但爆破的實際應(yīng)用過程中，也存在爆破振動、空氣沖擊波、飛石、噪音和有毒有害氣體5大危害，而爆破振動排在首位［3］。我國對爆破地震效應(yīng)的研究始于上世紀(jì)50年代末，而真正進(jìn)行深入及廣泛性研究則始于上世紀(jì)80年代初［4］。由于爆破質(zhì)點的振動速度在一定范圍內(nèi)能較好表征建（構(gòu)）筑物等的破壞程度，因此爆破質(zhì)點振動的峰值速度一直在安全判據(jù)的表征中占有重要地位［5-8］。伴隨計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬也已成為研究爆破振動的一種主要且行之有效的方法［9-11］。把爆破振動速度和數(shù)值模擬方法相結(jié)合，綜合分析爆破振動條件下建（構(gòu)）筑物的動力響應(yīng)情況，可以更好地評價爆破振動對建（構(gòu)）筑物的影響。

本研究針對某露天采場附近擬建水庫壩體的工程實際，通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了露天采場爆破對壩體穩(wěn)定性的影響。首先通過露天采場爆破振動測試，得到了爆破振動的最大振速公式。為了更好地研究爆破振動對壩體穩(wěn)定性的影響，結(jié)合工程實際對壩體處的振速公式進(jìn)行了必要的修正。據(jù)此，建立了相應(yīng)數(shù)值模擬計算模型，模擬結(jié)果表明，露天一期開采爆破振動對壩體穩(wěn)定性影響較小，二期爆破振動過程中，爆破振動將對壩體穩(wěn)定性造成較大影響，可通過降低單段最大藥量的方法保障壩體的穩(wěn)定性。

1 工程概況

某露天開采金屬礦山，露天采場臺階高度12 m，現(xiàn)生產(chǎn)能力為5 000 t／d，最終達(dá)到8 000～10 000 t／d的生產(chǎn)規(guī)模。為了對礦區(qū)排土場產(chǎn)生的酸性廢水進(jìn)行收集存儲，擬在露天采場東北方向利用山谷地形建一酸性水庫，其主要位置位于2?！?＃勘探線之間，見圖1。酸性水庫在露天采場東北方向，水庫壩址位于山谷出口，即6?？碧骄€附近。大壩按不透水土石混合壩設(shè)計，壩底標(biāo)高＋85m，設(shè)計壩頂標(biāo)高＋106 m，壩跨度為88 m。由于地形原因，蓄水后最大蓄水高度位于壩體部位，為21 m，蓄水高度較低部位在庫區(qū)東北角與西北角2個部位。

圖1 擬建酸性水庫與露天采場相對位置及爆源和測點分布

露天采場現(xiàn)已開采至0 m平臺，一期工程規(guī)劃開采至－192 m平臺，二期工程規(guī)劃開采至－280 m平臺。由于擬建酸性水庫庫址位于露天采場東北方向，且距離較近，露采爆破藥量多，規(guī)模大，其產(chǎn)生的爆破振動效應(yīng)對酸性水庫擬建壩體穩(wěn)定性將產(chǎn)生一定的影響。隨著露采深度的增大，露天采場境界逐步擴(kuò)大，爆破作業(yè)的地點距離擬建酸性水庫庫址也越近，爆破振動對擬建酸性水庫動力穩(wěn)定性的影響將更大，特別在水庫蓄水后，隨著露天開采上部剝離量加大，開采境界不斷外延，對壩址穩(wěn)定性有可能產(chǎn)生更大的影響。

2 爆破振動測試及結(jié)果分析

2.1 測振儀器

現(xiàn)場測振采用的是加拿大Instantel公司生產(chǎn)的BlastMateⅢ型測振儀，測振儀采用微電腦控制現(xiàn)場測速等操作。該測振儀主機(jī)由自帶固化程序的微型電腦、熱敏打印機(jī)、充電蓄電池組成，輔體由三維測振傳感器（拾震器）組成，可以采集P、SV及SH 3種振動體波［12］。測振時，將拾震器插入主機(jī)的相應(yīng)插孔，便可形成完整的測試系統(tǒng)。測試中測振儀所選用的主要性能參數(shù)如下：①觸發(fā)方式為自動觸發(fā)；②觸發(fā)水平0.5～1 mm／s；③監(jiān)測方式為連續(xù)監(jiān)測方式；④采樣率為1 024／4 096 Hz；⑤通頻帶為2～300 Hz；⑥速度誤差＜0.01 mm／s；⑦加速度誤差＜0.009 8 m／s2；⑧位移誤差＜0.001 mm。現(xiàn)場測振儀器布置如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場測振儀器布置

2.2 測振結(jié)果

對露天采場爆破進(jìn)行測振試驗時，每次爆破測振試驗，測振儀布置與爆源呈直線，測振儀與爆源及測振儀與測振儀間間隔一定距離，爆源及測振點位置見圖1。用4臺測振儀對露天采場7次不同位置爆破作業(yè)的振動信號進(jìn)行了測試，共采集到19組有效試驗數(shù)據(jù)，露天爆破現(xiàn)場測振試驗的測試結(jié)果見表1。

2.3 爆破振動速度回歸分析

國內(nèi)主要采用薩道夫公式進(jìn)行爆破速度的預(yù)測和研究［2］，爆破振動最大振速公式為

式中，Q為單段藥量，kg；R為爆源至測點間距離，m；K和α為與爆破點地形、地質(zhì)條件有關(guān)的場地系數(shù)和衰減指數(shù)。由表1中的測振數(shù)據(jù)采用最小二乘線性回歸方法，得到式（1）中的待定參數(shù)K和α，最優(yōu)擬合結(jié)果為K＝16.68，α＝1.174。從而得到露天采場至擬建酸性水庫庫址區(qū)間的爆破振動最大振速

表1 測振結(jié)果

公式為

由于壩址部位蓄水高度最大，所以露天采場爆破對壩址位置的振動效應(yīng)是分析的重點。在7個爆源中，圖1中的 A位置爆源在露天采場東北部＋96 m平臺，距離擬建酸性水庫壩址最近，所以同等藥量下，A位置爆破作業(yè)引起擬建酸性水庫壩體的振動效應(yīng)最大。因此A位置爆破時，壩址處的試驗數(shù)據(jù)最能反映壩址受爆破振動的影響。

圖1中位于壩址位置的10號測點由式（2）計算得到最大速度擬合結(jié)果為0.459 cm／s，比實測值0.249 cm／s偏大，其原因在于A位置距離擬建酸性水庫庫址間地形較為復(fù)雜，且擬建壩體的下方存在采空區(qū)，所以測振信號有所衰減。式（1）中，場地系數(shù)K的變化一般比較顯著，衰減指數(shù) 一般變化不大，通常為1～2［13-14］。所以對于壩址位置的K根據(jù)A位置爆源實測結(jié)果進(jìn)行修正，修正后的壩址位置的爆破振動最大振速公式為

3 壩體穩(wěn)定性分析

3.1 露采一期對壩體穩(wěn)定性的影響

露天采場一期工程規(guī)劃開采至-192 m平臺，最終開采境界見圖1，擬建酸性水庫壩址高程為＋85 m，一期露天邊坡爆破作業(yè)點距離壩址最近距離為260 m，露天采場爆破作業(yè)的單段最大藥量為10 t，由式（3）計算可得壩址處的振動最大合成速度為0.49 cm／s。擬建酸性水庫未蓄水前提下，壩址質(zhì)點最大振動速度允許的安全范圍為3.5～4 cm／s，符合此類建（構(gòu)）筑物爆破振動的安全標(biāo)準(zhǔn)［2］。

水庫蓄水后，壩體位置蓄水高度約為21 m，采用數(shù)值模擬的方法分析爆破振動對壩體穩(wěn)定性的影響，壩體典型剖面的有限元模型見圖3，模型中材料參數(shù)由試驗獲得，見表2。

圖3 壩體剖面的有限元模型

表2 材料參數(shù)

數(shù)值計算使用Geostudio有限元軟件的動力學(xué)Quake／W模塊。計算時主要考慮P波（方向垂直于壩體）和SV波（方向平行于壩體）的共同作用對壩體的影響。壩址處的振動波形見圖4，爆破振動波形以位移的形式加載至壩基，共4 532個計算步，時間步長9.76×10－4s。當(dāng)Quake／W動力學(xué)模塊完成壩體振動計算后，將計算結(jié)果導(dǎo)入Slope／W模塊，采用Newmark Deformation方法計算出壩體在爆破振動作用下的安全系數(shù)隨時間的變化，結(jié)果見圖5。由圖5可知，露采一期境界爆破引起壩體振動的過程中，壩體的安全系數(shù)的最小值為1.352，安全系數(shù)大于水庫壩體最小安全系數(shù)的要求。

3.2 露采二期對壩體的穩(wěn)定性影響

露天采場二期工程規(guī)劃開采至－280 m平臺，最終開采境界見圖1，此時爆破作業(yè)點距離壩址最近處為170 m，露天采場爆破作業(yè)的單段最大藥量為10 t，由式（3）計算可得壩址處的振動最大合成速度約為0.8 cm／s，符合此類建（構(gòu)）筑物爆破振動的安全標(biāo)準(zhǔn)［2］。

水庫蓄水后，采用上述的數(shù)值模擬方法，壩址處的振動波形見圖6。計算模型、計算步長及時間步長的設(shè)置與露采一期境時爆破振動計算一致。

根據(jù)模擬結(jié)果，露采二期境界爆破振動作用下，壩體的安全系數(shù)隨時間的變化見圖7。圖7表明，露采二期境界爆破引起壩體振動的過程中，壩體的安全系數(shù)的最小值為1.06，安全系數(shù)稍大于對非正常時期小型水庫壩體的安全系數(shù)的要求。

由于水庫蓄水后，露天二期開采至最終邊界時，壩體的安全系數(shù)最小值為1.06，壩體接近極限平衡狀態(tài)，為了安全起見，在露天二期境界東北角爆破時應(yīng)降低單段最大藥量，并加強(qiáng)壩體的監(jiān)測，保障壩體的安全運營。

圖4 露采一期爆破壩址處的振動波形

圖5 露采一期壩體安全系數(shù)變化

圖6 露采二期爆破壩址處的振動波形

圖7 露采二期壩體安全系數(shù)變化

4 結(jié) 論

（1）通過現(xiàn)場爆破振動測試，得到最大振動速度公式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬計算分析，可為露天開采最終邊界附近建構(gòu)筑穩(wěn)定性的穩(wěn)定性分析提供有效的方法。

（2）該露天礦山一期工程中單段最大爆破藥量不超過10 t時，壩址處的爆破振動最大合成速度為0.49 cm／s，符合此類建（構(gòu)）筑物爆破振動的安全標(biāo)準(zhǔn)。且在整個爆破振動過程中，壩體的最小安全系數(shù)為1.352，說明擬建壩體在爆破振動過程中是穩(wěn)定的。

（3）該露天礦山二期工程中單段最大爆破藥量不超過10 t時，壩址處的爆破振動最大合成速度約為0.8 cm／s，符合此類建（構(gòu)）筑物爆破振動的安全標(biāo)準(zhǔn)。水庫蓄水后，最終邊界爆破將導(dǎo)致壩體的安全系數(shù)降為1.06，壩體的穩(wěn)定性較差。因此，二期工程爆破中需降低單段最大藥量，并加強(qiáng)壩體的監(jiān)測，以保障壩體的安全運營。

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Study on the Effect of the Open-pit Blasting Vibration on Reservoir Dam Planned to Be Constructed

Zhao Kui1，2Wang Ming3He Wen1Wang Xiaojun3Ke Xinhua4
（1.Engineering Research Institute，Jiangxi University of Science and Technology；
2.Engineering Research Center of High-efficiency Development and Application Technology Institute for Tungsten Resources，Ministry of Education；3.Faculty of Resources＆Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology；4.Dexing Copper Mine，Jiangxi Copper Co.，Ltd.）

Themedium-length hole of blasting is applied in an open-pitmine and an acid reservoir dam is planned to be constructed nearby the final boundary of it.In order to study the effect of blasting vibration on stability of the dam，the field testing of blasting vibration was carried out and the formula of themaximum vibration velocity was obtained by regression analysismethod.Furthermore，the formula ofmaximum vibration velocity at the dam wasmodified according to the actual engineering environment.Based on this，the safety factor of the dam affected by blasting vibration at different stages of open-pitmining was analyzed by using the numerical simulation.The results showed that the dam is stable during the first stage of blasting and the dam has a poor stability during the second stage of blasting.The plan of decreasing themaximum explosive dosage at the second stage was proposed.

Open-pitmine，Blasting vibration，Dam，Vibration velocity，Numerical simulation

2013-07-22）

*江西省科技廳科技支撐計劃項目（編號：20121122040027），江西省高等學(xué)校科技落地計劃項目（編號：KJLD12027）。

趙 奎（1969—），男，教授，博士，341000江西省贛州市客家大道156號。