爆破測振及位移監(jiān)測對邊坡的綜合控制研究*

李昌存 郭彥輝 王長軍 王世龍 謝 行

(1.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院;2.南芬露天鐵礦;3.本溪鋼鐵(集團)路橋建設工程有限公司)

礦山滑坡、崩塌及斜坡崩坍等災害每年使露天采礦工程多方面受害［1］。特別是隨著露天礦山的開采方式由山坡開采轉向凹陷開采，礦山邊坡的垂直高度不斷增加［2］，再加之礦山每天的爆破振動對邊坡體穩(wěn)態(tài)的影響，嚴重制約著礦山的安全可持續(xù)開采。雖然國內(nèi)外眾多學者對露天礦山邊坡穩(wěn)定性進行了許多探討，但還是有許多問題得不到有效處理，因此在礦山開采前和開采過程中，必須加強對采場邊坡的控制，實時掌握邊坡穩(wěn)態(tài)情況，以便對礦山采場采掘決策做出有效調(diào)整。

本研究基于本鋼集團南芬露天鐵礦工程實例，結合高精度、高靈敏度的爆破測振儀和地表位移監(jiān)測點對邊坡的綜合控制，對礦山實現(xiàn)24 h連續(xù)監(jiān)測，掌握邊坡穩(wěn)態(tài)特征，從而指導礦山采掘決策。

1 原理及規(guī)律分析

1.1 爆破振動測試原理

炸藥在爆破時，對圍巖會產(chǎn)生巨大的沖擊力，使周圍的巖石破壞甚至變成小碎塊，炸藥爆炸時的能量一部分破碎巖石，而另一部分則轉化成地震波通過巖體周圍各種介質(zhì)向著四周傳播［3-4］。爆破產(chǎn)生的地震波不僅種類多，而且它的傳播過程也非常繁瑣，再加上傳播介質(zhì)也不盡相同，所以，通過理論模型描述并計算爆破震動參數(shù)是很難做到的，而且其現(xiàn)實意義也不大。故而，許多工程通過現(xiàn)場測試，獲取每次爆破時產(chǎn)生的地震波時程曲線，再運用一些數(shù)學方法計算爆破震動參數(shù)及其衰減規(guī)律，進而求解震動對邊坡穩(wěn)定性的影響系數(shù)，判定影響程度。

1.2 爆破地震波衰減規(guī)律分析

爆破地震波在每個地層中的傳播過程是復雜的，其中影響地震波傳播及震動效應的因素也是很多的，例如炸藥的性能、裝填的藥量、裝藥的結構、起爆方式和爆破所處的地形地質(zhì)條件等等［5］。

(1)不考慮高差因素的振速衰減。分析爆破震動傳播規(guī)律，研究者們大多數(shù)利用質(zhì)點振速或加速度的最大值、炸藥藥量、相差距離等之間的相互關系來表示，現(xiàn)在國內(nèi)大部分學者采用由薩道夫分析總結出的經(jīng)驗公式，即

式中，β為高差因素影響指數(shù)，可據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸求得;R/S為斜距R和水平距離S之比，也就是高差影響基本系數(shù)。

運用多元回歸分析法，求出k、α、β值就可以得出爆破地震波的衰減經(jīng)驗公式。

1.3 位移監(jiān)測基本原理

礦山邊坡地表位移極坐標測量法是測量中一種比較實用也比較常用的觀測方法，它就是通過將儀器架設到己知坐標的穩(wěn)定點上，通過利用己知點來定向，觀測未知點的水平角、垂直角和斜距，通過這些觀測量和己知點數(shù)據(jù)來求得未知點的三維坐標，如圖1所示。

式中，V為質(zhì)點的最大振速，cm/s;Q為最大段藥量，kg;R為爆心距，m;k、α為場地影響系數(shù)，其數(shù)值經(jīng)回歸求得。

(2)考慮高差因素的振速衰減。在許多監(jiān)測地震波的工程實踐中發(fā)現(xiàn):監(jiān)測點正好在爆心上方時，高差因素的影響使該監(jiān)測點振動速度值偏大，高差數(shù)值過大時監(jiān)測點的振動速度變化值也會變得很明顯，并且偏離程度與高差成正比關系。而式(1)并沒有把高差因素對地震波的影響考慮其中，若把高差值嵌入式(1)中可得到

圖1 極坐標法原理

已知點 A、B 的坐標分別為 XA、YA、HA和 XB、YB、HB，未知點C的坐標假設為XC、YC、HC，則BA方向的方位角為

而BC的方位角為

那么C點的坐標可以計算出來:

式中，DBC為B、C兩點之間的平距，可以通過斜距L和垂直角θ來計算:

C點的高程可以通過三角高程的方法來求:

式中，Qh為儀器高;ah為棱鏡高度。

2 災害綜合控制實例

2.1 爆破監(jiān)測控制

為了對南芬露天鐵礦邊坡進行有效的災害控制，建立了完善的“危險邊坡爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由4臺爆破測振儀構成，其中3臺是TC－485系列。危險邊坡爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)對每天采場爆破振動場進行數(shù)據(jù)采集及曲線記錄、分析。選取2012年6月8日的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，對礦山下盤430 m臺階北側的32#監(jiān)測點進行了爆破振動數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示，監(jiān)測曲線如圖2所示。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖2 32#監(jiān)測點振動曲線

本次爆破32#測點振動速度最大值為0.081 cm/s，頻率6.547 Hz。按照《爆破振動安全允許標準》，本次爆破對鋼筋混凝土結構房屋及邊坡沒有太大影響，屬于安全允許振速范圍內(nèi)。但是其對邊坡穩(wěn)定性是否安全，還是一個未知數(shù)，地表微變形和內(nèi)部損傷程度不得而知，必須結合地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合系統(tǒng)分析。

2.2 地表位移監(jiān)測控制

2009年，南芬露天鐵礦引進TCA系列全自動全站儀，并建立了采場邊坡地表位移全自動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動完成測量周期、實時評價測量成果、實時顯示變形趨勢等智能化的功能，可24 h連續(xù)對監(jiān)測目標實施監(jiān)測。

為了獲取爆破前后危險邊坡巖體的變形特征，2010年在危險邊坡表面建立了多套地表位移監(jiān)測系統(tǒng)。選擇距離2012年6月8日爆破點最近的42#地表位移監(jiān)測點進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，圖3是430 m臺階南側的42#監(jiān)測點監(jiān)測曲線。

圖3 2012年42#監(jiān)測曲線

通過監(jiān)測曲線可以看出，工程爆破發(fā)生后，邊坡地表巖體發(fā)生了顯著的變形，歷時16 d，累計變形量達到1 000 mm。由于該區(qū)域2個月內(nèi)并未進行任何開采、擴幫和回采工程，因此可以判定本次顯著變化主要是由于附近工程爆破應力場產(chǎn)生的邊坡擾動。按照齋藤理論，將42#監(jiān)測點演變過程劃分為3個階段，具體描述如下:

(1)穩(wěn)定階段(A－B)，此階段歷時約為40 d，累計位移增長小于10 mm。

(2)加速突變階段(B－C)，約為10 d，在較短時間內(nèi)發(fā)生較大的位移變化，累計位移增長650 mm，主要原因是由于工程爆破引起。

(3)減速上升階段(C以后)，此階段一直持續(xù)到2012年6月24日，上升速率明顯減慢，邊坡巖體內(nèi)部力學達到另一個平衡點。這證明爆破振動應力波對南芬露天鐵礦綠泥角閃片巖邊坡的影響期為15 d左右。

3 結論

(1)南芬露天鐵礦爆破振動監(jiān)測和地表位移監(jiān)測技術從某種程度上為露天礦山掌握邊坡穩(wěn)定性的演變特征提供了科學依據(jù)。

(2)南芬露天鐵礦42#點地表位移監(jiān)測結果表明，爆破測振技術和地表位移監(jiān)測技術的聯(lián)合適用可靠性強、監(jiān)測精度高、操作簡便、值得在露天礦邊坡變形監(jiān)測領域中廣泛推廣。

(3)根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以判定針對南芬露天礦這種特殊的綠泥角閃巖邊坡巖體，爆破振動應力波的影響周期為15 d左右。

(4)由于地表位移監(jiān)測分析具有一定的滯后性，因此應當利用中國礦業(yè)大學(北京)何滿潮教授研究團隊研發(fā)的滑動力遠程監(jiān)測系統(tǒng)進行綜合分析，以便得到爆破發(fā)生前后邊坡巖體變形破壞時的內(nèi)部力學損傷演變特征，實現(xiàn)真正意義上的災害綜合控制。

［1］ 喬 蘭，李 遠.露天礦山高陡邊坡變形破壞的工程地質(zhì)模型［J］. 北京科技大學學報，2004，26(5):461-464.

［2］ 寇明遙，王永智.露天礦滑坡控制技術的應用與研究［J］.甘肅冶金，2010，32(1):24-27.

［3］ 鄭 曉，李萬斌，周益龍，等.紫金東坪金礦的爆破震動測試與研究［J］. 采礦技術，2010，10(4):121-123.

［4］ 練友紅，王先義，何 剛，等.爆破振動信號的頻譜分析［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2004，31(1):49-52.

［5］ 王振軍.爆破振動測試在某鈾礦床井下深孔爆破中的應用［J］. 鈾礦冶，2010，29(4):177-180.