爆破荷載下露天礦高邊坡振動速度閾值的確定及控制

朱帥帥,唐海,2*,萬文,馬諭杰,王建龍,丁安松

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實驗室,湖南 湘潭 411201)

隨著爆破在開挖方面的廣泛應(yīng)用,由爆破振動誘發(fā)的邊坡擾動問題已經(jīng)成為邊坡類工程施工中的一大安全難題.對于此領(lǐng)域,已有很多學(xué)者通過理論分析、現(xiàn)場試驗及理論與實驗相結(jié)合的方法進(jìn)行了研究,并取得了一系列的成果.胡英國等[1]通過對現(xiàn)場保留巖體中損傷區(qū)進(jìn)行跨孔聲波測試,對基于損傷度確定臨界損傷質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度進(jìn)行了研究和分析;朱傳云等[2]通過對爆破前后巖體聲波波速的變化率,得到了三峽工程中爆破開挖擾動下中隔墩爆破振速控制的安全標(biāo)準(zhǔn);李俊如等[3]通過對邊坡巖體的聲波測試,結(jié)合現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測以及工程經(jīng)驗,初步確定邊坡振動速度安全閾值.以上對爆破振動控制的研究主要是進(jìn)行現(xiàn)場實測,根據(jù)實測數(shù)據(jù)結(jié)合爆破安全規(guī)程確定振動速度安全閾值.但這種爆破后的實測方法不利于前期爆破開挖中對于保留巖體振動的控制,可能造成損傷.

伴隨計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬成為研究爆破振動對邊坡擾動的重要方法.對于數(shù)值模擬在這方面的可行性,已有諸多學(xué)者對此進(jìn)行了驗證.劉亞群等[4]通過數(shù)值模擬分析了巖石邊坡坡腳點(diǎn)的振動速度峰值,得出的數(shù)值模擬計算結(jié)果與工程實測結(jié)果基本一致,兩者誤差在要求范圍以內(nèi),用數(shù)值模擬分析是可行的;馬沖等[5]通過數(shù)值計算得出在不同巖層傾角下含軟弱夾層的邊坡所對應(yīng)的爆破振動速度安全閾值;許名標(biāo)等[6]將現(xiàn)場爆破振動測試與ANSYS數(shù)值模擬時程分析相結(jié)合,對爆破作用下的巖質(zhì)高陡邊坡分析,得到模擬速度值與速度實測值較吻合.

綜上分析,采用數(shù)值模擬對爆破振動作用下露天礦邊坡的穩(wěn)定性研究,這種方法可行且可避免試驗爆破對邊坡的損傷.現(xiàn)以貴州穿巖洞露天采礦爆破為例,應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立爆破荷載作用下穿巖洞礦邊坡的模擬,結(jié)合邊坡臨界狀態(tài)的定義,確定邊坡振動速度安全閾值的方法,并提出邊坡振動速度控制標(biāo)準(zhǔn),控制最大段藥量,保證爆后邊坡的安全穩(wěn)定.

1 工程背景

1.1 地貌概況

貴州穿巖洞露天礦位于黔南布依族苗族自治州,礦山生產(chǎn)規(guī)模350萬t/a,東側(cè)前期進(jìn)行部分施工形成的邊坡高度達(dá)到120 m,如圖1所示.目前,礦山開采場地為露天開采,爆區(qū)上部有5級臺階,每級臺階高度為24 m,坡面角度約53°,臺階平臺寬度10 m,如圖2所示.根據(jù)前期勘探結(jié)果,礦區(qū)主要有磷塊巖、白云巖等巖石.

圖1 礦區(qū)現(xiàn)場照片

圖2 邊坡局部

1.2 爆破方案

根據(jù)爆破區(qū)域?qū)嶋H情況,爆區(qū)巖石主要為白云巖,屬堅硬巖石,考慮鉆孔能力以及鉆孔設(shè)備選型,決定采用1250型號深孔鑿巖臺車,爆破采用2#巖石乳化炸藥,一次爆破1排孔,具體爆破參數(shù)見表1.

表1 爆破參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)爆破現(xiàn)場工程地質(zhì)條件,建立簡化的邊坡數(shù)值計算模型,臺階邊坡高度24 m,臺階平臺寬度10 m,邊坡角擬定53°.選取LS-DYNA軟件中的塑性材料以及Cowper- Symonds[7]模型來模擬巖石介質(zhì),其參數(shù)見表2.為了消除在動力分析中邊界處可能造成波的反射,本文采用Lysmer和Kuhlemeyer[8]提出的黏性(無反射)邊界,模型底面和右側(cè)面是無反射邊界,模型上邊界是自由邊界,如圖3所示.

表2 巖石動態(tài)力學(xué)參數(shù)

2.2 荷載的確定

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9,10],本文采用在粉碎區(qū)邊界上施加三角形脈沖荷載的爆破加載方法進(jìn)行數(shù)值模擬研究,計算時炸藥密度取1 300 kg/m3,炸藥爆速取4 500 m/s,三角形脈沖荷載曲線如圖4所示.

圖3 邊坡數(shù)值模型

圖4 三角形爆破荷載曲線

依據(jù)炸藥爆轟波的查普曼-朱格特理論為基礎(chǔ)[11-13],得到爆破沖擊波作用在粉碎區(qū)邊界巖體的峰值壓力計算公式為

(1)

(2)

式中:Pb,Pr分別為沖擊波作用在炮孔壁和粉碎區(qū)邊界巖石上的峰值壓力;ρe為炸藥密度;D為爆轟波速;γ為炸藥等熵指數(shù),取3;d為粉碎區(qū)半徑與炸藥半徑之比,取2.

根據(jù)式(1)和式(2)計算得Pr=411.33 MPa.

3 邊坡振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)

爆破振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)的確定一直是各個巖石高邊坡開挖工程的重點(diǎn)與難題.目前廣泛通過實測數(shù)據(jù)結(jié)合爆破安全規(guī)程確定邊坡振速控制標(biāo)準(zhǔn),該方法雖然準(zhǔn)確但資金成本與時間成本較高[14].本次研究是根據(jù)上述計算的荷載值進(jìn)行多次數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)邊坡的應(yīng)力主要集中在靠近爆區(qū)的2個臺階,如圖5所示.為簡化計算,本文選擇受爆破擾動影響較大的臺階邊坡建立模型進(jìn)行分析.基于目前廣泛采用上層臺階的爆破振動速度閾值作為邊坡爆破振動安全標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀,分別在爆區(qū)上部第一臺階平臺和第二臺階平臺處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)[15],數(shù)值模型如圖6所示.

根據(jù)同課題組的共同研究[16],運(yùn)用數(shù)值模擬分析多次爆破荷載作用下邊坡的位移變化,發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律:在穩(wěn)定狀態(tài),邊坡位移收斂,即邊坡關(guān)鍵點(diǎn)位移趨向穩(wěn)定在某一定值,依據(jù)爆破振動速度和位移之間存在對應(yīng)的關(guān)系v=dx/dt,此時關(guān)鍵點(diǎn)速度為0,即在該荷載作用下,關(guān)鍵點(diǎn)振動速度處于峰值狀態(tài)時邊坡也不會破壞;在破壞狀態(tài)下,邊坡出現(xiàn)滑動面滑動破壞,邊坡位移不收斂,邊坡關(guān)鍵點(diǎn)位移隨時間逐漸增大,振動速度也逐漸增大,直到邊坡失穩(wěn)破壞.由此得出當(dāng)邊坡位移介于收斂與不收斂之間時,邊坡處于臨界狀態(tài).因此,取臨界狀態(tài)時關(guān)鍵點(diǎn)峰值速度作為安全閾值,可監(jiān)控邊坡穩(wěn)定.

圖5 邊坡應(yīng)力云圖

圖6 數(shù)值模型

為確定關(guān)鍵點(diǎn)的位置,保持橫坐標(biāo)時間不變,將縱坐標(biāo)值以荷載值411.33 MPa為標(biāo)準(zhǔn),依次按1.1倍、1.2倍、1.3倍……逐漸放大,直至邊坡破壞.模擬后得到的邊坡穩(wěn)定和破壞時的位移云圖分別見圖7和圖8.從圖8中可以看出,當(dāng)荷載增加到邊坡破壞時,第一臺階坡頂出現(xiàn)了滑動面滑動破壞,此時該坡頂距離基坑邊1 m位置處位移變化最大,最易破壞,該位置即為關(guān)鍵點(diǎn).

圖7 穩(wěn)定時邊坡整體位移云圖

圖8 破壞時邊坡整體位移云圖

逐漸增大輸入荷載,當(dāng)輸入荷載為標(biāo)準(zhǔn)荷載的1.8倍時,得到多次爆破作用下邊坡關(guān)鍵點(diǎn)的位移曲線圖,如圖9所示,此時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)輸入荷載為標(biāo)準(zhǔn)荷載的1.9倍時,得到邊坡破壞時的邊坡關(guān)鍵點(diǎn)的位移曲線圖,如圖10所示.

圖9 穩(wěn)定時關(guān)鍵點(diǎn)位移曲線

圖10 破壞時關(guān)鍵點(diǎn)位移曲線

由此可以看出,當(dāng)輸入荷載介于標(biāo)準(zhǔn)荷載的1.8 ～1.9倍時,邊坡在該荷載作用下會達(dá)到臨界狀態(tài).為保證工程安全及應(yīng)用便捷,取前一級荷載(標(biāo)準(zhǔn)荷載的1.8倍)作用下的邊坡為臨界狀態(tài),此時關(guān)鍵點(diǎn)的最大峰值振動速度15.6 cm/s為安全閾值,取安全系數(shù)為1.5[17],得多次爆破荷載下邊坡振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)為10 cm/s.

目前確定邊坡振動速度的控制標(biāo)準(zhǔn),都需要結(jié)合大量的工程經(jīng)驗.長沙礦冶研究院在對國內(nèi)大量礦山爆破振動速度進(jìn)行監(jiān)測的基礎(chǔ)上[18],提出我國硬質(zhì)巖石邊坡振動控制標(biāo)準(zhǔn)范圍為22～35 cm/s;清江隔河巖工程[19],I類邊坡控制標(biāo)準(zhǔn)為22 cm/s;Ⅱ類邊坡控制標(biāo)準(zhǔn)為28 cm/s;Ⅲ類邊坡控制標(biāo)準(zhǔn)為35 cm/s.綜上分析可以看出,若以前人成果為標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用到本工程多次爆破施工中,可能對邊坡的穩(wěn)定性造成破壞,因此該工程選用本文數(shù)值模擬確定的邊坡振動速度為控制標(biāo)準(zhǔn),可避免多次爆破對邊坡的損傷.

4 控制標(biāo)準(zhǔn)可行性分析

4.1 理論分析

結(jié)合大量工程試驗可知,爆破振動主要與最大段藥量有關(guān),一般是采用薩道夫斯基公式來確定最大段藥量:

(3)

式中:Q為一次起爆最大段藥量,kg;R為爆源中心到監(jiān)測對象的距離,即爆源距,m;V為被保護(hù)對象允許的振動速度,cm/s;K,α分別為與爆破條件、巖石特性有關(guān)的系數(shù),其取值范圍見表3.

表3 爆區(qū)不同巖性的K,α值

由于臺階邊坡與爆區(qū)位置存在高差,用該公式預(yù)測最大段藥量會存在較大誤差.因此,根據(jù)文獻(xiàn)[20],當(dāng)高差為正時,在公式中加入高差因子,得到了更精確的計算公式:

(4)

式中:H為測點(diǎn)到爆源中心的高程差,m;β為與高程有關(guān)的系數(shù),其取值范圍為0.25～0.28.

本工程巖層主要為白云巖,屬堅硬巖石,計算時K取100,α取1.4,β取0.26.依據(jù)邊坡振動速度的控制標(biāo)準(zhǔn)為10 cm/s,由式(4)計算符合允許振動要求的最大段藥量為239.39 kg,遠(yuǎn)小于爆破設(shè)計方案中的最大段藥量500 kg,因此原設(shè)計方案施工可能對邊坡穩(wěn)定性造成擾動.為保證安全施工,需控制最大段藥量低于239.39 kg(為便于裝藥,取230 kg).

為驗證該控制標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性,按最大段藥量230 kg建立數(shù)值分析模型,得到邊坡在穩(wěn)定時整體的位移云圖(圖11a)和多次爆破荷載作用下邊坡關(guān)鍵點(diǎn)的位移曲線圖(圖11b).由圖11可以看出,在多次的爆破荷載作用下,邊坡坡面整體位移收斂,關(guān)鍵點(diǎn)位移趨向穩(wěn)定在某一定值,說明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài).

4.2 實測驗證

通過工程實測來驗證理論確定的控制標(biāo)準(zhǔn)的合理性,現(xiàn)場爆破施工時,現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)的布置盡量與模型(圖6)中位置接近(其中監(jiān)測點(diǎn)1布置在關(guān)鍵點(diǎn)處).現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測儀器選用成都中科測控TC-4850智能爆破測振儀,監(jiān)測各監(jiān)測點(diǎn)的爆破振動速度.現(xiàn)場儀器的布置如圖12a所示,選取其中典型的振動信號波形圖如圖12b所示.

對現(xiàn)場實測各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,現(xiàn)場爆破數(shù)據(jù)結(jié)果見表4.

圖11 位移云圖及位移曲線

圖12 現(xiàn)場儀器布置及振動波形

表4 現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)

從表4看出,爆破施工時在現(xiàn)場監(jiān)測到的振動速度最大值為關(guān)鍵點(diǎn)處峰值振動速度(說明選取的關(guān)鍵點(diǎn)位置是合適的),小于邊坡振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)10 cm/s,同時露天礦邊坡巖體沒有出現(xiàn)損傷現(xiàn)象.說明目前改進(jìn)的爆破方案是可行的,確定的邊坡振動速度的控制標(biāo)準(zhǔn)也是合適的.

5 結(jié)論

1)通過簡化模型進(jìn)行分析,確定了邊坡關(guān)鍵點(diǎn)位置,依據(jù)臨界狀態(tài)定義,得到多次爆破荷載下邊坡振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)為10 cm/s.

2)對爆破設(shè)計方案中最大段藥量進(jìn)行了改進(jìn),并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測驗證了其可行性.