露天礦山開(kāi)挖邊坡爆破振動(dòng)損傷規(guī)律及穩(wěn)定性分析

陳 濤，黃浩軒，王 珍

(1.黃河科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 沈陽(yáng)煤炭設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

露天礦山開(kāi)采過(guò)程中，由于頻繁受到爆破振動(dòng)作用，邊坡破壞機(jī)制及穩(wěn)定性分析極為復(fù)雜，對(duì)露天礦山安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1，2]。邊坡爆破振動(dòng)損傷規(guī)律及穩(wěn)定性分析的研究工作可追溯至20世紀(jì)60年代初期，經(jīng)過(guò)幾代學(xué)者不懈努力取得了諸多代表性成果[3-6]。

邊坡爆破振動(dòng)損傷規(guī)律及穩(wěn)定性分析是一個(gè)復(fù)雜的、涉及多個(gè)相關(guān)學(xué)科的地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從不同角度探究該問(wèn)題的解法，取得了可喜的成果。但由于開(kāi)挖過(guò)程中爆破振動(dòng)作用是一個(gè)反復(fù)、持續(xù)的過(guò)程，對(duì)于多次爆破振動(dòng)作用下邊坡巖體累積損傷規(guī)律的研究基本沒(méi)有涉及，而露天礦山滑坡演化恰恰存在這種時(shí)間效應(yīng)。針對(duì)該問(wèn)題，本文綜合運(yùn)用工程地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與測(cè)試、理論分析與數(shù)學(xué)計(jì)算等方法，建立邊坡爆破累計(jì)損傷計(jì)算模型，確定滑坡發(fā)生的時(shí)間及破壞區(qū)域，并通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，達(dá)到邊坡潛在危險(xiǎn)提前預(yù)警與防治的目的。

1 邊坡?lián)p傷模型的建立介紹

1.1 爆破荷載的量化

選取典型露天礦山為工程背景，本礦山開(kāi)挖邊坡爆破過(guò)程中，臺(tái)階高度h=12m，每次爆破孔數(shù)為50個(gè)，采用矩形布孔方式，共設(shè)置炮孔排數(shù)為5排，每排炮孔個(gè)數(shù)為10個(gè)。炮孔孔距a=4m，行距b=3m，炮孔孔深h′=12m，孔底無(wú)超深。爆破炸藥類型選取為乳化炸藥，單孔裝藥量q=50kg，總裝藥量Q=2.5t，裝藥方式為分段裝藥，起爆方式為毫秒微差起爆。

爆破荷載對(duì)邊坡的損傷作用是力、能量以及形變?nèi)唛g相互轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的復(fù)雜過(guò)程，量化爆破荷載對(duì)邊坡的損傷規(guī)律，建立二者間的函數(shù)關(guān)系式是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[7，8]。本文應(yīng)用聲波測(cè)試儀對(duì)邊坡爆破振動(dòng)損傷程度進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定過(guò)程中，選取水作用耦合劑以減少聲波與空氣接觸產(chǎn)生的誤差。

在爆破振動(dòng)作用下，開(kāi)挖邊坡巖體將產(chǎn)生振動(dòng)裂縫，該振動(dòng)裂縫迅速被空氣充滿。眾所周知，聲波在空氣中的傳播速度vk近似為340m/s，遠(yuǎn)小于聲波在巖體中的傳播速度，因此可通過(guò)巖體聲波速度降低率近似描述邊坡巖體損傷程度，邊坡?lián)p傷程度η可表示為：

η=(v0-vt)/(v0-vk)

(1)

式中，v0為該開(kāi)挖邊坡巖體的初始聲波速度，m/s；vt為該開(kāi)挖邊坡經(jīng)爆破作用后巖體的聲波速度，m/s。應(yīng)用式(1)可將爆破荷載對(duì)邊坡的損傷程度進(jìn)行合理量化。

1.2 邊坡?lián)p傷分析

根據(jù)Morris經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)爆破總藥量Q為定值時(shí)，邊坡?lián)p傷程度是爆心距的單值函數(shù)，且二者之間呈現(xiàn)近似的反比例關(guān)系。為確定二者之間的函數(shù)關(guān)系式，進(jìn)行一次爆破試驗(yàn)并選取爆破上部臺(tái)階四個(gè)不同位置作為測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行聲波測(cè)試。根據(jù)本礦山臺(tái)階分布規(guī)律，爆區(qū)中心與測(cè)試點(diǎn)的垂直距離(最小距離)為70m，因此選取的爆心距最小值為70m。四個(gè)測(cè)試點(diǎn)爆心距分別選取為70m，80m，90m，100m，其平面布置如圖1所示，邊坡?lián)p傷程度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

為確定Morris經(jīng)驗(yàn)式[9]中邊坡?lián)p傷程度與爆心距二者間的反比例系數(shù)，本文對(duì)爆心距取得不同值時(shí)損傷程度與爆心距關(guān)系進(jìn)行最小二成擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖1 邊坡?lián)p傷試驗(yàn)平面布置圖

表1 邊坡?lián)p傷程度測(cè)試結(jié)果

圖2 邊坡?lián)p傷程度擬合結(jié)果

曲線擬合結(jié)果表明，邊坡巖體損傷程度與爆心距的反比例關(guān)系是顯而易見(jiàn)的，擬合關(guān)系式為η=165/D。相關(guān)分析結(jié)果R2=0.982，相關(guān)性能良好，可做為邊坡?lián)p傷程度的計(jì)算方式。

1.3 累積損傷分析

由于開(kāi)挖邊坡頻繁受到爆破振動(dòng)影響，因此應(yīng)對(duì)連續(xù)爆破振動(dòng)作用下開(kāi)挖邊坡?lián)p傷規(guī)律及穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。為確定連續(xù)爆破振動(dòng)作用下邊坡巖體損傷規(guī)律，共進(jìn)行四次爆破試驗(yàn)，選取第一次爆區(qū)中心上部臺(tái)階垂足作為測(cè)試點(diǎn)，根據(jù)前文分析可知第一次爆破爆心距為70m。根據(jù)本礦山爆破參數(shù)可得爆破區(qū)長(zhǎng)度為40m，據(jù)此根據(jù)勾股定理可得第二、三、四次爆破爆心距分別為81m、106m和139m。其平面布置如圖3所示，同時(shí)邊坡累積損傷程度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3 邊坡累積損傷試驗(yàn)平面布置圖

表2 累積損傷程度測(cè)試結(jié)果

由振動(dòng)在巖體中的傳播性質(zhì)可知，爆破振動(dòng)對(duì)開(kāi)挖邊坡累積損傷程度隨爆破作用次數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)衰減的規(guī)律。由此可得第n次爆破對(duì)該開(kāi)挖邊坡?lián)p傷程度的表達(dá)式為：

ηn=kn-1×165/D

(2)

式中，k為爆破振動(dòng)對(duì)開(kāi)挖邊坡巖體損傷程度的衰減指數(shù)。根據(jù)表2中累積損傷程度測(cè)試結(jié)果對(duì)衰減指數(shù)k進(jìn)行最小二成擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 累積損傷程度擬合結(jié)果

曲線擬合結(jié)果表明，該開(kāi)挖邊坡巖體累積損傷程度與爆破作用次數(shù)呈現(xiàn)明顯的指數(shù)衰減規(guī)律，擬合關(guān)系式為ηn=0.95n-1×165/D。相關(guān)分析結(jié)果R2=0.991，相關(guān)性能良好，可作為邊坡累加損傷程度的計(jì)算公式。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

爆破振動(dòng)作用下邊坡穩(wěn)定性分析應(yīng)重點(diǎn)考慮邊坡的時(shí)空效應(yīng)，即應(yīng)準(zhǔn)確確定邊坡破壞時(shí)間及邊坡最危險(xiǎn)區(qū)域。該礦山開(kāi)挖邊坡爆破過(guò)程中，爆破區(qū)長(zhǎng)度l=40m，爆破區(qū)中心距離上部臺(tái)階垂直距離d=70m，假定爆破作用次數(shù)為x，其中第m次爆破區(qū)中心距離測(cè)試位置距離最小，即dm=70m。根據(jù)空間距離計(jì)算方法，可確定爆心距的計(jì)算公式可表示為：

(3)

根據(jù)前文中爆破作用下開(kāi)挖邊坡?lián)p傷累積損傷程度計(jì)算公式，可確定各次爆破對(duì)該開(kāi)挖邊坡?lián)p傷程度可表示為：

(4)

根據(jù)爆破振動(dòng)作用下邊坡工程經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)挖邊坡累積損傷程度大于10%將發(fā)生剪切破壞，因此邊坡破壞時(shí)x應(yīng)滿足：

(5)

表3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

累積損傷計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)連續(xù)爆破次數(shù)達(dá)到7次時(shí)，該開(kāi)挖邊坡累積損傷程度達(dá)到10.27%，此時(shí)將發(fā)生剪切破壞，對(duì)應(yīng)m=4，即最危險(xiǎn)區(qū)域位于距離爆破起始位置120～160m處上部臺(tái)階。

3 數(shù)值模擬分析

為驗(yàn)證上文中計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)爆破振動(dòng)作用下邊坡累積損傷程度進(jìn)行模擬。邊坡地質(zhì)模型選取模型尺寸X方向?yàn)?0m，Y方向?yàn)?0m，Z方向?yàn)?8m。根據(jù)前文計(jì)算結(jié)果，共進(jìn)行7次爆破模擬，并分別建立7個(gè)邊坡地質(zhì)模型，各模型分別位于爆破區(qū)中心位置處。每次爆破作用后最大剪切應(yīng)變?cè)隽咳鐖D5所示，括號(hào)內(nèi)表示最大剪切應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的模型。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，該開(kāi)挖邊坡由于受到爆破荷載作用產(chǎn)生局部剪切變形，隨著爆破作用次數(shù)增加，剪切變形向坡頂方向逐步擴(kuò)展，最終形成連續(xù)的貫通滑面，邊坡巖體將沿該滑面發(fā)生剪切破壞。當(dāng)爆破作用次數(shù)達(dá)到7次時(shí)，該開(kāi)挖邊坡巖體內(nèi)部滑面貫通，此時(shí)邊坡發(fā)生破壞，此時(shí)最大剪切應(yīng)變對(duì)應(yīng)的為模型4，即最危險(xiǎn)區(qū)域距離爆破起始位置120～160m。數(shù)值模擬結(jié)果與前文中計(jì)算結(jié)果完全一致，充分驗(yàn)證了本文所提方法的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合手段，建立了邊坡爆破振動(dòng)損傷計(jì)算模型，并通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn)了邊坡爆破振動(dòng)損傷規(guī)律研究及穩(wěn)定性分析的目標(biāo)。

2)應(yīng)用 FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了邊坡地質(zhì)模型，并對(duì)爆破振動(dòng)施加過(guò)程進(jìn)行模擬運(yùn)算，最終通過(guò)剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性分析的目的。

3)計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果均表明本礦山開(kāi)挖邊坡在連續(xù)進(jìn)行7次爆破作用后上部臺(tái)階將發(fā)生破壞，最危險(xiǎn)區(qū)域距離爆破起始位置120～160m處，充分驗(yàn)證了本文提出的計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。