爆破振動(dòng)對上游式尾礦壩安全的影響*

呂淑然 王冀飛

(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院)

尾礦庫是礦山重要生產(chǎn)設(shè)施，同樣也是人造具有高勢能的危險(xiǎn)源，當(dāng)庫容或壩高達(dá)到一定級別時(shí)則成為重大危險(xiǎn)源。尾礦庫的安全運(yùn)行直接關(guān)系到下游的工礦企業(yè)、居民人身財(cái)產(chǎn)的安全［1］。由于種種原因礦山尾礦庫緊鄰礦山采場而建，爆破振動(dòng)對尾礦庫的安全是否存在不利影響，如何評估爆破振動(dòng)影響，在實(shí)際生產(chǎn)中如何控制爆破振動(dòng)規(guī)模和爆破振動(dòng)強(qiáng)度，目前，我國《爆破安全規(guī)程》和《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》中均無相應(yīng)規(guī)定。因而，這一問題一直困擾著礦山企業(yè)和安全生產(chǎn)監(jiān)管部門，同時(shí)也是礦山科技工作者十分關(guān)心的熱點(diǎn)難點(diǎn)問題。

振動(dòng)用于處理砂土地基以及軟土地基基礎(chǔ)，防止砂土在地震作用下產(chǎn)生液化，這方面取得了大量研究成果［2-3］。對于尾礦庫抵抗天然地震研究資料十分豐富［4］，在《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》中也有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)可循。然而，對礦山采場爆破振動(dòng)對尾礦壩安全影響的研究十分少見。

1987年，金堆城鉬業(yè)公司與中國水利水電科學(xué)研究院協(xié)作，采用拋擲爆破加固該公司木子溝尾礦壩，爆破加固設(shè)計(jì)爆破振動(dòng)速度安全標(biāo)準(zhǔn)為9 cm/s，而實(shí)測右壩肩、壩頂和坡腳處垂直振動(dòng)速度達(dá)到21.87、11.3和19.72 cm/s，相當(dāng)于自然地震7度以上。尾礦庫灘面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為3.22～3.93 cm/s。從宏觀看，尾礦壩未出現(xiàn)垮塌、明顯位移和沉降，尾礦庫灘面未出現(xiàn)冒砂、噴砂等液化現(xiàn)象［5］。王安民、任生林［6］認(rèn)為，對于堆石壩，爆破振動(dòng)垂直質(zhì)點(diǎn)速度安全控制標(biāo)準(zhǔn)為6～8 cm/s，對于尾礦堆積壩，爆破振動(dòng)垂直質(zhì)點(diǎn)速度安全控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為3～4 cm/s比較合適。

本研究通過實(shí)測承德市某礦業(yè)公司采場爆破在其尾礦庫基礎(chǔ)壩處的振動(dòng)加速度，并以相關(guān)技術(shù)處理，以期得到爆破振動(dòng)對尾礦壩影響的安全判據(jù)。

1 尾礦庫及礦山采場簡介

承德市某礦業(yè)公司尾礦庫堆積壩高度為70.0 m，總壩高為88.0 m，尾礦堆積壩壩頂長約750 m，呈不規(guī)則折線形。尾礦庫全庫容為1 300萬m3。尾礦庫初級壩壩高18.0 m，壩頂寬約6.0 m，壩頂全長約166.0 m，外壩坡坡比1∶2.5，內(nèi)壩坡坡比1∶2.0。初期壩上下游坡腳處設(shè)置排滲棱體，壩基底部通過排滲盲溝將其連通。尾礦堆積壩的外壩坡比見表1。

礦山經(jīng)多年開采現(xiàn)已進(jìn)入封閉圈以下開采，采場南邦距尾礦庫初級壩最近距離為130 m。礦山采礦方式為露天臺(tái)階式開采，中深孔爆破，爆破規(guī)模在10～20 t，爆破方式為逐孔爆破技術(shù)，礦山采規(guī)模為1 500萬t/a。

表1 某礦業(yè)公司尾礦庫現(xiàn)狀尾礦堆積壩體外壩坡比

2 尾礦庫有限元模型

選取尾礦庫與采場距離最近且壩體的坡比最大的剖面，作為尾礦庫壩體穩(wěn)定最不利斷面，即只要此斷面滿足安全要求，則可認(rèn)為整個(gè)尾礦庫都處于安全狀態(tài)。為了較少計(jì)算負(fù)荷，且保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，模型長度為尾礦壩外坡面投影長的3倍長度，尾礦庫有限元幾何模型示見圖1。模型材料參數(shù)見表2。

圖1 尾礦庫有限元幾何模型

表2 模型材料參數(shù)

3 采場爆破振動(dòng)測試

有限元計(jì)算采用的爆破振動(dòng)波來自實(shí)際爆破作業(yè)過程中，在尾礦庫初期壩測得的最大垂直質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度信號(hào)的記錄數(shù)據(jù)如圖2所示，其幅值達(dá)到了0.067g，對應(yīng)的振動(dòng)速度為3.4 cm/s。

實(shí)測爆破振動(dòng)時(shí)對三向振動(dòng)加速度同時(shí)進(jìn)行了監(jiān)測。實(shí)測表明:采場爆破垂直振動(dòng)方向的振動(dòng)加速度遠(yuǎn)大于其他兩向振動(dòng)加速度，從量值上垂直振動(dòng)強(qiáng)度完全可表征整個(gè)爆破振動(dòng)強(qiáng)度。此外，《爆破安全規(guī)程》也以垂直質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為安全判據(jù)。因此，將以垂直振動(dòng)加速度作為爆破振動(dòng)載荷進(jìn)行加載。計(jì)算將實(shí)際爆破振動(dòng)波變幅后作為激勵(lì)加載到模型中，研究尾礦壩在不同爆破振動(dòng)強(qiáng)度下的動(dòng)力響應(yīng)。輸入爆破振動(dòng)激勵(lì)幅值為實(shí)測爆破振動(dòng)加速度最大幅值的1～8倍。

圖2 初級壩處加速度波形

4 有限元計(jì)算結(jié)果

4.1 安全系數(shù)分析

將實(shí)際爆破振動(dòng)波變幅后作為激勵(lì)加載到模型中，爆破振動(dòng)作用下尾礦壩動(dòng)力響應(yīng)首先反映在尾礦壩的抗滑穩(wěn)定性上，圖3為典型尾礦壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算圖。圖4為爆破振動(dòng)幅值與尾礦壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)間關(guān)系曲線。

圖3 尾礦壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)典型剖面

圖4 爆破振動(dòng)幅值變化與尾礦壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)間關(guān)系曲線

當(dāng)振動(dòng)加速度=0時(shí)，相當(dāng)于靜態(tài)情況下的安全穩(wěn)定系數(shù)，即無爆破振動(dòng)作用。由圖4可以看出，隨著振動(dòng)強(qiáng)度的加強(qiáng)，尾礦壩的安全穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)出先緩慢增大，當(dāng)爆破振動(dòng)幅值超過0.335g后，安全穩(wěn)定系數(shù)迅速降低。此時(shí)輸入5倍振動(dòng)強(qiáng)度時(shí)即加速度為0.335g，安全穩(wěn)定系數(shù)可達(dá)1.84，較無爆破振動(dòng)作用時(shí)安全穩(wěn)定系數(shù)增加了13%。而當(dāng)輸入振動(dòng)幅值達(dá)到0.53g時(shí)，安全穩(wěn)定系數(shù)降低到0.9，遠(yuǎn)低于《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定安全系數(shù)1.2。說明這樣的振動(dòng)速度尾礦庫則出現(xiàn)垮壩危險(xiǎn)。

由此可以認(rèn)為，較弱的爆破振動(dòng)，將有利于尾礦壩砂體排水、固結(jié)，使其抗滑穩(wěn)定系數(shù)提高。當(dāng)較強(qiáng)的爆破振動(dòng)作用尾礦壩時(shí)，尾礦壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)降低，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)液化或壩體出現(xiàn)垮塌、裂縫等破壞現(xiàn)象。

4.2 孔隙水壓力分析

爆破振動(dòng)作用下的尾礦壩動(dòng)力響應(yīng)還表現(xiàn)在砂體液化上，表征液化的主要參數(shù)為孔隙水壓。圖5為典型孔隙水壓力計(jì)算等值面云圖。

圖5 孔隙水壓力計(jì)算等值面云圖(單位:kPa)

圖6 為爆破振動(dòng)幅值與孔隙水壓力變化曲線。當(dāng)振動(dòng)加速度=0時(shí)是靜態(tài)情況下的最小孔隙水壓力。由圖4可以看出，整個(gè)曲線出現(xiàn)2個(gè)拐點(diǎn)。第1個(gè)拐點(diǎn)是由靜態(tài)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)時(shí)的孔隙水壓力迅速增加。當(dāng)振動(dòng)加速度由0.067g增加到0.268g時(shí)，即4倍加速度時(shí)，孔隙水壓力僅增加了0.1 kPa，孔隙水壓力變化不大。當(dāng)振動(dòng)加速度大于0.333g后，孔隙水壓力曲線變化顯著，當(dāng)達(dá)到8倍加速度即0.536g時(shí)，孔隙水壓力達(dá)到－202 kPa，相對1倍加速度時(shí)的空隙水壓力增加0.44%，相對加速度0.333g時(shí)，即5倍加速度時(shí)，孔隙水壓力增加0.7 kPa，增長率為0.35%。

圖6 孔隙水壓力的變化

4.3 剪切應(yīng)力分析

與液化對應(yīng)的是砂體的剪切力，圖7為典型最大剪切應(yīng)力計(jì)算等值面云圖。圖8為振動(dòng)加速度與最大剪切力關(guān)系曲線。

圖7 典型最大剪切應(yīng)力計(jì)算等值面云圖(單位:k Pa)

圖8 振動(dòng)加速度與最大剪切力關(guān)系曲線

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，剪切力是隨著振動(dòng)強(qiáng)度的加強(qiáng)而呈現(xiàn)先增大，而后逐漸減小的變化關(guān)系。拐點(diǎn)發(fā)生在4倍加速度，即0.266g，相應(yīng)振動(dòng)速度為13.6 cm/s。由孔隙水壓力與砂體剪切力關(guān)系可判斷液化是否發(fā)生，當(dāng)超孔隙水壓力與平均有效固結(jié)應(yīng)力之比大于0.8時(shí)，可認(rèn)為尾礦砂達(dá)到了初始液化的標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，剪切力的減小，對尾礦砂的穩(wěn)定性是不利的。

綜上所述，爆破振動(dòng)對尾礦壩安全影響是存在的，并且存在臨界值，當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度小于臨界值時(shí)，振動(dòng)對尾礦壩穩(wěn)定是有益的，當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度大于臨界值時(shí)，振動(dòng)對尾礦壩的穩(wěn)定和安全將構(gòu)成一定威脅。以承德市某尾礦庫為研究背景，通過有限元計(jì)算，綜合安全穩(wěn)定系數(shù)、孔隙水壓力和最大剪切應(yīng)力的變化，爆破振動(dòng)臨界加速度為0.266g，對應(yīng)的振動(dòng)速度為13.6 cm/s。若考慮應(yīng)留有3倍以上安全儲(chǔ)備量，則安全允許振動(dòng)加速度為0.089g，振動(dòng)速度為4.5 cm/s。

5 結(jié)論

(1)隨著振動(dòng)加速度的幅值不斷加大，尾礦壩的安全系數(shù)和尾礦砂剪切應(yīng)力均服從先增大后減小的變化趨勢?？够€(wěn)定系數(shù)拐點(diǎn)出現(xiàn)在加速度0.333g，而最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在0.266g，對應(yīng)質(zhì)點(diǎn)垂直振動(dòng)速度分別為13.6和17 cm/s時(shí)。對應(yīng)的孔隙水壓力也在加速度達(dá)到0.333g時(shí)開始快速增大。

(2)爆破振動(dòng)對尾礦壩安全影響存在臨界值，當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度小于臨界值時(shí)，振動(dòng)對尾礦壩穩(wěn)定是有益的，當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度大于臨界值時(shí)，振動(dòng)對尾礦壩的穩(wěn)定將是有害的。研究表明尾礦壩基礎(chǔ)壩處的爆破振動(dòng)臨界加速度為0.266g，對應(yīng)的振動(dòng)速度為13.6 cm/s。若留有3倍以上安全儲(chǔ)備量，則安全允許振動(dòng)加速度為0.089g，振動(dòng)速度為4.5 cm/s。這一爆破振動(dòng)允許安全速度判據(jù)對于類似尾礦庫也具有參考意義。

［1］ 王國華，段希祥，廟延鋼，等.國內(nèi)外尾礦庫事故及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)［J］.科技咨詢，2008(1):23-24.

［2］ 龔曉南.地基處理手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］ 俊 童，周 健，李進(jìn)軍.爆炸法加固飽和粉細(xì)砂地基的試驗(yàn)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，1(3):390-396.

［4］ 潘建平.尾礦壩抗震設(shè)計(jì)方法及抗震措施研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2007.

［5］ 劉浩元，王安民.爆破法固壩的震動(dòng)及液化反應(yīng)［J］.工程爆破，1997，3(3):65-68.

［6］ 劉浩元，任生林.爆破法加固高險(xiǎn)尾礦壩［J］.金屬礦山，1990(4):33-37.