峨眉黃山石灰石礦臺階邊坡爆破振速安全閥值研究

余海兵， 胡　斌， 冉秀峰， 李　俊， ?！P

(中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢　430074)

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峨眉黃山石灰石礦臺階邊坡爆破振速安全閥值研究

余海兵， 胡斌， 冉秀峰， 李俊， 祝凱

(中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢430074)

摘要：爆破振速幅值的控制對邊坡的穩(wěn)定性起著重要的作用，以峨眉黃山石灰石礦山臺階邊坡為例，采用擬靜力法研究含軟弱層邊坡，傾角θ=15°～34°，臨界高度H=5～14 m在安全系數(shù)為1.1情況下的安全閥值；采用應(yīng)力判別法得出灰?guī)r的安全閥值；采用FLAC3D有限差分法對邊坡進(jìn)行動力響應(yīng)分析，對邊坡關(guān)鍵監(jiān)測點的位移，塑性區(qū)云圖、剪應(yīng)變增量云圖、關(guān)鍵點的主振速度進(jìn)行綜合分析，得出邊坡在臨界狀態(tài)下的安全閥值；通過對算例的研究分析得出，擬靜力法得出的安全閥值和數(shù)值模擬動力分析的計算結(jié)果接近，互相印證了對安全閥值的取值比較合理。最后綜合以上三種方法對爆破振速安全閥值進(jìn)行合理取值。

關(guān)鍵詞：爆破振動；安全閥值；擬靜力法；應(yīng)力判別法；有限差分法；臺階邊坡

峨眉黃山石灰石礦山(見圖1)歷史上發(fā)生過多次大規(guī)模的順層滑坡，其中爆破振動對邊坡所造成的破壞作用是其中的很重要的一個誘因[1]。

爆破振速幅值的控制對邊坡的穩(wěn)定性起著重要的作用，目前國內(nèi)外的行業(yè)規(guī)范多以質(zhì)點的振速作為礦山爆破開挖的衡量標(biāo)準(zhǔn)，但是在閥值的選取上卻并不一致，這主要是現(xiàn)場工程地質(zhì)條件的千差萬別，要制定一個具有普適性的標(biāo)準(zhǔn)是很困難的[2]。因此制定出適合實際情況的安全閥值顯得非常重要。

目前，邊坡動力穩(wěn)定性的研究主要有擬靜力法、應(yīng)力判別法、室內(nèi)試驗法、數(shù)值模擬法。擬靜力法將爆破荷載按等效靜力來考慮進(jìn)行極限平衡計算。給出直觀判斷邊坡安全與否的定量性指標(biāo)(安全系數(shù))。不足之處是無法進(jìn)行應(yīng)力-變形分析，在簡化過程也引入了一些不確定因素，使該法的可信度受影響。

近年來隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，基于有限差分法的FLAC3D數(shù)值模擬軟件以其程序特有的優(yōu)勢，很容易模擬動力問題，如振動、失穩(wěn)、大變形等，而獲得廣泛應(yīng)用。不足之處是前處理功能較弱，計算時步受網(wǎng)格尺寸影響較大和某些模式下計算時間過長。

本文嘗試結(jié)合擬靜力法、應(yīng)力判別法、FLAC3D有限差分法三種方法對安全閥值的取值進(jìn)行研究，綜合得出礦山邊坡的爆破振速安全閥值。

圖1　峨眉黃山石灰石礦山圖Fig. 1 Diagram of Emei mount Huangshan limestone mine

1工程地質(zhì)概況

峨眉黃山石灰石礦區(qū)位于四川盆地邊緣低中山地段，總體地形為南高、北低，單斜構(gòu)造。海拔約500～1 229.1 m，礦山灰?guī)r內(nèi)不規(guī)律發(fā)育有多組軟弱夾層，傾向與巖層一致，傾角上陡下緩，范圍在15°～34°之間；歷史上由于不規(guī)范的硐室爆破開挖，導(dǎo)致發(fā)生過多起滑坡。東滑坡、西滑坡均是沿軟弱層滑動的。經(jīng)現(xiàn)場測量傾角大約為21°～26°；礦山開采方式為：由東往西推進(jìn)、先上后下開挖，臺階邊坡角為70°，臺階高度15 m。 天然狀態(tài)下巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　巖體物理力學(xué)參數(shù)

2擬靜力法計算模型及參數(shù)選取

礦山巖體臺階邊坡角α=70°，軟弱層傾角選取θ=15°、22°、28°、34°(由上至下有代表性的不同高程傾角)，臨界高度取H=5～14 m，計算模型及邊坡參數(shù)見圖2。

圖2　邊坡穩(wěn)定性計算模型Fig.2 Model of the slope stability calculation

擬靜力法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)公式為：

(1)

由三角關(guān)系可得：

(2)

式中：γ為滑體的重度，H為臨界高度，θ為軟弱層傾角，α為臺階邊坡角。

在考慮爆破振動的作用時，通常將爆破振動力等效為指向坡外的靜力，其計算公式如下[3-4]：

FB=BbGa/g

(3)

式中：FB為等效的爆破振動力，Bb為爆破振動折減系數(shù)，一般在0.1～0.3之間取值，本文取0.2；G為滑體重量；a為爆破振動加速度；g為重力加速度。當(dāng)質(zhì)點作簡諧運動時，a與v的關(guān)系為：

a=2πfv

(4)

式中：f為主振頻率，通過現(xiàn)場爆破(逐孔微差爆破)實測，主要范圍10～30 Hz，計算時取平均值20 Hz，v(cm/s)為質(zhì)點主振速度。

擬靜力法將爆破荷載按等效靜力來考慮進(jìn)行極限平衡計算，而沒有考慮相位差等因素，從這個角度來看的話計算結(jié)果偏安全，所以安全系數(shù)可以適當(dāng)?shù)慕档?，但考慮到礦山爆破開挖作業(yè)頻繁并且時間長達(dá)30年之久，會對巖體產(chǎn)生累計損傷的作用，弱化巖體力學(xué)參數(shù)。因此安全系數(shù)必須留有一定的安全儲備。

綜合考慮相關(guān)規(guī)范規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，確定臺階邊坡在爆破振動作用下的安全系數(shù)取值為1.1，根據(jù)擬靜力法反算求得臨界高度H、巖層傾角θ不同時對應(yīng)的爆破振速安全閥值，計算結(jié)果見圖3。

圖3　臨界高度與安全閥值的關(guān)系Fig.3 Relationship between security threshold and critical height

由圖3可以看出：① 當(dāng)臨界高度相同時，巖層越陡對應(yīng)的安全閥值越??；② 當(dāng)巖層角度相同時，臨界高度越大對應(yīng)的安全閥值越小。

3應(yīng)力判別法

依據(jù)一維應(yīng)力波理論，爆破振動引起的動應(yīng)力為：

σ=ρCpV

(5)

式中：ρ為巖體密度，kg/m；Cp為縱波速度，m/s;V為質(zhì)點水平振動速度，cm/s。將巖體內(nèi)質(zhì)點動應(yīng)力與巖體的抗拉強度進(jìn)行比較，如果質(zhì)點動應(yīng)力超過了巖體的抗拉強度，則巖體因為爆破振動而破壞。由于爆破時間非常短，因此近似以靜抗拉強度等效動抗拉強度，求得，灰?guī)r的爆破振速安全閥值約為22 cm/s。

綜合擬靜力法和應(yīng)力判別法可知：① 根據(jù)應(yīng)力判別法求出的灰?guī)r的爆破振速的安全閥值為22 cm/s，而根據(jù)擬靜力法求得的安全閥值部分大于22 cm/s，由于擬靜力法沒有考慮應(yīng)力應(yīng)變的因素，可能導(dǎo)致部分安全閥值取值不合理，而根據(jù)應(yīng)力判別法求得的安全閥值也是一種近似值，因此本文擬將再結(jié)合FLAC3D有限差分法進(jìn)行動力分析研究，綜合對礦山爆破振速安全閥值進(jìn)行優(yōu)化；② 由計算得出的規(guī)律可知礦山邊坡的安全閥值并不是固定不變的，對于峨眉黃山石灰石礦臺階邊坡，由于石灰?guī)r內(nèi)發(fā)育有軟弱層，巖層傾角有變化，其控制著邊坡的穩(wěn)定，所以安全閥值的選取應(yīng)針對軟弱層傾角的變化取對應(yīng)的值比較符合實際情況。研究得出的規(guī)律為數(shù)值模擬提供借鑒。

4數(shù)值模擬計算模型及參數(shù)選取

4.1模型概述

巖質(zhì)邊坡，巖質(zhì)邊坡軟弱層厚度為0.5 m，其他參數(shù)見圖4所示，邊界范圍滿足靜力和動力條件下的計算精度[5]?；?guī)r網(wǎng)格尺寸最大為2.5 m，滿足大于輸入波波長的1/8～1/10的要求[6-7]。

圖4　邊坡動力分析數(shù)值模型和監(jiān)測點位置分布 (m)Fig.4 Dynamic numerical simulation model of the slope and location distribution of monitoring points(m)

4.2計算載荷及邊界條件

巖體為彈塑性材料，采用摩爾庫倫強度準(zhǔn)則。局部阻尼為0.15，動力計算時，爆破波施加在模型左邊界，輸入的波形為現(xiàn)場實測的水平方向和豎直方向代表性波形(主頻約為20 Hz，持續(xù)時間為0.85 s)，由于爆破振動波頻率范圍較廣，輸入前對振動波進(jìn)行了濾波與基線校正處理，處理后的波形見圖5，計算時根據(jù)需求按比例調(diào)整振幅大小。

圖5　爆破振動速度時程曲線Fig.5 Time history of velocity obtained by site monitoring

為了減小邊界反射波的影響，設(shè)置為黏滯邊界，將速度時程波轉(zhuǎn)化為應(yīng)力時程波[8]，施加于左邊界；先進(jìn)行靜力計算得到重力作用下的初始應(yīng)力場，再初始化位移進(jìn)行動力計算[9-10](巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1)。

為了研究巖體在爆破荷載作用下的穩(wěn)定性，在具有代表性的部位設(shè)置了7個監(jiān)測點(點1～點7)，見圖4；動力計算時將點1的速度時程與輸入波的時程圖對比，發(fā)現(xiàn)吻合很好。說明波形的輸入方式是準(zhǔn)確的[11]。

4.3數(shù)值模擬計算結(jié)果

根據(jù)擬靜力法的計算結(jié)果可知，臨界高度H=14 m時，各軟弱層傾角對應(yīng)下的安全閥值最小，此種情況下的邊坡最危險，下面主要以H=14 m，軟弱層傾角θ=15°為例建立數(shù)值模型進(jìn)行動力分析。 調(diào)整輸入波的振幅，進(jìn)行試算，現(xiàn)將計算結(jié)果進(jìn)行分析和闡述。

4.3.1監(jiān)測點(點2～點5)水平位移分布

圖6為四個監(jiān)測點的位移時程圖，從圖可以看出：軟弱層上的灰?guī)r和軟弱層下的灰?guī)r位移方向不一致，結(jié)構(gòu)面控制著邊坡的動力響應(yīng)，軟弱層之上巖體并未產(chǎn)生整體性的移動，位移表現(xiàn)為坡底>坡腰>坡頂，位移較小，數(shù)量級為10-3m，計算收斂，說明潛在滑體最終穩(wěn)定。

圖6　監(jiān)測點水平向位移時程曲線Fig.6 The time-dependent curve of horizontal displacement of monitoring points

4.3.2邊坡塑性區(qū)分布

由圖7可以看出：下部臺階靠近爆源處有較大范圍受拉應(yīng)力屈服狀態(tài)，說明在此輸入爆破荷載作用下，爆源附近邊坡巖體會產(chǎn)生一定的爆破損傷，可能會發(fā)生局部垮塌；通過對監(jiān)測點提取數(shù)據(jù)，得到：2號監(jiān)測點的最大速度為50 cm/s，3號監(jiān)測點的最大速度為25 cm/s，4號監(jiān)測點的速度為19 cm/s，3號監(jiān)測點至4號監(jiān)測點之間基本無塑性區(qū)，說明利用應(yīng)力判別法得出灰?guī)r的安全閥值22 cm/s比較安全；軟弱層巖體剪切屈服和受拉應(yīng)力屈服，塑性區(qū)貫通，表明爆破振動波已對軟弱夾層產(chǎn)生了一定的不利影響，結(jié)合圖6可知軟弱層上部巖體在振動波的作用下會產(chǎn)生反復(fù)錯動，并最終向坡外產(chǎn)生了較小的永久位移，因此原本巖性比較軟弱的軟弱夾層就會因上部巖層的反復(fù)錯動而開裂，造成結(jié)構(gòu)面的增加和擴(kuò)展，從而降低軟弱夾層的抗剪和抗拉強度。

圖7　爆后邊坡體內(nèi)塑形區(qū)分布圖Fig.7 Plastic zones of rock slope after blasting

4.3.3剪應(yīng)變增量分布圖

從圖8可以看出：剪應(yīng)變增量帶主要出現(xiàn)在爆源附近巖體和軟弱層上，軟弱層出現(xiàn)了剪應(yīng)變增量最大為1.54E-003的區(qū)域，主要集中在軟弱層內(nèi)，剪應(yīng)變集中帶即將貫通，說明邊坡即將可能發(fā)生整體性的錯動，處于一種相對穩(wěn)定的臨界狀態(tài)。

圖8　爆破后坡體內(nèi)剪應(yīng)變增量云圖Fig.8 Nephogram of the shear strain increment after blasting

4.3.4監(jiān)測點(點4～點7)速度時程圖

從圖9可以看出：軟弱層之上的巖體和軟弱層之下的巖體速度差別較大，結(jié)構(gòu)面控制著邊坡的動力響應(yīng)，軟弱層之上巖體的振速，坡底<坡腰<坡頂，表現(xiàn)出了高程放大效應(yīng)[12-13]。計算結(jié)果收斂，邊坡穩(wěn)定。

圖9　監(jiān)測點水平向速度時程曲線Fig.9 The time-dependent curve of horizontal velocity of monitoring points

綜合圖6～圖9可知，在此輸入的爆破荷載作用下，靠近爆源處邊坡很可能會發(fā)生拉伸破壞，發(fā)生垮塌，坡腳部位極小塑性區(qū)，坡腳穩(wěn)定；對邊坡內(nèi)的軟弱層有一定的爆破損傷，邊坡處于即將滑動的相對穩(wěn)定的臨界狀態(tài)。由于在數(shù)值模擬的計算過程中并沒有將爆破累計損傷的影響考慮進(jìn)去，因此在靜力情況下是穩(wěn)定的話，一般對于動力計算，如果沒有將巖體力學(xué)參數(shù)的劣化更新進(jìn)去，計算是偏安全的，計算結(jié)束后，潛在滑體的速度和位移是收斂的，只是會產(chǎn)生一定的永久位移，按照動力失穩(wěn)的判據(jù)來說，邊坡最終是穩(wěn)定的。

由于礦山爆破作業(yè)頻繁，年限長久，如果振速安全閥值沒有控制好，特別是對于終了邊坡，頻繁的爆破振動就會導(dǎo)致潛在滑體永久位移的累積，而巖層的錯動也必導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)展和貫通，雨水順著結(jié)構(gòu)面錯動后的通道滲入后對軟弱層的軟化和泥化作用，將導(dǎo)致其巖體力學(xué)參數(shù)持續(xù)的降低，綜合因素的作用下，最終就極有可能導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)破壞，這也是峨眉黃山石灰石礦山邊坡曾經(jīng)發(fā)生多起滑坡的重要原因之一，因此對于安全閥值的取值必須嚴(yán)格控制。

根據(jù)以上分析結(jié)果，考慮到安全生產(chǎn)的需要，安全閥值的取值應(yīng)小于潛在滑體底部(4號監(jiān)測點)的速度振幅19 cm比較合理。由擬靜力法反算求得在滿足安全系數(shù)1.1情況下的安全閥值為16.3 cm/s，兩者較為接近，互相印證。綜合取安全閥值為17 cm/s。

分析過程同上，求得H=14 m，θ=22°、θ=28°的安全閥值分別為14 cm/s、 8.5 cm/s。并試算了部分其它情況，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬的計算結(jié)果和擬靜力法的計算結(jié)果相差不大，起到了互相印證的效果，擬靜力法的計算結(jié)果較為可靠，其余部分可參考擬靜力法的研究結(jié)果，并結(jié)合一維應(yīng)力波的應(yīng)力判別法，來快速確定安全閥值。經(jīng)過綜合研究，得出礦山邊坡的安全閥值，見圖10。

圖10　臨界高度與安全閥值的關(guān)系Fig.10 Relationship between security threshold and critical height

根據(jù)現(xiàn)場爆破實測得出的撒道夫斯基回歸公式，即可得出單段最大藥量和安全距離的關(guān)系，用于指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。

5結(jié)論

(1) 礦山邊坡的爆破振速安全閥值并不是一個固定值，對于含軟弱層的邊坡，它跟軟弱層的傾角和臨界高度相關(guān)，應(yīng)該根據(jù)其傾角和臨界高度的變化，制定相應(yīng)的安全閥值；軟弱層控制著邊坡的動力響應(yīng)，對于含軟弱層的邊坡以坡腳的振速為標(biāo)準(zhǔn)，確定安全閥值。

(2) 擬靜力法由于不能進(jìn)行應(yīng)力-變形分析，在簡化過程也引入了一些不確定因素，導(dǎo)致部分安全閥值取值不合理，可以結(jié)合應(yīng)力判別法和數(shù)值模擬的分析結(jié)果，進(jìn)行綜合取值。在此經(jīng)驗基礎(chǔ)上，確定類似情況下的安全閥值，避免了多次重復(fù)建模試算，提高了效率。

(3) 數(shù)值模擬法分析得出的爆破振速安全閥值可以根據(jù)邊坡關(guān)鍵監(jiān)測點的位移、塑性區(qū)云圖、剪應(yīng)變增量云圖、關(guān)鍵點的主振速度綜合確定。

(4) 盡量避免雨天作業(yè)，并作好排水措施、安全措施，當(dāng)爆破開挖時，若有軟弱層出露，條件允許時建議先將含軟弱層的巖體開挖，使安全閥值增大到21 cm/s，從而增大爆破規(guī)模，并有利于礦山的生產(chǎn)安全。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金項目資助(4117281);國家科技部973項目資助(2011CB710604)；中央高?；净饦I(yè)務(wù)費專項資金項目資助 (搖籃人才計劃CUGL100413);特色學(xué)科團(tuán)隊(CUG090104)

收稿日期：2015-06-10修改稿收到日期：2015-07-27

通信作者胡斌 男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1974年生

中圖分類號:TU457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.020

Safety threshold of blasting vibration velocity on the slope of Ermei mount Huangshan limestone stairs

YU Hai-bing, HU Bin, RAN Xiu-feng, LI Jun, ZHU Kai

(Faculty of Engineering, China University of Geosciences, WuHan 430074, China)

Abstract:For the slope stability, the amplitude of blasting vibration velocity plays an important role. A case study on the safety threshold of Ermei mount Huangshan limestone bench slope was carried out, which uses the pseudo-static method in the analysis of the slope with weak layer under the condition of dip θ=15°～34°, critical height H=5～14 m and safety factor=1.1. In addition, the safety thershold of limestone was also determined according to the stress criterion. Then, the FLAC3Dfinite difference method was adopted to analyse the dynamic response of the slope, displacement of the slope at key monitoring points, plastic area cloud, shear strain increment cloud and main vibration velocities at key points, and the slope safety threshold in the critical state was achieved. Based on the results of the case study, the safety thresholds, calculated respectively by the pseudo-static method and the dynamic numerical simulation are in good agreement, and the values of the safety threshold are mutually verified to be reasonable. Finally, the above three methods were summarized to get a reasonable value of the safety threshold of blasting vibration velocity.

Key words:blast vibration; safety threshold; quasi-static method; stress criterion; finite difference method; bench slope

第一作者 余海兵 男，碩士，1987年生