某礦露天殘采爆破振動(dòng)對(duì)臨近尾礦壩穩(wěn)定性的影響分析

羅濤， 石文芳， 何文， 許楊東， 陳承

（江西理工大學(xué),a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州341000）

某礦露天殘采爆破振動(dòng)對(duì)臨近尾礦壩穩(wěn)定性的影響分析

羅濤a，b， 石文芳a，b， 何文a，b， 許楊東a，b， 陳承a，b

（江西理工大學(xué),a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州341000）

某礦尾礦壩正準(zhǔn)備二期擴(kuò)容工程，附近有露天殘采爆破作業(yè)，為分析該爆破振動(dòng)對(duì)現(xiàn)階段及二期擴(kuò)容后尾礦壩穩(wěn)定性的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破測(cè)振結(jié)果，擬合庫(kù)區(qū)間爆破振動(dòng)最大振速公式，計(jì)算分析庫(kù)區(qū)距震源最近處的最大振速是否滿足《爆破安全規(guī)程》要求，并采用Geo-Studio巖土軟件中Quake/W和Slope/W模塊，分別對(duì)現(xiàn)階段及二期擴(kuò)容后尾礦壩動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算.計(jì)算結(jié)果表明：該尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)距爆源最近處的最大振速2.344 cm/s，小于《爆破安全規(guī)程》中允許的標(biāo)準(zhǔn)值，滿足安全規(guī)程要求；現(xiàn)階段尾礦庫(kù)剖面1、2在爆破振動(dòng)下的最小安全系數(shù)分別為1.273和1.471，二期分別為1.267和1.473，均大于《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的最小安全系數(shù)，符合安全規(guī)程，尾礦庫(kù)二期擴(kuò)容工程是可行的.

尾礦壩；二期擴(kuò)容；爆破振動(dòng)；Geo-Studio；最小安全系數(shù)

我國(guó)是一個(gè)礦業(yè)大國(guó)，目前每年的尾礦排放量至少在6億t以上，除小部分作為礦山充填或綜合利用外，絕大部分要堆存于尾礦庫(kù).尾礦庫(kù)的正常運(yùn)行，不僅關(guān)系到一個(gè)礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且與庫(kù)區(qū)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)及周邊環(huán)境息息相關(guān)，壩體一旦潰堤，對(duì)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，也將給企業(yè)帶來(lái)不可估量的損失[1].因此，對(duì)于尾礦壩的穩(wěn)定性分析有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.

露天殘礦開采在尾礦壩附近的情況較少，其爆破作業(yè)對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的可能性較大[2-3].在爆破作業(yè)的同時(shí)，尾礦庫(kù)擴(kuò)容加高的二期工程，也必須開展尾礦壩的穩(wěn)定性分析.一旦壩體破壞滑裂，將會(huì)造成嚴(yán)重的損失，影響尾礦庫(kù)二期擴(kuò)容工程的順利進(jìn)行[4].因此，進(jìn)行露天殘采爆破振動(dòng)對(duì)臨近尾礦壩穩(wěn)定性的影響研究，對(duì)尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行和二期擴(kuò)容工程有著重要的指導(dǎo)意義.

目前，尾礦壩穩(wěn)定性分析計(jì)算中常用的方法是有限元極限平衡法[5].此方法能較好地結(jié)合有限元應(yīng)力分析方法和極限平衡法的特點(diǎn)，由彈塑性有限元分析手段，結(jié)合整體的應(yīng)力場(chǎng)的影響，隨后以優(yōu)化搜索方法確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置及其安全系數(shù).有限元極限平衡法理論體系嚴(yán)密，計(jì)算效率高，是尾礦壩壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要手段[6-8].

本文以某尾礦庫(kù)為例，在現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)階段和二期擴(kuò)容后尾礦壩進(jìn)行了動(dòng)力穩(wěn)定性計(jì)算和分析，以驗(yàn)證其是否符合相關(guān)規(guī)程.

1 某礦尾礦庫(kù)概況

該尾礦庫(kù)初期壩為透水堆石壩，是在水庫(kù)大壩基礎(chǔ)上改建而成，外坡及頂面則采用石英片巖鋪面，壩高29.4 m，壩頂標(biāo)高160 m，壩頂寬度4.0 m，上游坡比1∶1.5，下游坡比1∶1.65.后期堆積壩采用尾礦上游式堆筑而成.現(xiàn)階段堆積壩外坡平均坡比為1∶4.63，每3 m設(shè)一級(jí)馬道，壩面上鋪設(shè)了約0.40 m厚的黏性土層，并種植了植被.庫(kù)內(nèi)尾砂灘頂標(biāo)高為205 m，尾礦堆積壩高45 m.尾礦庫(kù)由左右兩條狹長(zhǎng)的V字形山谷組成，走向由東向西，地勢(shì)從南往北由高變低，溝口高程為152 m左右，左溝位于庫(kù)區(qū)南部，溝長(zhǎng)約900 m，周圍均是原始林地；右溝位于庫(kù)區(qū)北部，溝長(zhǎng)約850 m，其北側(cè)為該礦露天殘采礦點(diǎn).

根據(jù)該礦尾礦庫(kù)二期擴(kuò)容工程設(shè)計(jì)，二期工程的筑壩方式依然采用上游式尾礦堆壩，從堆積標(biāo)高210 m開始，壩軸線往庫(kù)內(nèi)平移10 m，每3 m設(shè)置一條馬道，馬道寬2.5 m，平均外坡坡比約1∶4.67，堆積壩外坡覆人工填土0.3～0.5 m厚.右溝最終堆積標(biāo)高225 m，左溝最終堆積標(biāo)高240 m.

2 爆破測(cè)振試驗(yàn)

爆破振動(dòng)測(cè)試采用BlastMateⅢ型測(cè)振儀，可以采集P、SV及SH 3種振動(dòng)體波，爆破測(cè)振布置見(jiàn)圖1，其中剖面1、剖面2分別代表尾礦庫(kù)的右溝和左溝剖面.測(cè)振儀布置基本與爆源呈直線，且?guī)靺^(qū)測(cè)點(diǎn)布置在2個(gè)計(jì)算剖面上，以便將相應(yīng)剖面上的爆破振動(dòng)信號(hào)用于后期尾礦壩穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算.

圖1 爆源及測(cè)振儀布置平面圖Fig.1 Plan of explosion source and vibrometer layout

本次爆破方式為中深孔爆破，孔深約10 m，每次爆破測(cè)試布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，共進(jìn)行3次測(cè)試.測(cè)振儀與爆源及測(cè)振儀與測(cè)振儀之間間隔一定距離，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)由手持式GPS儀衛(wèi)星定位獲取，并以皮尺測(cè)距加以校核.其中4、5測(cè)點(diǎn)分別布置在剖面1、剖面2上.

爆破振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)完成后，導(dǎo)出測(cè)振數(shù)據(jù)，得到測(cè)點(diǎn)振動(dòng)最大合成速度，結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 爆破測(cè)振結(jié)果Table 1 Blasting vibration results

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011），爆破振動(dòng)最大振速（薩道夫斯基公式）公式為：

式（1）中：Q為炸藥量（kg），R為爆源至測(cè)點(diǎn)間距離（m），K和α為與爆破點(diǎn)地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù).

利用最小二乘法，采用表1中的測(cè)振數(shù)據(jù)擬合式（1）中的待定參數(shù)K和a，結(jié)果為K＝107.32，α＝1.376.所以露天殘采爆源至尾礦庫(kù)區(qū)間的爆破振動(dòng)最大振速公式為：

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，露天殘采采礦點(diǎn)距離現(xiàn)階段及二期擴(kuò)容后尾礦壩最近處約110 m，根據(jù)式（2），計(jì)算得到單段藥量最大為332 kg時(shí)的爆破，最近處質(zhì)點(diǎn)振速為2.344 cm/s.尾礦壩作為工業(yè)建筑物，查詢《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011），振動(dòng)主頻在10～50 Hz時(shí)爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)為3.5～4.5 cm/s.因此計(jì)算得到的質(zhì)點(diǎn)振速小于標(biāo)準(zhǔn)值范圍，露天殘采爆破滿足安全規(guī)程要求.

3 爆破振動(dòng)對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破測(cè)振試驗(yàn)，進(jìn)一步結(jié)合數(shù)值模擬方法開展爆破振動(dòng)對(duì)尾礦壩壩體穩(wěn)定性的影響模擬與分析.

3.1 計(jì)算模型

3.1.1 物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該礦尾礦庫(kù)勘察報(bào)告，選取的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters

3.1.2 邊界條件

該尾礦庫(kù)模型的邊界條件包括位移邊界條件和水位邊界條件.其中位移邊界條件為模型兩側(cè)的水平位移約束和底部的黏滯約束；水位邊界條件為壩體浸潤(rùn)線[9-11]位置.為了解壩體內(nèi)浸潤(rùn)線的位置和變化情況，設(shè)置了浸潤(rùn)線人工觀測(cè)孔進(jìn)行定期觀測(cè)，根據(jù)長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)資料以及人工觀測(cè)孔與剖面的相對(duì)位置，從而確定剖面的浸潤(rùn)線埋深，見(jiàn)表3.

表3 不同標(biāo)高處的浸潤(rùn)線埋深Table 3 Depth of phreatic line

3.1.3 模型建立

根據(jù)計(jì)算剖面、邊界條件與材料物理力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用巖土軟件Geo-Studio建立的現(xiàn)階段尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算模型見(jiàn)圖2、圖3.

圖2 剖面1計(jì)算模型Fig.2 Computational model of section 1

圖3 剖面2計(jì)算模型Fig.3 Computational model of section 2

根據(jù)該礦尾礦庫(kù)二期擴(kuò)容工程設(shè)計(jì)資料，建立的二期擴(kuò)容后尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算模型見(jiàn)圖4、圖5.

圖4 二期剖面1計(jì)算模型Fig.4 Computational model of section 1 in stageⅡ

圖5 二期剖面2計(jì)算模型Fig.5 Computational model of section 2 in stageⅡ

3.2 爆破振動(dòng)信號(hào)

數(shù)值計(jì)算采用Geo-studio有限元軟件的動(dòng)力學(xué)Quake/W模塊.計(jì)算時(shí)由于爆源在剖面線的正北方，第1次爆破的單段炸藥量最大，因此，主要考慮第1次爆破測(cè)得的SH波（方向垂直于壩體）和SV波（方向平行于壩體）對(duì)壩體的影響[12-15].

其中兩剖面測(cè)振點(diǎn)處的爆破振動(dòng)信號(hào)用于現(xiàn)階段和二期擴(kuò)容后尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算.其露天爆破在2個(gè)剖面測(cè)振點(diǎn)處的振動(dòng)波形見(jiàn)圖6、圖7.

圖6 剖面1處SH、SV波振動(dòng)波形Fig.6 Vibration waveform of SH and SV wave in section 1

圖7 剖面2處SH、SV波振動(dòng)波形Fig.7 Vibration waveform of SH and SV wave in section 2

3.3 爆破振動(dòng)對(duì)現(xiàn)階段尾礦壩穩(wěn)定性的影響分析

圖6、圖7中的爆破振動(dòng)波形以不同速度的形式加載至現(xiàn)階段尾礦庫(kù)剖面1、剖面2處.當(dāng)Quake/W動(dòng)力學(xué)模塊完成尾礦壩振動(dòng)計(jì)算后，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Geo-studio軟件的 Slope/W 模塊，采用 Newmark Deformation方法計(jì)算分析尾礦壩的穩(wěn)定性，得到現(xiàn)階段尾礦壩振動(dòng)安全系數(shù)隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖8、圖9.

圖8 剖面1安全系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.8 Changes of safety factor of section 1 vs time

圖9 剖面2振動(dòng)安全系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.9 Changes of safety factor of section 2 vs time

由圖8、圖9可知，在爆破振動(dòng)情況下，現(xiàn)階段尾礦庫(kù)剖面1的最小安全系數(shù)為1.273，剖面2的最小安全系數(shù)為1.471.

3.4 爆破振動(dòng)對(duì)二期擴(kuò)容后尾礦壩穩(wěn)定性的影響分析

同樣以圖6～圖7中的爆破振動(dòng)波形以不同速度的形式加載至二期擴(kuò)容后尾礦庫(kù)剖面1、剖面2處.模擬計(jì)算方法與現(xiàn)階段尾礦壩穩(wěn)定性分析一致，得到二期擴(kuò)容后尾礦壩振動(dòng)安全系數(shù)隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖10、圖11.

圖10 二期剖面1振動(dòng)安全系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.10 Changes of safety factor of section 1 vs time in stageⅡ

圖11 二期剖面2振動(dòng)安全系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.11 Changes of safety factor of section 2 vs time in stageⅡ

由圖10、圖11可知，在爆破振動(dòng)情況下，二期擴(kuò)容后尾礦壩剖面1的最小安全系數(shù)為1.267，剖面2的最小安全系數(shù)為1.473.

由上述剖面安全系數(shù)隨時(shí)間變化圖可知，尾礦庫(kù)的安全系數(shù)隨爆破振動(dòng)時(shí)間發(fā)生明顯變化；剖面2比剖面1距爆源較遠(yuǎn)，其安全系數(shù)隨爆破振動(dòng)時(shí)間的變化趨勢(shì)逐漸趨于穩(wěn)定.因此，爆破振動(dòng)對(duì)尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性有著顯著的影響；爆破振動(dòng)對(duì)尾礦庫(kù)的影響時(shí)間與距爆源的距離有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，影響時(shí)間越短.

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)該礦尾礦庫(kù)相關(guān)資料可知，現(xiàn)階段尾礦壩屬于三級(jí)壩，二期擴(kuò)容尾礦壩屬于二級(jí)壩.參考《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》[16]（AQ2006-2005），按瑞典圓弧法計(jì)算尾礦壩抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)不應(yīng)小于表4規(guī)定的數(shù)值.

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)Table 4 Minimum safety factor of stable dam against sliding

計(jì)算結(jié)果可知，在爆破振動(dòng)情況下，現(xiàn)階段尾礦庫(kù)右溝1剖面和左溝2剖面的最小安全系數(shù)分別為1.273和1.471，二期擴(kuò)容后尾礦庫(kù)右溝1剖面和左溝2剖面的最小安全系數(shù)為1.267和1.473，均大于《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的最小安全系數(shù)，符合安全規(guī)程.

4 結(jié) 論

1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破測(cè)試結(jié)果，利用薩道夫斯基公式回歸得到相應(yīng)的K和α，計(jì)算得到爆源距尾礦壩最近處質(zhì)點(diǎn)最大振速為2.344 cm/s，小于《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011）中相應(yīng)該尾礦庫(kù)的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)范圍3.5～4.5 cm/s，露天殘采爆破滿足規(guī)程要求.

2）爆破振動(dòng)對(duì)尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性有著顯著的影響；爆破振動(dòng)對(duì)尾礦庫(kù)的影響時(shí)間與距爆源的距離有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，影響時(shí)間越短.

3）露天殘采爆破振動(dòng)對(duì)現(xiàn)階段尾礦壩穩(wěn)定性的影響分析表明，尾礦壩穩(wěn)定性最小安全系數(shù)大于《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的最小安全系數(shù)，符合安全規(guī)程，尾礦庫(kù)可以安全運(yùn)行.

4）露天殘采爆破振動(dòng)對(duì)二期擴(kuò)容后尾礦壩穩(wěn)定性的影響分析表明，尾礦壩穩(wěn)定性最小安全系數(shù)大于《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的最小安全系數(shù)，符合安全規(guī)程.說(shuō)明該尾礦庫(kù)二期的擴(kuò)容工程是可行的.

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Effect of open-pit blasting vibration on the stability of a vicinal tailings dam

LUO Taoa,b,SHI Wenfanga,b,HE Wena,b,XU Yangdonga,b,CHEN Chenga,b
（a.School of Resources and Environment Engineering；b.Key Laboratory of Mining Engineering，Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

This paper studies the effect of the open-pit blasting vibration on the stability of a vicinal tailings dam,whose capacity is to be expanded by calculating the largest range of blasting vibration velocity vibration library formula according to the site blasting vibration measurement results.We calculated and analyzed the largest velocity in the closest point to the explosive source to determine whether it satisfied the blasting safety regulations.The Quake/W and Slope/W module of geotechnical software Geo-Studio were applied to simulate the dynamic stability of the tailings dam at the present stage and the second phase expansion stage. Calculation results show that the maximum velocity at the closest point to the explosive source is 2.344 cm/s，which is lower than the allowed values in blasting safety regulations.The minimum safety factors of tailings dam at the present stage under blasting vibration are 1.273 and 1.471.The minimum safety factors of the second stage are 1.267 and 1.473.They are greater than the specified minimum safety factor in the tailings safety technical regulations.This paper illustrates that the open-pit blasting vibration has no effect on the stability of near tailings dam,and the second phase expansion project is feasible.

tailings dam;the second phase expansion;blasting vibration;Geo-Studio;minimum safety factors

TD325.4

A

1674-9669（2015）05-0102-06

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.05.019

2015-03-31

江西省科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（20141BBG70097）；江西省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心開放基金項(xiàng)目（2013GGY001）

羅濤（1990- ），男，碩士研究生，主要從事巖石力學(xué)與工程方面的研究，E-mail：1064430029@qq.com.

何文（1981- ），男，博士，副教授，主要從事礦山巖土工程測(cè)試技術(shù)及巖體穩(wěn)定性分析方面的研究，E-mail：herman3@163.com.