采場(chǎng)爆破振動(dòng)對(duì)鄰近尾礦壩安全影響分析

朱俞仿

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

我國(guó)是一個(gè)名副其實(shí)的礦業(yè)大國(guó)，每年排放的尾礦量在3億t以上，如此數(shù)量巨大的尾礦量除極少部分進(jìn)行綜合利用外，絕大部分需要堆存在尾礦庫(kù)中。我國(guó)目前正在使用的尾礦庫(kù)將近6 000多座，建設(shè)尾礦庫(kù)需要占用大量的土地資源，為了避免占用農(nóng)田以及耕地，大部分尾礦庫(kù)均選址在礦山附近的溝谷或者坡地上，一般距離礦山采場(chǎng)較近；有的尾礦壩甚至在爆破安全距離以內(nèi)，當(dāng)爆破位置距離壩址較近且爆破方量較大時(shí)，采場(chǎng)爆破振動(dòng)對(duì)尾礦壩的安全穩(wěn)定具有較大影響[1-2]。為了充分利用采場(chǎng)周邊合適區(qū)域堆存尾礦，同時(shí)保證尾礦壩的安全穩(wěn)定，因此，有必要對(duì)尾礦壩鄰近采場(chǎng)的爆破振動(dòng)影響進(jìn)行分析，并提出合理控制措施。

1 采場(chǎng)與尾礦庫(kù)的位置關(guān)系

某鉛鋅礦尾礦庫(kù)位于采場(chǎng)北面山谷中，尾礦庫(kù)與采場(chǎng)以分水嶺相隔，分水嶺最低處標(biāo)高約為160 m。尾礦庫(kù)于1998年設(shè)計(jì)最終使用標(biāo)高173 m，由于分水嶺處標(biāo)高不夠，因此在分水嶺處設(shè)計(jì)建設(shè)一座副壩。原設(shè)計(jì)副壩采用粘土斜墻土石壩，上游壩坡采用粘土斜墻與土工膜進(jìn)行聯(lián)合防滲，但是只有壩體進(jìn)行防滲，壩基未進(jìn)行防滲處理。在副壩工程建設(shè)過程中，由于施工進(jìn)度太慢，為了防止尾礦庫(kù)水倒灌至采場(chǎng)造成安全事故，副壩采用排土場(chǎng)廢石碾壓成壩。 尾礦庫(kù)與采場(chǎng)的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 某鉛鋅礦采場(chǎng)與尾礦庫(kù)的平面位置

2013年，礦山對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行了加高擴(kuò)容設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)副壩進(jìn)行加固，即在副壩上游壩坡(尾礦庫(kù)側(cè))采用0.5 m厚砂礫料與土工布進(jìn)行反濾，副壩下游壩坡(采場(chǎng)側(cè))采用碾壓廢石進(jìn)行壓坡加固。加固后副壩壩頂寬為4.0 m，上游壩坡(尾礦庫(kù)側(cè))為1∶1.75，每隔5 m高加設(shè)2 m寬?cǎi)R道一條；副壩下游壩坡(采場(chǎng)側(cè))為1∶1.75，每隔5 m高加設(shè)2 m寬?cǎi)R道一條。副壩加固剖面如圖2所示。

圖2 尾礦庫(kù)副壩加固剖面圖

2 爆破振動(dòng)的安全控制標(biāo)準(zhǔn)

在采場(chǎng)爆破開采過程中，除對(duì)爆破開挖區(qū)的巖石產(chǎn)生破碎、拋擲外，開挖爆破所產(chǎn)生的能量很大一部分以地震波的形式向周圍傳播，會(huì)引起地表附近介質(zhì)形成質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，這種地面振動(dòng)稱為爆破地震。爆破地震波的傳播，一般會(huì)引起地面建筑物、構(gòu)筑物和一些敏感設(shè)施的振動(dòng)響應(yīng)，當(dāng)爆破振動(dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度后，會(huì)對(duì)設(shè)施的安全穩(wěn)定造成危害，在工程中應(yīng)盡量避免這種危害，并采用有效措施對(duì)其進(jìn)行防護(hù)處理。因此，在實(shí)際工程中，為了保證工程設(shè)施安全，爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)的選取就顯得尤為重要。

在實(shí)際工程中，一般采用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度及頻率等物理參數(shù)衡量爆破振動(dòng)的強(qiáng)度。大量工程實(shí)踐和一些理論研究成果表明，在爆破振動(dòng)作用下，地面工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度與結(jié)構(gòu)的破壞程度間的相關(guān)性較好，因此，國(guó)內(nèi)外通常采用質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度作為爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2.1 按相關(guān)安全規(guī)程取值

爆破安全規(guī)程[4]對(duì)工程中常見的建(構(gòu))筑物和設(shè)施的安全允許質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度作了具體的規(guī)定，其中與土石壩最為接近的結(jié)構(gòu)就是永久性巖石高邊坡。由于土石壩的爆破振動(dòng)安全問題本身具有較大的復(fù)雜性，在該規(guī)程中沒有對(duì)由土石料構(gòu)筑的土石壩的安全質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行明確規(guī)定。但是與土石壩最為接近的永久性巖石高邊坡，其安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為5～9 cm/s。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，就其結(jié)構(gòu)型式來看，巖石高邊坡結(jié)構(gòu)對(duì)爆破振動(dòng)速度更為敏感，土石壩能夠承受的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度要高于巖石高邊坡安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，因此，尾礦庫(kù)副壩安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度至少應(yīng)在5 cm/s以上。

2.2 參照地震烈度取值

一些工程對(duì)于各類建筑物爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)的取值方法和經(jīng)驗(yàn)，是在分析特定建筑物的基本抗震特性和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，按照天然地震條件下的建筑物抗震設(shè)防烈度的方法，來取值確定。

由于爆破地震頻率相對(duì)于天然地震的震動(dòng)頻率要高，作用時(shí)間較短，在同樣峰值振動(dòng)速度條件下，爆破振動(dòng)的危險(xiǎn)相對(duì)要小，即只要爆破振動(dòng)不超出抗震設(shè)防要求，爆破將不會(huì)對(duì)需保護(hù)的對(duì)象產(chǎn)生危害。我國(guó)目前采用的是12個(gè)烈度等級(jí)劃分表[5]。該地區(qū)地震設(shè)防烈度為6度，因此可以確定需保護(hù)的建筑物基礎(chǔ)允許的爆破峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為5～6 cm/s。相對(duì)于天然地震的作用特點(diǎn)，爆破振動(dòng)強(qiáng)度按該標(biāo)準(zhǔn)控制，對(duì)于副壩來說應(yīng)是偏安全保守的。

綜合上述分析，尾礦庫(kù)副壩采用爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度5～6 cm/s進(jìn)行分析是安全合理的。

3 爆破振動(dòng)的計(jì)算分析

爆破地震效應(yīng)及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度衰減規(guī)律是一個(gè)比較復(fù)雜的力學(xué)問題，它受多種因素的影響，如爆破的基本方式、爆源的部位、單響藥量、爆破規(guī)模和傳播地層的地形地質(zhì)條件等，要從理論上準(zhǔn)確估算是相當(dāng)困難的。具體到爆破地震作用于附近建(構(gòu))筑物時(shí)，建筑物的抗震性能及施工質(zhì)量、地基特性和約束條件等因素是影響和評(píng)價(jià)其振動(dòng)安全的重要方面。

3.1 薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式

目前，爆破震動(dòng)速度的計(jì)算主要采用的是薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，其表達(dá)了質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度與相關(guān)影響因素的關(guān)系：

(1)

式中：V——被保護(hù)對(duì)象所在位置的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；

Q——爆破炸藥量(齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單響藥量)， kg；

R——爆破中心點(diǎn)與被保護(hù)對(duì)象之間的距離， m；

K——爆破中心點(diǎn)與被保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件相關(guān)的場(chǎng)地系數(shù)；

α——爆破中心點(diǎn)與被保護(hù)對(duì)象之間地震波衰減系數(shù)。

對(duì)于K、α值，針對(duì)一些比較重要的爆破工程，一般提倡或要求采取現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)的方法，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸計(jì)算來確定；在沒有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料的情況下，才可根據(jù)不同的巖石類型參考有關(guān)經(jīng)驗(yàn)值確定。

3.2 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

3.2.1 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與振強(qiáng)的擬合曲線

針對(duì)本工程項(xiàng)目采場(chǎng)爆破振動(dòng)對(duì)尾礦庫(kù)副壩的影響，在現(xiàn)場(chǎng)開展了爆破振動(dòng)觀測(cè)試驗(yàn)，獲取了大量數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按線性回歸的方法進(jìn)行計(jì)算，得到水平徑向和垂直向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度V與振強(qiáng)(Q1/3/R)的擬合曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度V與(Q1/3/R)的線性擬合

圖4 垂直向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度V與(Q1/3/R)的線性擬合

根據(jù)圖3和圖4的擬合曲線，K分別為172(即e5.146)和206(即e5.326)；α分別為1.66和1.74。將數(shù)據(jù)帶入式(1)得到適用于該采場(chǎng)尾礦庫(kù)副壩的爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)公式：

1)水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速

(2)

垂直向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

(3)

3.2.2 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

由于副壩壩體在其體量、高度和材料上不同于一般的建(構(gòu))筑物，爆破地震波作用在其不同部位的振動(dòng)響應(yīng)特性需要關(guān)注，也是進(jìn)行爆破振動(dòng)安全分析的基本前提。按本采場(chǎng)爆破振動(dòng)衰減規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式(2)和(3)對(duì)壩體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 壩體振動(dòng)實(shí)測(cè)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的對(duì)比結(jié)果

從表1可以看出，按實(shí)測(cè)回歸得到的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得到的振動(dòng)速度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于副壩壩體各高程測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值。這是因?yàn)楦眽沃饕伤缮⑹屯令惒牧隙逊e而成，松散堆積體對(duì)于爆破振動(dòng)能量具有較強(qiáng)的消散和吸收作用，爆破地震波沿著壩高同樣具有明顯的衰減效應(yīng)，不同于高聳剛性建筑物所具有的隨高度而振動(dòng)放大的特性。根據(jù)表1對(duì)比結(jié)果，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的結(jié)果偏于安全保守，可以在實(shí)際工程中使用。

3.3 爆破振動(dòng)的安全距離

從爆源到被保護(hù)對(duì)象的距離應(yīng)保證被保護(hù)對(duì)象不受到爆破震動(dòng)作用的破壞，這段距離稱為爆破震動(dòng)安全距離。在需要保護(hù)對(duì)象的安全震動(dòng)速度已知的條件下，可根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式(1)反推出計(jì)算爆破震動(dòng)安全距離的公式：

(4)

對(duì)于相對(duì)較近的采區(qū)，可根據(jù)公式(2)和(3)，在采場(chǎng)標(biāo)高125 m的開挖區(qū)域，嚴(yán)格按照單孔藥量100 kg并采取單孔單響的微差起爆網(wǎng)路，允許爆破質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度為5～6 cm/s，按照公式(4)計(jì)算，劃定采場(chǎng)與副壩(坡腳點(diǎn))的爆破安全距離為40 m。當(dāng)?shù)V體采挖標(biāo)高進(jìn)入到更下一個(gè)梯段時(shí)，安全開挖邊界應(yīng)考慮留有馬道，并且要確保巖體穩(wěn)定的邊坡坡度。

3.4 爆破振動(dòng)的單響最大藥量

對(duì)于相對(duì)較遠(yuǎn)的采區(qū)，可依照實(shí)際的爆心距和震動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核算，確定需要控制的單響最大藥量。根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式(1)反推出計(jì)算爆破震動(dòng)的單響最大藥量的公式(根據(jù)爆破區(qū)工程地質(zhì)條件選取K、α經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值)：

(5)

4 結(jié)論

本文通過某工程項(xiàng)目采場(chǎng)爆破振動(dòng)對(duì)鄰近尾礦庫(kù)副壩的影響分析，得出如下結(jié)論：

1)一般情況下，在實(shí)際工程中，尾礦壩安全允許質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度可以按照5～6 cm/s進(jìn)行控制。

2)在爆破點(diǎn)距離尾礦壩較遠(yuǎn)的情況下，可采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，并根據(jù)爆破區(qū)工程地質(zhì)條件選取K、α經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值，對(duì)爆破振動(dòng)安全距離與單響最大藥量進(jìn)行計(jì)算和控制。

3)在爆破點(diǎn)距離尾礦壩較近的情況下，可采取現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)的方法，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸計(jì)算來確定K、α值，并通過薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)爆破振動(dòng)安全距離與單響最大藥量進(jìn)行計(jì)算和控制。