某鐵礦露天爆破振動(dòng)對鄰近尾礦壩穩(wěn)定性影響研究

鄭小龍，李海港*

(1. 江西省安全科學(xué)研究院，330000，南昌；2. 江西省安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究中心，330000，南昌)

0 引言

爆破工程技術(shù)廣泛應(yīng)用于露天礦山的剝離和開采中，但爆破所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)會(huì)影響采場四周鄰近建構(gòu)筑物的穩(wěn)定性[1-3]。當(dāng)露天爆破開采活動(dòng)逐漸逼近尾礦庫時(shí)，尾礦庫的穩(wěn)定性必然要考慮爆破振動(dòng)的影響，通過對爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)與分析，從而得到爆破振動(dòng)的強(qiáng)度和地震波的傳播規(guī)律，有效探究爆破振動(dòng)對尾礦庫穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而制定有效控制措施，減輕其帶來的危害，對礦山生產(chǎn)安全具有十分重要的工程意義。

近年來，不少學(xué)者就工程爆破對周邊建構(gòu)筑物穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，陳江[4]等研究了大跨度公路隧道爆破振動(dòng)對臨近高邊坡穩(wěn)定性的影響；鄒玉君[5]等通過長期爆破振動(dòng)監(jiān)測，評價(jià)了爆破振動(dòng)對周邊民房的影響，提出了降低房屋開裂風(fēng)險(xiǎn)的措施；宗琦[6]等通過對礦山深孔爆破和臨近建筑物巖石基坑開挖控制爆破進(jìn)行爆破振動(dòng)測試，對爆破振動(dòng)衰減規(guī)律進(jìn)行了探究，提出爆破優(yōu)化方案指導(dǎo)工程爆破施工；鄭明新[7]等通過現(xiàn)場爆破振動(dòng)測試和數(shù)值計(jì)算結(jié)合分析，探討了鐵路隧道的救援通道爆破開挖對臨近高鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響；曹蘭柱[8]等以理論分析與數(shù)學(xué)計(jì)算相結(jié)合，研究爆破振動(dòng)邊坡?lián)p傷模型，確定邊坡多次爆破振動(dòng)作用下的邊坡破壞時(shí)間和最危險(xiǎn)區(qū)域；李蕭翰[9]等運(yùn)用數(shù)值模擬，探究了炮孔周邊遠(yuǎn)、近處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)效應(yīng)的規(guī)律；張平[10]等通過數(shù)值模擬，對隧道穿越煤層爆破振動(dòng)影響圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；費(fèi)鴻祿[11]等通過實(shí)際工況模擬爆破試驗(yàn)研究爆破振動(dòng)衰減系數(shù)，為現(xiàn)場施工提出指導(dǎo)意見；汪日生[12]等對采空區(qū)爆破過程的振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，研究爆破振動(dòng)對周邊建筑物穩(wěn)定性的影響；趙學(xué)龍[13]等對采場正常生產(chǎn)爆破進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測，與利用預(yù)測公式計(jì)算爆破振動(dòng)的速度進(jìn)行對比分析，為采場擴(kuò)大爆破規(guī)模提供依據(jù)；傅倬[14]等對核電站臺階爆破進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測，得出水平方向爆破振動(dòng)和垂直方向的關(guān)系，為后期施工提供參考。由上述研究可知，爆破振動(dòng)對建構(gòu)筑物的影響得到廣泛研究，但露天爆破振動(dòng)對臨近尾礦庫穩(wěn)定性的影響研究成果相對較少。因此，探究露天礦開采爆破對一定區(qū)域范圍內(nèi)尾礦庫穩(wěn)定性的影響，具有重要的工程指導(dǎo)意義。

本文對臨近尾礦壩露天開采爆破進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，統(tǒng)計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)并與國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對比分析，判斷現(xiàn)有爆破對尾礦庫穩(wěn)定性的影響；利用薩道夫斯基公式對爆破振動(dòng)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，得出不同振速控制標(biāo)準(zhǔn)的距離與允許最大段藥量關(guān)系，從而提出爆破施工安全控制措施。在此基礎(chǔ)上，對爆破振動(dòng)作用下尾礦庫穩(wěn)定性影響進(jìn)行液化分析，為爆破工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某礦山尾礦初期壩與采礦爆破區(qū)域高程基本一致。評估區(qū)為該礦3號尾礦庫壩體，初期壩采用粘土堆砌，后期壩體采用土石壩。尾礦庫主壩曾經(jīng)過一次加高工程，加高工程采用廢石加高壩體，同時(shí)在壩前迎水面采用粘土斜墻防滲。

尾礦壩的壩頂高程為140.0 m，該尾礦壩在132.0 m及126.0 m高程上各設(shè)一級馬道，132.0 m高程上馬道寬2.5 m，126.0 m高程上的馬道寬10.0 m，126.0 m以下廢石壩坡為1:1.75。此尾礦庫主壩經(jīng)過一次加高工程，高程由132.0 m加高到140.0 m，加高工程采用廢石加高壩體，同時(shí)在壩前迎水面采用粘土斜墻防滲。粘土斜墻頂寬5.0 m，上游坡度1:2.5，斜墻與廢石壩體之間設(shè)置反濾層一道，由斜墻至廢石壩體反濾層為400 g/m2無紡?fù)凉げ家粚印⒋稚皩雍穸?5 cm、碎石層厚度15 cm。廢石壩體頂寬3.0 m，廢石壩體上游坡1:1.6，下游坡1:2.0。

如圖1所示，爆破點(diǎn)與尾礦壩之間水平距離大約在250～360 m范圍內(nèi)，且采空區(qū)已經(jīng)形成，露采區(qū)距離尾礦壩體最近距離在250 m左右。采空區(qū)形成了低洼的谷，給爆破振動(dòng)波的傳遞也起到減緩效果的作用。目前尾礦壩體抗震速度暫無單獨(dú)規(guī)程要求。因此，本次爆破振動(dòng)分析參考相關(guān)規(guī)定多方因素考慮，進(jìn)行最優(yōu)化處理。

(a)爆破現(xiàn)場 (b)各生產(chǎn)區(qū)布局

2 測試方法

爆破振動(dòng)現(xiàn)場監(jiān)測選用加拿大Instantel系列振動(dòng)監(jiān)測儀，型號為輕便的MiniMate Plus型主機(jī)+ISEE型標(biāo)準(zhǔn)三向速度傳感器。每次爆破振動(dòng)測試的傳感器按直線布置，一條沿著尾礦壩的高程呈直線布置，分別布置在馬道上，另一條直線按照沿著尾礦壩體的走向布置在同一級馬道上。此次監(jiān)測過程共進(jìn)行了5次爆破，10個(gè)爆破測試點(diǎn)均勻布置在尾礦庫主壩的三級馬道上，每個(gè)測點(diǎn)安置一個(gè)三向速度傳感器，用石膏固定在馬道每級較為平整、穩(wěn)固的地方，以減小實(shí)驗(yàn)誤差使得試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。布置方式如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備與現(xiàn)場測試

3 測試結(jié)果及分析

3.1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

目前，我國關(guān)于尾礦壩在爆破振動(dòng)作用下的安全評價(jià)問題尚沒有明確規(guī)定，沒有完全符合的標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范可以遵循。結(jié)合《爆破安全規(guī)程GB6722—2014》中地面建筑物的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)和《水電水利工程爆破安全監(jiān)測規(guī)程》中的開挖爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全評判。如表1為爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1)根據(jù)《爆破安全規(guī)程GB6722—2014》中地面建筑物的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，安全允許振動(dòng)主頻參考在10～50 Hz范圍之內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)值。由現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)可知，水平向、豎向及剪切方向的主頻平均值分別為10.95 Hz、11.4 Hz、13.75 Hz，最大主頻為41 Hz，其平均值都是分布在10～50 Hz范圍之內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該礦3#尾礦庫主壩體介于“一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物”和“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋”的安全允許振速之間，即2.3～4.5 cm/s，現(xiàn)場實(shí)測質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度最大值為0.432 cm/s，遠(yuǎn)小于此標(biāo)準(zhǔn)。因此，可初步判定此次爆破振動(dòng)對測試尾礦壩體穩(wěn)定性的影響在允許的范圍內(nèi)。

表1 爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2)根據(jù)《水電水利工程爆破安全監(jiān)測規(guī)程》中的開挖爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全評判。標(biāo)準(zhǔn)中尾礦壩可歸于“二灘大壩及廠房”范圍之內(nèi)，其標(biāo)準(zhǔn)速度為0.5 cm/s。通過對比，本次爆破振動(dòng)對測試尾礦壩穩(wěn)定性的影響在允許的范圍內(nèi)。

綜上，該尾礦庫正常安全生產(chǎn)爆破過程中所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)對測試尾礦壩體穩(wěn)定性的影響都在允許范圍之內(nèi)，對尾礦壩的穩(wěn)定性無顯著影響。

3.2 爆破振動(dòng)現(xiàn)場檢測結(jié)果預(yù)測

炸藥爆炸引起巖石內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)有垂直、徑向和切向3個(gè)速度分量，一般切向振速較小，垂直和徑向振速較大。據(jù)研究，在高差不大、近距離范圍的情況下，一般是垂直速度分量對爆破地震起控制作用[15]，不過在此次振動(dòng)測試中，由于爆破區(qū)域與尾礦壩體測試點(diǎn)布置區(qū)域中間有部分采空區(qū)，因此水平徑向和水平切向的影響較垂直振速對尾礦壩體穩(wěn)定性的影響甚小，而且此次現(xiàn)場測試的振動(dòng)速度數(shù)據(jù)數(shù)值本身較小，在此振動(dòng)監(jiān)測工作中采用垂直振速作為擬測定的振速，對最大振速的計(jì)算采用薩道夫斯基公式：

(1)

式中：V為計(jì)算點(diǎn)所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度(cm/s)；Q為爆破單響最大炸藥量(kg)，齊發(fā)爆破取總藥量，微差爆破取最大段藥量；K為相關(guān)系數(shù)；a為衰減指數(shù)；R為測點(diǎn)距爆心的距離(m)。

根據(jù)位于直線上的各振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)振動(dòng)幅值變化采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析，計(jì)算出表征爆破振動(dòng)衰減規(guī)律的K、a值。通過對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除其中部分離散型較大的數(shù)據(jù)，進(jìn)行回歸分析，得到K、a的回歸值分別為245和1.95，相關(guān)系數(shù)為0.48。因此，正常生產(chǎn)過程中爆破地震波衰減規(guī)律為：

(2)

利用該公式對礦山正常安全生產(chǎn)過程中爆破振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見表2和表3。為便于直觀對比，作圖3和圖4。

表2 不同振速控制標(biāo)準(zhǔn)的齊爆藥量與安全距離關(guān)系預(yù)測表

表3 不同振速控制標(biāo)準(zhǔn)的距離與允許最大齊爆藥量估算表

圖3 不同振速控制標(biāo)準(zhǔn)的齊爆藥量與最小安全距離關(guān)系

圖4 不同振速控制標(biāo)準(zhǔn)的距離與允許最大齊爆藥量的關(guān)系

從圖3可以看出，振速控制標(biāo)準(zhǔn)在0.1～0.5 cm/s范圍內(nèi)，同一振速控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)最小安全距離隨著齊爆藥量的增加而增大，最小安全距離變化曲線呈現(xiàn)上凸型。當(dāng)振速控制標(biāo)準(zhǔn)為0.1 cm/s、0.2 cm/s、0.3 cm/s、0.4 cm/s、0.5 cm/s，起爆藥量由100 kg增加至550 kg時(shí)，最小安全距離分別增大了194.3 m、136.17 m、110.61 m、95.44 m、85.11 m，說明振速控制標(biāo)準(zhǔn)越大，當(dāng)齊爆藥量增加時(shí)其最小安全距離增幅越小。當(dāng)齊爆藥量不變，振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)由0.2 cm/s增大至0.5 cm/s時(shí)，其安全距離增大的幅度較小，當(dāng)振速標(biāo)準(zhǔn)控制在0.1 cm/s范圍內(nèi)時(shí)，其安全距離增幅明顯增大，說明振速控制標(biāo)準(zhǔn)越小，需要的安全距離越大，特別是當(dāng)振速控制標(biāo)準(zhǔn)小于0.1 cm/s時(shí)，振速控制標(biāo)準(zhǔn)對安全距離的影響越明顯。

從圖4可以看出，最大齊爆藥量曲線呈上凹型，當(dāng)距離較小時(shí)振速控制標(biāo)準(zhǔn)在0.1～0.5 cm/s內(nèi)對應(yīng)的最大齊爆藥量較小且相差不大，當(dāng)爆破距離由200 m增大到380 m時(shí)，其振速控制標(biāo)準(zhǔn)為0.1 cm/s、0.2 cm/s、0.3 cm/s、0.4 cm/s、0.5 cm/s最大齊爆藥量增量分別為286.3 kg、831.64 kg、1 551.83 kg、2 415.78 kg、3 405.26 kg，反映出允許的最大齊爆藥量隨著爆破距離的增大明顯增加，且振速控制標(biāo)準(zhǔn)越大其增加趨勢越明顯。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，在臨近尾礦庫進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，對爆破藥量的控制是非常嚴(yán)格的，特別在靠近尾礦壩爆破工作區(qū)進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)應(yīng)更加注意振動(dòng)影響。工程中在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Vmax不超過0.5 cm/s情況下，一定的爆破藥量對應(yīng)著一個(gè)最小安全距離，生產(chǎn)過程中應(yīng)根據(jù)起爆炸藥量嚴(yán)格控制安全距離；此礦區(qū)爆破與尾礦壩距離在250～380 m范圍內(nèi)，根據(jù)最大齊爆藥量的預(yù)測值嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程中一次起爆的藥量，使礦區(qū)在正常生產(chǎn)過程中足夠安全，減小爆破振動(dòng)對尾礦壩體穩(wěn)定性的影響。

4 爆破振動(dòng)液化有限元分析

4.1 液化分析方法

根據(jù)筑壩材料以及巖體的風(fēng)化卸荷特性，尾礦壩的巖土體按高程從下到上可依次概化為微風(fēng)化千枚巖、中風(fēng)化千枚巖、強(qiáng)風(fēng)化千枚巖、含礫粉質(zhì)粘土、機(jī)械碾壓土壩、碾壓廢石以及斜墻抗?jié)B粘土(圖5)。

圖5 壩體剖面圖

地震動(dòng)力反應(yīng)分析采用有效應(yīng)力法。采用有限元分析軟件GeoStudio中的QUAKE模塊對尾礦庫中、初級壩體做爆破振動(dòng)液化分析，判斷土體液化則采用Seed-Idriss應(yīng)力分析對比法[15]，其表達(dá)式如式(3)：

(3)

處于飽程狀態(tài)的土體單元，當(dāng)式(3)具有一定的安全系數(shù)(通常為1.5)時(shí)，通常認(rèn)為土體沒有液化危險(xiǎn)；反之，則判定土體可能發(fā)生液化。表4為爆破振動(dòng)液化有限元計(jì)算中需要用到的參數(shù)。

表4 物理參數(shù)表

4.2 液化分析結(jié)果

圖6為爆破振動(dòng)波作用下尾礦庫的液化結(jié)果，結(jié)果顯示幾乎沒有出現(xiàn)振動(dòng)引起的液化區(qū)，整個(gè)壩體內(nèi)部也未發(fā)現(xiàn)液化區(qū)域。圖7和圖8分別為尾礦庫浸潤線在爆破振動(dòng)作用下的變化情況和爆破前實(shí)測浸潤線位置，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過振動(dòng)荷載作用后，浸潤線基本保持在原來的位置。由上述可以發(fā)現(xiàn)，爆破振動(dòng)對尾礦壩的穩(wěn)定性不構(gòu)成威脅性影響。

圖6 爆破振動(dòng)后壩內(nèi)液化區(qū)域分布圖

圖7 爆破振動(dòng)后壩內(nèi)浸潤線的變化分布圖

圖8 尾礦庫實(shí)測浸潤線位置圖

5 結(jié)論

1)對爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，該露天礦開采正常安全生產(chǎn)爆破過程中產(chǎn)生的爆破振動(dòng)對尾礦壩體的穩(wěn)定性無顯著影響。

2)振速控制標(biāo)準(zhǔn)在0.1～0.5 cm/s范圍內(nèi)，同一振速控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)最小安全距離隨著齊爆藥量的增加而增大，振速控制標(biāo)準(zhǔn)越大，當(dāng)齊爆藥量增加時(shí)其最小安全距離增幅越??；當(dāng)齊爆藥量不變，振速控制標(biāo)準(zhǔn)越小，需要的安全距離越大，特別是當(dāng)振速控制標(biāo)準(zhǔn)小于0.1 cm/s時(shí)，振速控制標(biāo)準(zhǔn)對安全距離的影響越明顯。

3)當(dāng)距離較小時(shí)振速控制標(biāo)準(zhǔn)在0.1～0.5 cm/s內(nèi)對應(yīng)的最大齊爆藥量較小且相差不大；當(dāng)爆破距離由200 m增大到380 m時(shí)，允許的最大齊爆藥量隨著爆破距離的增大明顯增加，且振速控制標(biāo)準(zhǔn)越大其增加趨勢越明顯。

4)通過對尾礦庫爆破振動(dòng)液化分析，壩體內(nèi)部無液化區(qū)域，經(jīng)過振動(dòng)荷載作用后，浸潤線也基本保持不變。