礦山爆破開采對礦山高邊坡穩(wěn)定性的影響研究

鄧 敏

（中國葛洲壩集團易普力股份有限公司，重慶 401121）

目前，我國露天礦開采地質(zhì)條件和開采環(huán)境越來越復(fù)雜，凸顯了礦山高邊坡穩(wěn)定性問題。在露天開采工程中，礦山爆破憑借其高效和經(jīng)濟等優(yōu)勢，在邊坡礦體開挖中廣泛應(yīng)用。但是在礦山爆破開挖時，產(chǎn)生的震動會對礦體造成一定的破壞，不僅會弱化邊坡的抗力，還會將邊坡的應(yīng)力進行重新分布，大大降低了采區(qū)的穩(wěn)定性，對開采工程造成不利影響。

1 礦山爆破開挖具體方法

1.1 擬靜力法

擬靜力法被用于經(jīng)過礦震作用的邊坡穩(wěn)定性的分析，常被用來分析邊坡穩(wěn)定性。此方法的基本思想是簡化礦山爆破振動帶來的作用，將振動作用簡化成在水平方向以及豎直方向進行的穩(wěn)定加速度，并且將作用的位置設(shè)置在滑移體質(zhì)量中心上，在最不利于邊坡穩(wěn)定性的一個方向上選擇為加速度的方向。然后能夠根據(jù)相關(guān)原理，將動載荷轉(zhuǎn)換成效靜載荷，再使用極限平衡的理論能夠計算出爆破荷載影響下的安全系數(shù)。

1.2 動力有限元方法

使用動力有限元的方法進行邊坡安全系數(shù)的計算屬于一種數(shù)值的解法，能夠更加全面的滿足靜力許可和應(yīng)力應(yīng)變之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，是一種比較理想的邊坡穩(wěn)定性分析方法。對于不同的工程和地質(zhì)的邊坡，動力有限元方法能夠建立合適的數(shù)值分析，進行有關(guān)模型的計算，針對模型能夠展開線性分析，甚至還能開展非線性分析。對邊坡模型中的任意存在點，能夠給出該點受到礦山爆破動力荷載的影響之后做出的響應(yīng)，此外，還能得到邊坡體在礦山爆破動力荷載影響下，從第一刻到最終任一時間點的整體應(yīng)變、應(yīng)力及變形情況等。

1.3 極限分析法

極限分析法實質(zhì)上是使用塑性力學(xué)的定理對邊坡穩(wěn)定性中上限以及下限的解，根據(jù)下限定理指出的靜態(tài)許可應(yīng)力能夠負載的負荷不超過實際的破壞負載，且在任何時候，靜態(tài)許可應(yīng)力場都必須要滿足相關(guān)平衡方程以及應(yīng)力邊界的條件。而上限定理是說明破壞荷載常小于等于動態(tài)許可速度場的負載。在邊坡穩(wěn)定性的分析之中，使用極限分析法，將滑動體劃分成多個條塊，規(guī)定條塊的位移場，能夠使用平衡方程得出安全系數(shù)，這樣的上限方法只適用于在邊坡平移破壞中進行求解。如果將邊坡的滑移體分成含有傾斜界面的幾個條柱，在提出兩種假定條件的情況下，能夠?qū)O限分析法應(yīng)用在三維邊坡的分析中，減小誤差。

1.4 三維矢量和法

三維矢量和法的提出是基于抗滑安全系數(shù)，邊坡體在經(jīng)過了荷載作用情況下，滑動面能夠給出的極限抗滑力和滑動面之上的滑動力的比值，定義為抗滑安全系數(shù)，其中力的總和就是力的矢量和?；谑噶亢头ǎ瑢吰聞恿Φ姆€(wěn)定性展開研究，能夠更加真實的模擬邊坡在振動之中存在的動力特征，也能夠更加明確的得出邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。其中使用邊界元法能夠得到三維邊坡內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，再使用矢量合法進行分析，能夠得到計算安全系數(shù)的一種三維條分法[1]。

2 礦山爆破開挖對礦山高邊坡穩(wěn)定性實證分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性的分析

選擇某礦作為研究對象，分析礦山爆破開挖對其礦體邊坡穩(wěn)定性的影響。該礦在經(jīng)過多年開采之后，邊坡逐漸升高，很容易對礦山的正常開采造成影響。筆者構(gòu)建了該礦高邊坡的數(shù)值模型（如圖1），對其進行二維邊坡穩(wěn)定性，分析的結(jié)果顯示：研究區(qū)高邊坡存在兩處潛在滑移路徑。

然后，筆者對高邊坡進行爆破震動分析，選擇四個爆源，每個爆源處設(shè)置了三個監(jiān)測點，將監(jiān)測點與爆源的距離及爆孔的最大單段藥量進行記錄。同時在高邊坡區(qū)域設(shè)置了檢測系統(tǒng)，用于采集爆破之后，高邊坡在垂直方向及水平方向的頻率數(shù)據(jù)及峰值加速度，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

圖1 礦山開采區(qū)計算模型圖

最后，應(yīng)用二維矢量和法，在靜荷載狀況下，對礦山的高邊坡穩(wěn)定性進行分析，結(jié)果顯示：其中一處邊坡潛在滑面的抗穩(wěn)定安全系數(shù)是1.441；另一處安全系數(shù)是1.209.在礦山爆破作用下，其中一處邊坡潛在滑面的抗穩(wěn)定安全系數(shù)是1.250；另一處是1.142。和正常情況相比，均有所降低。通過擬靜力法和極限分析法對邊坡進行穩(wěn)定性分析，選擇最小安全系數(shù)作為分析結(jié)果。結(jié)果顯示，兩個邊坡潛在滑面的抗穩(wěn)定安全系數(shù)均大于一，表明邊坡仍舊處于穩(wěn)定狀態(tài)[2]。

2.2 保障高邊坡穩(wěn)定性的方法

通過上述實證可知，礦山爆破開挖會對高邊坡的穩(wěn)定性造成一定的影響，有關(guān)人員需采用相應(yīng)的措施，對開挖技術(shù)進行控制。有關(guān)人員可以通過降低震源能量或者避免礦震波的傳播這兩種方式，保障礦區(qū)高邊坡的穩(wěn)定性。具體而言，保障邊坡穩(wěn)定性的方法有以下幾種：

第一，分離并阻隔爆震波。礦山爆破產(chǎn)生的礦震波具有一定的破壞作用，所以有關(guān)人員需要分離并阻隔爆震波，降低礦震波的強度，保障高邊坡的穩(wěn)定性。工作人員會在高邊坡周圍的一定區(qū)域范圍內(nèi)，設(shè)置破碎帶或者裂縫，用于降低爆破震波的強度，降低爆破開挖對邊坡穩(wěn)定性造成的負面影響。

第二，采取分散裝藥方式。在實際的礦山爆破開挖過程中，震動強度只有達到固定值的時候，才會對高邊坡造成損害，致其失去穩(wěn)定性。工作可以采取分散裝藥的方式，降低震源的能量，避免爆破開挖對高邊坡造成不利影響。

第三，采取多段延時爆破方式。實踐研究表明，爆源附近震動的大小和單孔藥量聯(lián)系密切；與爆源一定距離范圍內(nèi)，震動的大小和單響藥量息息相關(guān)。要想保障高邊坡的穩(wěn)定性，有關(guān)人員需要降低單響的藥量，如采取多段延時礦山爆破的方式，提高起爆段數(shù)，減少單響的藥量，避免高邊坡受到震動效應(yīng)的影響[2]。

3 結(jié)論

礦山爆破開挖會對高邊坡穩(wěn)定性造成一定的影響，需要受到開采企業(yè)的重視。通過實驗得出，有關(guān)人員可以采用分離并阻隔爆震波、分散裝藥方式以及多段延時礦山爆破方式進行高邊坡的保護，避免邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)，保障礦山開采工程的順利進行，促進開采企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1]鐘龍.爆破震動作用下露天采場邊坡穩(wěn)定性分析[D].遼寧科技大學(xué),2014.

[2]袁強勇.試論礦山爆破開采對周圍地區(qū)建筑物的影響[J].山東工業(yè)技術(shù),2017(1):108-108.