爆破震動(dòng)對(duì)大平掌礦高邊坡穩(wěn)定性影響研究

賀明貴

【摘 要】露天礦邊坡穩(wěn)定性與否直接影響到礦山的正常生產(chǎn)設(shè)備、人員的安全及礦山的經(jīng)濟(jì)效益。邊坡的穩(wěn)定性在很大程度上受生產(chǎn)爆破及靠幫爆破的影響，爆破震動(dòng)使邊坡巖體松動(dòng)破裂甚至?xí)斐蛇吰绿?，因此，研究爆破震?dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并提出切實(shí)可行的降震措施具有十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】大平掌露天礦；爆破震動(dòng)；邊坡穩(wěn)定性

1.選題的依據(jù)和意義

露天礦邊坡穩(wěn)定與否直接影響到礦山的正常生產(chǎn)設(shè)備、人員的安全及礦山的經(jīng)濟(jì)效益。邊坡的穩(wěn)定性除受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面、地下水的影響外。在很大程度上也受礦山生產(chǎn)爆破及靠幫爆破的影響。爆破地震波使邊坡巖體松動(dòng)破裂，在邊坡巖體處于極限平衡狀態(tài)下，一旦爆破藥量過大，爆破參數(shù)選擇不合理時(shí)，很可能誘發(fā)邊坡巖體失穩(wěn)，造成邊坡滑動(dòng)破壞。大量的研究證明，爆破動(dòng)力的影響，可使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低l0%；如靠幫爆破最大一段炸藥量較大時(shí)，可使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低15-20%。邊坡在承受爆破震動(dòng)力作用時(shí)，坡體中潛在的滑體會(huì)附加一慣性力，使?jié)撛诨w的下滑力增大。此外，爆破會(huì)使邊坡巖體產(chǎn)生大量的微裂紋，降低巖體的強(qiáng)度和抗滑力，這樣就會(huì)使邊坡穩(wěn)定性逐漸變差。尤其對(duì)高陡邊坡和地質(zhì)條件及巖體強(qiáng)度較差的邊坡地段，當(dāng)爆破震動(dòng)達(dá)到一定值時(shí)，邊坡就會(huì)產(chǎn)生局部坍塌甚至整體滑坡。因此在研究露天礦邊坡穩(wěn)定性時(shí)必須考慮爆破震動(dòng)對(duì)邊坡的影響。

大平掌露天礦位于云南普洱市，為中型銅礦業(yè)基地，目前露天礦東南部邊坡高度隨著采礦延伸近200m。礦山服務(wù)年限14年。大平掌銅礦目前東南幫設(shè)計(jì)最終幫坡角42°19′12″。但由于巖石破碎，表面土層厚度大， 開采的臨時(shí)幫坡角為32°。來來蓄成的邊坡高度將達(dá)400多米，屬大型深凹露天礦邊坡。2011年初，東南部邊坡局部出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。2011年9月份，發(fā)生了大范圍的變形破壞， 變形邊坡長(zhǎng)度走向大于800m，危害整個(gè)東南幫，臺(tái)階自1100～1300m均有不同程度的嚴(yán)重滑塌、張拉、沖刷破壞。根據(jù)積累的滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，水平位移和垂直位移均超過1m，局部地方位移超過2.5m，即使在雨季過后，位移量也在發(fā)生變化，大平掌銅礦東南幫邊坡變形破壞已經(jīng)嚴(yán)重地影響了采場(chǎng)的正常生產(chǎn)和安全作業(yè)，查明其破壞規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行綜合治理勢(shì)在必行。

2.爆破震動(dòng)理論研究

2.1爆破震動(dòng)判據(jù)參數(shù)研究

邊坡穩(wěn)定性研究中，主要是用質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度來評(píng)價(jià)振動(dòng)強(qiáng)度的大小。質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度大小與裝藥量、測(cè)點(diǎn)距爆源的距離、介質(zhì)特性、裝藥結(jié)構(gòu)等許多因素有關(guān)。目前計(jì)算震速的常用經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：V一質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度，cm/s；

Q一裝藥量，齊發(fā)爆破時(shí)取總裝藥量，微差爆破時(shí)取最大一段的裝藥量，kg；

R一爆源中心至測(cè)點(diǎn)間的水平距離，m；

K一與土巖性質(zhì)，地質(zhì)條件，爆破方法等有關(guān)的系數(shù)；

a一爆破地震隨距離增加而衰減的系數(shù)。

2.2震動(dòng)持續(xù)時(shí)間對(duì)爆破震動(dòng)強(qiáng)度的影響

除了常用上參數(shù)作為判定爆破震動(dòng)的強(qiáng)度外，爆破震動(dòng)持續(xù)時(shí)間也同樣是需要考慮的重要因素，爆破震動(dòng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，其危害性裁越大。爆破地震波持續(xù)時(shí)間主要取決于爆破條件（裝藥方式、引爆方式、傳播介質(zhì)）。

3.大平掌露天礦爆破工藝

3.1露天采場(chǎng)最終邊坡地質(zhì)條件

大平掌礦露天采場(chǎng)邊坡主要分布情況：西南幫和東北幫主要出露在流紋斑巖中；西北幫和東南幫以1100m標(biāo)高為界，上部為英安巖，下部為流紋斑巖；東南幫1260-1300出露部分第四系殘坡積物；最終邊坡地層出露情況見圖3-1、3-2、3-3。

從以上分析可知：①露天采場(chǎng)最終邊坡出露的巖石主要英安斑巖和流紋巖。流紋巖被硅質(zhì)膠結(jié)，硅化強(qiáng)，巖石堅(jiān)硬，抗剪抗壓強(qiáng)度高；英安巖致密堅(jiān)硬、節(jié)理欠發(fā)育，具有較好的抗壓強(qiáng)度。因此，從總體上來看，露天采場(chǎng)最終邊坡通過的地層巖石堅(jiān)硬，穩(wěn)固性好。②地層的產(chǎn)狀和露天邊坡的關(guān)系為：東北方向邊坡與巖層產(chǎn)狀逆向，西北和東南方向邊坡地層近水平斜截邊坡，西南方向邊坡整體為流紋巖。從地層的產(chǎn)狀和露天邊坡的關(guān)系來看，不會(huì)在地層分界部位形成滑移面。③地表有部分第四系殘坡積物出露高度不大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不大。

3.2爆破參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)基本情況

（1）爆破孔網(wǎng)參數(shù)：

底盤抵抗線

式中d——炮孔直徑，dm；

A——裝藥密度，kg/m3；

B——裝藥系數(shù)，0.6-0.8；

M——炮孔密集系數(shù)；

q——單位炸藥消耗量，kg/m3。

在滿足安全和裝藥條件的前提下按經(jīng)驗(yàn)選取，參考經(jīng)驗(yàn)公式：

Wd=（25-45）d

式中，Wd——底盤抵抗線，m；

d——鉆孔直徑，m。

兩個(gè)公式綜合考慮，確定Wd=4m。

孔距a、排距b

W=sin&Wd;=（0.7-0.9）Wd

孔距a=bm

式中，a——炮孔間距，m；

b——排距，m；

m——炮孔密集系數(shù)，1-2。

由于大平掌礦山存在兩種性質(zhì)不同的礦石，因此確定了不同的孔距和排距，V1礦石由于是致密塊狀結(jié)構(gòu)，硬度大，在確定排距時(shí)小于底盤抵抗線，經(jīng)過計(jì)算與實(shí)際效果對(duì)比，排距取值為3m，孔距取值為3.5m。

V2礦石，以底盤抵抗線為排距，取值為4m，孔距為4.5m。

超深h其值按公式h=（10-15）d

式中， h——超深，m；

d——炮孔直徑，mm。

因?yàn)槌钸^大不僅浪費(fèi)鉆孔和炸藥，而且由于炸藥中心過低，會(huì)使臺(tái)階上部產(chǎn)生較多的大塊，且破壞下一臺(tái)階表面巖體的完整性，影響下一循環(huán)的穿孔作業(yè)，甚至造成塌幫，形成廢孔，經(jīng)過爆破效果確定超深取值為1.0m-1.5m。

堵塞長(zhǎng)度對(duì)于垂直炮孔l=（0.7-0.8）Wd

對(duì)于傾斜炮孔l=（0.8-0.9）Wd

其中深孔爆破要求大平掌銅礦爆破填塞不小于4米。

單位炸藥消耗量V1礦體的炸藥單位消耗量為0.67kg/m3；

V2礦體的單位炸藥消耗量為0.54kg/m3。

3.3一般微差爆破技術(shù)

大平掌露天礦目前主要采用導(dǎo)爆管實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)微差爆破。由于兩個(gè)自由面比一個(gè)自由面更有利于破碎巖石，因此起爆方式的選擇， 應(yīng)使先起爆點(diǎn)能利用或創(chuàng)造出兩個(gè)自由面，為后排炮孔的爆破破巖創(chuàng)造一個(gè)更有利的條件。當(dāng)爆區(qū)具備兩個(gè)自由面時(shí)，應(yīng)選擇斜線起爆方式，形成典型的大孔距小抵抗的大斜線起爆方案；當(dāng)爆區(qū)只有一個(gè)自由面時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇v型起爆方式，以在爆區(qū)中央先創(chuàng)造一個(gè)破碎區(qū)，使后排炮孔能在兩個(gè)自由面的環(huán)境下起爆；當(dāng)爆區(qū)僅有一個(gè)自由面且炮孔排數(shù)小于4排，可選擇排間起爆方式。但應(yīng)跳段使用低段別的毫秒雷管。當(dāng)一次爆破起爆爆孔數(shù)較多時(shí)，為控制最大段起爆藥量，需進(jìn)行分區(qū)起爆。

4.邊坡控制爆破

大平掌礦長(zhǎng)期頻繁的生產(chǎn)爆破使得邊坡巖體疲勞，松馳、強(qiáng)度降低，因而采取有效的邊坡控制爆破是很有必要的。

露天礦控制爆破的內(nèi)容主要包括如下三個(gè)方面：有效的預(yù)裂和光面爆破；有效地控制最大一段起爆藥量和總藥量；有效的控制爆破松動(dòng)帶厚度。

4.1預(yù)裂爆破

預(yù)裂爆破是沿設(shè)計(jì)臺(tái)階坡頂線打一排密集孔，炮孔傾角最好與設(shè)計(jì)臺(tái)階面一致，首先起爆，孔與孔之間首先拉通，形成一個(gè)沿設(shè)計(jì)坡面的破裂帶，將坡面前待爆巖體與背后固定幫巖體預(yù)先隔開，當(dāng)前方生產(chǎn)爆破孔爆破時(shí)，炸藥能量產(chǎn)生的地震應(yīng)力波遇到預(yù)裂的破碎帶界面，使應(yīng)力波產(chǎn)生反射，保護(hù)了背后邊幫巖體，使其受震害程度得以降低。

4.2光面爆破

光面爆破與預(yù)裂爆破的區(qū)別在于起爆順序的不同，對(duì)于鄰近邊坡的最后一排密集孔，光面爆破是最后起爆。大平掌露天礦目前在邊幫爆破時(shí)主要通過控制最大段起爆藥量來減小爆破對(duì)邊坡的破壞，在爆破時(shí)爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波直接作用于邊坡巖體，使一部分巖體破碎，邊坡一定范圍內(nèi)的巖體受到損傷，巖體內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂隙，邊坡巖體艇體強(qiáng)度降。針對(duì)大平掌露天礦的邊坡現(xiàn)狀，山水公司己認(rèn)識(shí)到事情的嚴(yán)重性，已購(gòu)買相應(yīng)鉆孔設(shè)備，在靠幫是采用預(yù)裂爆破和光面爆破。

4.3嚴(yán)格控制最大段段起爆藥量和總藥量

震動(dòng)測(cè)試表明，由爆破產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)峰值速度與微差爆破時(shí)最大段起爆藥量密切相關(guān)，因此為減少爆破震動(dòng)對(duì)邊坡的影響，特別是減少爆破震動(dòng)對(duì)邊坡的累積影響，必須保證每次爆破時(shí)使爆破震動(dòng)強(qiáng)度盡可能降為最小。在采用微差爆破時(shí)，應(yīng)增加雷管段別，分多段微差起爆，盡可能把單響藥量控制在800kg左右（兩個(gè)孔）。在控制最大段起爆藥量的同時(shí)，也必須控制一次爆破的總藥量，一般來說，總藥量越大，爆破震動(dòng)持續(xù)時(shí)間就越長(zhǎng)。針對(duì)大平掌目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀，一次爆破總藥量控制在10t以下比較適宜。

5.邊坡減震措施

通過爆破震動(dòng)對(duì)大平掌露天礦邊坡影響分析，并結(jié)合露天礦目前的開采現(xiàn)狀，提出了一些行之有效的邊坡保護(hù)措施。通過現(xiàn)場(chǎng)爆破震動(dòng)測(cè)試、邊坡穩(wěn)定性計(jì)算以及露天礦巖質(zhì)邊坡內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)，作者認(rèn)為，爆破及爆破震動(dòng)對(duì)大平掌露天礦巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性主要影響因素如下：

（1）爆炸應(yīng)力波對(duì)巖質(zhì)邊坡的直接作用。由于在靠幫時(shí)未能采用預(yù)裂和光面爆破來保護(hù)邊坡，且爆破鉆孔孔徑大（250mm），爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波使得處于爆孔近區(qū)內(nèi)巖體破裂，靠近炮孔內(nèi)的大面積巖體損傷，強(qiáng)度降低，從而使接體邊幫穩(wěn)定性大大減小。

（2）爆破震動(dòng)和地下水的聯(lián)合作用。地下水是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素之一，邊坡體內(nèi)地下水的存在會(huì)軟化巖體，降低巖體強(qiáng)度，減小巖體的內(nèi)摩擦角。邊坡地下水靜壓力還會(huì)增大邊坡下滑力，當(dāng)高位地下水與爆破震動(dòng)聯(lián)合作用時(shí)，會(huì)大大降低露天礦的邊坡穩(wěn)定性。

（3）爆破震動(dòng)對(duì)大平掌露天礦巖質(zhì)邊坡的損傷累積效應(yīng)。在爆破荷載作用下巖石的動(dòng)態(tài)斷裂是一個(gè)連續(xù)損傷演化累積的過程，其損傷機(jī)制可歸結(jié)為巖石內(nèi)部微裂紋的動(dòng)態(tài)演化，巖石作為一種脆性損傷材料，存在著大量的微裂隙、微裂紋等缺陷，爆破對(duì)巖體基本質(zhì)量的影響和破壞過程是由于其內(nèi)部大量微裂紋的存在、長(zhǎng)大和貫穿而導(dǎo)致巖石宏觀力學(xué)性質(zhì)的劣化以至最終失效或破壞的過程。

由于生產(chǎn)的需要，大平掌露天礦頻繁的生產(chǎn)爆破（目前平均每天爆破1次）必將使得巖質(zhì)邊坡的微裂紋得以不斷發(fā)展，巖體強(qiáng)度下降，邊坡位移變形加快，從而影響到整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性。

6.總結(jié)

露天礦邊坡穩(wěn)定與否直接影響到礦山的正常生產(chǎn)設(shè)備、人員的安全及礦山的經(jīng)濟(jì)效益，而影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的因素是多方面的，爆破震動(dòng)是影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一。隨著露天礦開采深度的增加，邊坡受到爆破地震的影響與危害愈烈，這就要求對(duì)邊坡爆破震動(dòng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，以便研究爆破地震波在邊坡中的傳播規(guī)律，并且采取合適的評(píng)價(jià)參量和控制方法，達(dá)到對(duì)邊坡爆破振動(dòng)危害的有效減緩。本文針對(duì)大平掌露天礦邊坡現(xiàn)狀，從爆破震動(dòng)角度分析了爆破震動(dòng)對(duì)露天礦邊坡的影響，并提出了一些減小爆破震動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的措旋。

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