某露天鐵礦爆破振動對邊坡的動態(tài)響應(yīng)特征研究

張耿城，郭連軍，賈建軍，梁爾祝，董英健

(1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870；3.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司，遼寧 鞍山 114046)

0 引 言

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)和能源的大量需求，爆破技術(shù)由于效率高及經(jīng)濟(jì)效益可觀而被廣泛應(yīng)用于巖土、礦上開挖、水利水電等工程當(dāng)中。但是，在礦山開采過程中，爆破振動過程中產(chǎn)生的地震波對邊坡的效應(yīng)日趨明顯[1]。針對爆破振動對邊坡的穩(wěn)定性，學(xué)者們從多個角度展開了研究。徐金貴等[3]通過設(shè)計邊坡振動監(jiān)測實驗，表明了邊坡形態(tài)、坡面角對地震波在邊坡上傳播具有較大的影響；吳超等[4]通過對高陡邊坡的爆破振動監(jiān)測，從信號分析角度分析爆破振動信號能量以及優(yōu)勢頻率的分布特征。針對沿節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面滑動的巖體，LING等[5]采用擬靜力的方法進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得到巖石邊坡?lián)p傷演化規(guī)律。因此，有效地保證邊坡的穩(wěn)定性顯得尤其重要，特別對露天礦邊坡穩(wěn)定性的研究和控制具有重要的實際意義。

1 工程背景

鞍鋼礦業(yè)某露天礦是生產(chǎn)能力較大的礦山，年生產(chǎn)力達(dá)到750萬t，并利用臺階深孔爆破來實現(xiàn)開挖，根據(jù)生產(chǎn)計劃在+505平臺進(jìn)行爆破，但考慮到距離爆區(qū)107.8 m的邊坡安全性，開展了對邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測與研究工作。 該臺階設(shè)計高度為15 m，布孔個數(shù)達(dá)到127個，均采用三角形布孔，孔深為16.7 m,其中，孔距、排距為7 m×5.5 m，單孔最大起爆量為380 kg,孔間、排間延期時間分別為17 ms、42 ms。為了準(zhǔn)確評價爆破對邊坡的危害效應(yīng)以及制定出，本文結(jié)合+505平臺爆破開挖，研究爆破振動波在邊坡上傳播的規(guī)律，并結(jié)合FLAC3D軟件建立邊坡模型，分析巖石邊坡在爆破振動作用下的速度位移的變化規(guī)律，對類似工程具有一定的參考意義。

2 邊坡爆破振動監(jiān)測方案

2.1 測點布置

巖石邊坡的爆破振動監(jiān)測設(shè)備采用中科院成都設(shè)計院生產(chǎn)的TC-4850測振儀，該儀器采樣頻率為8 000 fps，測量的頻帶寬度為5～200 Hz，測量的速度范圍為0.001～34 cm/s,采樣時間為2 s，內(nèi)觸平值為0.1 cm/s，三向傳感器用石膏固定在基巖上，并且使傳感器的X軸指向爆區(qū)方向，邊坡的具體測點布置如圖1所示。

2.2 爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)

本次共布置8個測點，其中，1#測點、3#測點、2#測點布置在+505平臺，7#測點、6#測點、4#測點布置在+520平臺，5#測點、8#測點布置+535平臺，各點的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)表1建立了水平切向、水平徑向、豎直方向峰值振動速度與爆心距的關(guān)系。

圖1 測點布置圖Fig.1 Layout of measuring points

表1 測點監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 1 Monitoring data of blasting vibration

圖2 峰值振動速度隨爆心距的衰減規(guī)律曲線Fig.2 Attenuation curve of peak vibration velocitywith detonation center distance

由圖2和圖3可知，在低于臨界爆心距內(nèi)各個測點的三向振動峰值速度與爆心距呈負(fù)相關(guān)，總體上豎直方向的振動速度大于水平切向、水平徑向的速度，最大峰值振動速度達(dá)到4.1 cm/s，即使最小的振動速度也達(dá)到了1.5 cm/s，接近于邊坡振動速度的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性，且速度衰減相對于其他兩個方向較慢，應(yīng)進(jìn)一步將監(jiān)測的豎直方向速度作為重點研究分析對象。建立靠近坡底、坡頂?shù)?#測點、7#測點、5#測點、遠(yuǎn)離坡底、坡頂?shù)?#測點、4#測點、8#測點的峰值振速與高程差的關(guān)系。由圖3還可知，三向振動峰值速度隨著高程的增加成衰減趨勢，且坡頂測點的振動峰值速度大于坡底測點的速度，并沒有呈現(xiàn)出高程的放大效應(yīng)現(xiàn)象[6-7],反而與高程差成負(fù)相關(guān)，而對于+535平臺測點的振動速度發(fā)生顯著性變化，可見正高程差的存在并不一定導(dǎo)致邊坡質(zhì)點振速的放大效應(yīng)，說明只有在高程差達(dá)到一定值時才可能有放大效應(yīng)的情況發(fā)生。

圖3 峰值振動速度與高程差之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between peak vibration velocity and elevation difference

3 邊坡監(jiān)測信號能量的處理與分析

炸藥爆炸時產(chǎn)生了一種必然產(chǎn)物——爆破振動波，隨后以橢球狀的形式向外界傳播[8]。攜帶能量的爆破振動波傳播過程中對周圍介質(zhì)產(chǎn)生了擾動直至破壞，而爆破振動地震波作為一種信號，認(rèn)識其本質(zhì)特征是分析爆破振動危害效應(yīng)的基礎(chǔ)，同時也是降低爆破振動對邊坡?lián)p害的依據(jù)。爆破振動持續(xù)一定時間，其振動能量作用于爆區(qū)附近的邊坡，使得邊坡表現(xiàn)超過最大允許安全位移而發(fā)生破壞。因此為了準(zhǔn)確評價邊坡爆破振動能量的變化規(guī)律，對監(jiān)測的邊坡爆破振動信號進(jìn)行Matlab處理，建立爆破振動信號能量與時間、頻率之間的關(guān)系,如圖4所示。

圖4 三維能量譜Fig.4 Three-dimensional energy spectrum

由圖4可知，爆破振動能量在相對高頻帶20～60 Hz分布較少。 絕大部分的爆破振動能量主要集中在頻率0～20 Hz和時間0～0.5 s；但頻帶6～10 Hz對應(yīng)的爆破振動能量較大，考慮到爆破振動對邊坡的危害效應(yīng)，合理采取微差時間，減少能量在低頻帶集中分布。

4 邊坡數(shù)值模擬計算與驗證

上文主要從試驗角度分析了爆破振動對邊坡的響應(yīng)特征，為了彌補試驗些許不足之處，展開了邊坡響應(yīng)的數(shù)值模擬研究。FLAC3D軟件被廣泛應(yīng)用到模擬邊坡對爆破振動的響應(yīng)特征[9]。為進(jìn)一步分析邊坡在爆破振動下的響應(yīng)特征，利用FLAC3D軟件建立邊坡的振動響應(yīng)模型，分析巖石邊坡對爆破振動響應(yīng)規(guī)律。

根據(jù)露天礦開采設(shè)計以及現(xiàn)場調(diào)研，臺階的坡面角為47°，臺階高度為15 m，表層為全風(fēng)化花崗巖，并含有散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，其相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 巖石的計算參數(shù)Table 2 Calculating parameters of rocks

根據(jù)所監(jiān)測的現(xiàn)場實際情況，建立邊坡模型(圖5)，其中該模型水平方向為145 m，臺階高度為15 m，豎直方向為45 m，并將邊坡的前后兩側(cè)及下部施加約束力，保證其位移為零，考慮邊坡在爆破動載荷作用下的響應(yīng)特征，將監(jiān)測的爆破振動原始數(shù)據(jù)代表性波形作為動力載荷，將其施加到邊坡上，分析邊坡的應(yīng)力、位移以及速度在爆破振動作用下的變化規(guī)律。

屈服準(zhǔn)則計算。在對邊坡穩(wěn)定性開展數(shù)值模擬過程中，定義巖石遵循摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，而屈服函數(shù)定義[10]具體見式(1)～(3)。

(1)

ft=σ3-σt

(2)

(3)

式中：σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

圖5 邊坡模型Fig.5 Slope model

圖6為在爆破動載荷作用下邊坡豎直方向速度的變化云圖。在+505平臺爆破振動速度變化較大，而到了+520平臺坡面上速度卻有衰減的趨勢，說明了當(dāng)邊坡高度低于爆破振動放大效應(yīng)臨界高程值時，振動速度受爆心距離影響較大；+535平臺豎直方向的振動速度急劇上升，表明了高程達(dá)到特定值時，振動速度受高程影響較大，呈現(xiàn)了放大效應(yīng)。破壞了高邊坡的穩(wěn)定性，模擬的結(jié)果驗證了檢測爆破振動速度的變化規(guī)律，同時說明了正高程差的存

在不一定放大爆破振動危害效應(yīng)，換言之，當(dāng)邊坡的高程達(dá)到一定值時爆破對邊坡危害放大效應(yīng)才得以體現(xiàn)。因此，對于爆破近區(qū)的高邊坡來說有必要進(jìn)行實時監(jiān)測，減少邊坡失穩(wěn)帶來的一系列工程問題。

圖6 豎直方向振動速度變化云圖Fig.6 Vertical vibration velocity change cloud map

圖7為邊坡在爆破動載荷作用下的豎直與水平方向的位移變化情況。從圖7中可以看出，坡頂?shù)呢Q直、水平方向的位移相對于坡底來說變化較大，在+520、+535兩個平臺的坡面豎直方向位移變化較為明顯，特別是+535平臺位移達(dá)到最大值，說明爆破振動在傳播過程中對于正高程差的邊坡具有破壞放大效應(yīng)，導(dǎo)致上部平臺發(fā)生移動，這與現(xiàn)場監(jiān)測的振動速度結(jié)果變化規(guī)律具有較強(qiáng)的相關(guān)性，從邊坡的水平位移云圖得到，坡底位移變化幅度快大且集中，這對+520平臺爆破開挖造成極大的安全隱患，同時也證明了該邊坡在爆破振動的作用下穩(wěn)定性逐漸變小，基于爆區(qū)近區(qū)邊坡的安全，應(yīng)該著重考慮相關(guān)爆破參數(shù)的修正以及對邊坡開展實時監(jiān)測，以達(dá)到降低邊坡失穩(wěn)帶來安全事故發(fā)生的可能性的目的。

圖7 邊坡位移云圖Fig.7 Slope displacement nephogram

5 結(jié) 論

1) 通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，爆破振動波豎直分量的振速比水平切向、水平徑向振速大，且速度衰減較快，但在+535平臺振動速度明顯變大，表明了高程差達(dá)到一定值時會放大爆破振動對邊坡危害效應(yīng)。

2) 通過對監(jiān)測的爆破振動信號處理看，表明了信號能量主要集中頻率0～20 Hz和時間0～0.5 s范圍內(nèi)，為了降低爆破振動對邊坡的危害效應(yīng)，應(yīng)合理設(shè)置延期時間，避免能量在0～0.5 s時間的疊加。

3) 從邊坡模擬結(jié)果來看，坡底位移變化幅度且集中，這對+520平臺爆破開挖造成極大的安全隱患，導(dǎo)致邊坡在爆破振動的作用下穩(wěn)定性逐漸降低，應(yīng)對邊坡進(jìn)行實時監(jiān)測。該模擬計算結(jié)果可為巖石邊坡的安全性做出準(zhǔn)確評價，有利于對爆破參數(shù)的及時調(diào)整。