露天煤礦場地振動及其對邊坡安全的影響研究

韓 亮，閆 杰

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司 安太堡露天礦，山西 朔州03606；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013）

露天礦山每年剝離大量巖層與礦產(chǎn)，大量巖土體挖掘，形成巨大的礦坑及眾多的排土場。安太堡露天礦在采礦中遇到蘆子溝背斜，在背斜翼部開采過程中由于地層傾角較大，存在內(nèi)排土場工作面高于采場工作幫現(xiàn)象。在蘆子溝背斜東翼區(qū)域地層傾角平均達(dá)8～12°，局部最大區(qū)域達(dá)22°，煤層在背斜東翼區(qū)域降深為270 m，水平投影大約為1 200～2 100 m，因此必須考慮生產(chǎn)帶來的一系列邊坡安全問題。

安太堡露天礦內(nèi)排土場，主要問題為順傾基底邊坡排土安全問題。而大型露天礦山生產(chǎn)中，面臨大量的爆破工程、大型車輛運(yùn)輸振動、內(nèi)排土場下部坡腳采裝振動等振動問題。羅洋等研究了反復(fù)微小地震中各類因素對邊坡動力穩(wěn)定性的影響[1]。陳濤等對邊坡爆破震動損傷規(guī)律及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析[2]。肖莉等建立了豎向地震效應(yīng)影響斷層邊坡永久位移預(yù)測模型[3]。張鵬等研究了邊坡臺階高程對爆破振速的放大效應(yīng)[4]。林海松和楊號等研究了露天礦山震動波頻譜及其傳播規(guī)律[5-6]。閆統(tǒng)釗分析了露天礦山控制爆破技術(shù)[7]。董斌斌等研究了爆破震動波穿越不同介質(zhì)結(jié)構(gòu)面的衰減效應(yīng)[8]。因此，有必要研究傾斜基底排土場各種類型震動對邊坡安全研究。

1 露天礦振動監(jiān)測

露天礦開采過程中各種振動源較多，且存在頻繁震動問題。同時，振源類型、振動強(qiáng)度、振動頻率等不同，其對邊坡安全產(chǎn)生影響也不一致。因此，首先主要收集了礦區(qū)各種振源的振動波形，分析各種振動的特點(diǎn)，確定影響邊坡的主要振動類型。露天礦主要振動類型為：爆破震動、運(yùn)輸車輛震動、電鏟裝卸載震動。通過NUBOX-6016 振動智能檢測儀，測量振動激勵下場地的三向振動響應(yīng)信號，通道1 指向振動的來波方向：水平x 方向，通道2 指向振動的來波方向:水平y(tǒng) 方向，通道3 指向振動的來波方向:垂直z 方向。

分別監(jiān)測了以上3 類振動作用下的振動速度曲線，分析了各種類型的振動速度、振動持續(xù)時間、最大震速度、平均速度等各種參數(shù)特征，不同振源振動波形圖略。

1.1 爆破震動測試結(jié)果

安太堡露天礦地層巖性為中-硬巖體，生產(chǎn)采用爆破松動，在蘆子溝東翼區(qū)域煤層開采階段，將產(chǎn)生大量振動波輸入內(nèi)排土場，形成邊坡安全隱患。因此在坡腳對爆破震動進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)距離爆破邊界60 m，爆破震動監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 爆破震動監(jiān)測數(shù)據(jù)

爆破震動主頻率為13.4～15 Hz，震動持續(xù)時間約1.6～1.8 s，最大震動速度達(dá)0.895 cm/s，最大震動速度時間集中，平均振動速度最大在通道3（豎直方向），為0.2 cm/s。存在爆破震動波頻率大，震動持續(xù)時間較短，最大值與最小值3 個監(jiān)測通道相差達(dá)到1.496、1.379、1.531 cm/s，速度變化振幅相差較大。

1.2 車輛運(yùn)輸振動和電鏟采裝振動測試結(jié)果

在內(nèi)排土場運(yùn)輸?shù)缆穼囕v振動進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置于車道旁距離930E 重車道約50 m，距離930E 空車道約30 m，距離運(yùn)煤車道約75 m。車輛振動監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 運(yùn)輸振動監(jiān)測數(shù)據(jù)

選取典型3 種車輛振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)車輛振動主頻率在水平方向通道1 和通道2 主要分布在4.0～4.6 Hz；通道3（豎直方向）頻率分布較廣：930E 重車時主振頻率達(dá)到25 Hz 左右，930E 空車和運(yùn)煤車輛的主振頻率在6～10 Hz 左右；930E 重車、空車及運(yùn)煤車輛的振動最大、最小及平均速度各個方向上的振動變化相近，3 種車輛的振動監(jiān)測為全程監(jiān)測。因此，車輛載重對場地的主振頻率和持續(xù)時間影響較大，而振動速度影響較小。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，車輛振動速度一般偏低，水平方向通道1（x 方向）上一般為-0.03～0.03 cm/s，水平方向通道2（y 方向）上一般為-0.89～0.106 cm/s，而豎直方向上監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)0.176～0.19 cm/s，豎直方向振動速度遠(yuǎn)大于水平方向振動速度。因此，車輛振動水平方向震動速度在零速度線上下振動，道路邊上豎直方向振動平均速度在0.18 cm/s。

而車輛振動速度監(jiān)測曲線與爆破震動曲線存在明顯不同，爆破振動存在主振動波短期劇烈影響區(qū)間；而車輛振動為長持續(xù)短幅度振動特點(diǎn)；車輛振動監(jiān)測曲線中存在速度與監(jiān)測距離越近振動越大特征，表現(xiàn)為速度曲線中振動幅度出現(xiàn)變化區(qū)間，此時為車輛與監(jiān)測點(diǎn)直線距離最近位置。

在工作幫采裝平盤上下各選取點(diǎn)對電鏟采裝振動進(jìn)行監(jiān)測，電鏟在采裝階段及移動階段產(chǎn)生大量振動波，振動速度最大及最小值較為集中，主要振動速度與運(yùn)輸車輛振速相近。

2 傾斜基底排土場穩(wěn)定性及變形

2.1 傾斜基底排土邊坡穩(wěn)定性

安太堡露天礦內(nèi)排土場在蘆子溝背斜軸部區(qū)域11#煤底板標(biāo)高為1 250 m 以上水平，軸部區(qū)域排土至1 420 m 水平（最高設(shè)計(jì)排棄高度約1 450 m 水平）。在背斜翼部由北向南地層傾角逐漸增大，選取研究區(qū)域地層傾角為13°，現(xiàn)狀排土場排土角度16°。

表3 電鏟振動參數(shù)

選取的安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡模型如圖1，現(xiàn)場邊坡單臺階排棄高度為70 m。由于內(nèi)排土場為散體物料堆積形成，坡面角即為物料的自鎖角，內(nèi)排土場單臺階處于極限平衡狀態(tài)。因此，建立典型傾斜基底剖面，分析排土場處于極限平衡狀態(tài)時，確定內(nèi)排土場排土物料的強(qiáng)度參數(shù)，內(nèi)排土場單臺階計(jì)算結(jié)果如圖2，剖面在高段排土區(qū)域單臺階安全系數(shù)為1.000。

圖1 安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡模型

圖2 內(nèi)排土場單臺階計(jì)算結(jié)果

2.2 傾斜基底排土場變形特征

通過對現(xiàn)場振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，確定爆破震動主頻率在13.4～15 Hz，震動持續(xù)時間短，而震動速度變化幅度大；機(jī)械設(shè)備（車輛及電鏟）引起的振動持續(xù)時間長，而振動速度幅度變化小特征。爆破震動最大速度達(dá)到0.895 cm/s，是車輛及電鏟裝車振動速度的5～20 倍，其中爆破震動與車輛振動在豎直方向相差倍數(shù)最小，均表現(xiàn)為豎直方向振動速度較大。

對內(nèi)排土場高段排土臺階進(jìn)行變形破壞模擬研究，內(nèi)排土場邊坡水平位移云圖如圖3，內(nèi)排土場變形主要在高段排土場形成單臺階變形區(qū)域，單臺階水平方向上最大影響范圍為47 m，最大變形從臺階邊緣向內(nèi)逐漸減弱，變形主要為排土物料內(nèi)部破壞，與邊坡安全穩(wěn)定性計(jì)算單臺階滑動結(jié)果相符。

圖3 內(nèi)排土場邊坡水平位移圖

2.3 排土場爆破震動變形規(guī)律

在內(nèi)排土場坡模型腳輸入通道1 和通道3 的爆破震動數(shù)據(jù)模擬研究爆破作用下邊坡破壞規(guī)律，在爆破作用下內(nèi)排土場形成2 個變形區(qū)域，為高段單臺階排土區(qū)域和坡腳排土場底板變形區(qū)域。爆破震動作用下內(nèi)排土場位移云圖如圖4，爆破震動在坡腳排土場形成變形區(qū)域，這樣直接影響排土場第一級排土臺階安全，若增大爆破震動強(qiáng)度或爆破次數(shù)，在長期爆破影響下將擴(kuò)變形區(qū)域，造成傾斜基底的滑動變形。同時，爆破震動減小高段排土場單臺階水平變形范圍。

圖4 爆破震動作用下內(nèi)排土場位移云圖

而邊坡在爆破動載荷作用下高段單臺階排土場邊坡安全系數(shù)出現(xiàn)變化，隨震動時間的持續(xù)，邊坡穩(wěn)定性出現(xiàn)波動變化；邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律與震動規(guī)律一致，隨爆破震動的起伏而變動。爆破震動與邊坡安全系數(shù)變化關(guān)系如圖5。在爆破作用下邊坡出現(xiàn)瞬時穩(wěn)定性降低和增大現(xiàn)象，穩(wěn)定性最低為0.963、最大穩(wěn)定系數(shù)為1.027，穩(wěn)定性變化幅度在-3.7%～2.7%，坡腳長期或頻繁的爆破對排土場穩(wěn)定性將產(chǎn)生損傷，將減低邊坡穩(wěn)定性。

圖5 爆破波與排土場安全系數(shù)關(guān)系

3 傾斜基底排土場安全措施

1）在排土中合理設(shè)計(jì)排土順序，采用橫縱排土相互交替排土措施。

2）嚴(yán)格按邊坡設(shè)計(jì)進(jìn)行排土作業(yè)，嚴(yán)格控制排土臺階高度、坡面角，排土采用分層排土，逐層用壓實(shí)，增加排土密實(shí)度，使其達(dá)到邊坡穩(wěn)定要求。

3）進(jìn)行邊坡巡查、及時發(fā)現(xiàn)裂縫、沉陷、塌落等滑動征兆。若遇不穩(wěn)定邊坡或發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，及時建立觀測線（網(wǎng)），并定期進(jìn)行觀測。對不穩(wěn)定地段采取設(shè)立明顯標(biāo)志，嚴(yán)禁設(shè)備及人員進(jìn)入或停留。

4）委托科研單位做邊坡的穩(wěn)定性分析，制定治理方案。

5）雨季前，邊坡頂部出現(xiàn)裂縫地段及時充填，防止雨水流入。

6）在下部采煤過程中，嚴(yán)格控制爆破強(qiáng)度，布置預(yù)裂爆破孔，減小震動對邊坡的影響。

7）合理安排車輛道路，禁止大型、重型車輛在排土場邊緣區(qū)域行駛。

4 結(jié)語

1）通過對現(xiàn)場振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，確定爆破震動主頻率在13.4～15 Hz，震動持續(xù)時間短，而震動速度變化幅度大；機(jī)械設(shè)備（車輛及電鏟）引起的振動持續(xù)時間長，而振動速度幅度變化小特征。爆破震動最大速度達(dá)到0.895 cm/s，是車輛及電鏟裝車振動速度的5～20，其中爆破震動與車輛振動在豎直方向相差倍數(shù)最小，均表現(xiàn)為豎直方向振動速度較大。

2）靜力作用下排土場在高段臺階形成單臺階滑動變形區(qū)域，水平方向上最大影響范圍為47 m，變形主要為排土物料內(nèi)部破壞，與邊坡安全穩(wěn)定性計(jì)算單臺階滑動結(jié)果相符。在坡腳動力作用下內(nèi)排土場形成兩個變形區(qū)域，為高段單臺階排土區(qū)域和坡腳排土場底板變形區(qū)域。爆破震動在排土場第一級排土臺階下部沿基地形成變形區(qū)域，同時，減小高段排土場單臺階水平變形范圍。

3）通過對爆破動載荷作用下高段單臺階排土場邊坡安全系數(shù)研究，隨震動時間的持續(xù)，邊坡穩(wěn)定性出現(xiàn)波動變化；在爆破作用下邊坡出現(xiàn)瞬時穩(wěn)定性降低和增大現(xiàn)象，變化幅度在-3.7%～2.7%，坡腳長期或頻繁的爆破對排土場穩(wěn)定性將產(chǎn)生損傷，將減低邊坡穩(wěn)定性。