河曲露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)振動(dòng)模擬試驗(yàn)

韓 鵬，何 淵，徐占金，徐國(guó)俊，王 毅，劉麗珍

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500)

振動(dòng)是一種常見(jiàn)的附帶效應(yīng)，常見(jiàn)于生產(chǎn)生活的各個(gè)環(huán)節(jié)，如交通工具對(duì)路基的振動(dòng)加速度，機(jī)械設(shè)備正常工作對(duì)地面產(chǎn)生的振動(dòng)荷載，爆破工作中由爆點(diǎn)向四周傳播的爆破地震波等[1-5]。振動(dòng)作用帶來(lái)的損傷通過(guò)時(shí)間效應(yīng)的累積使巖土體的破壞逐漸發(fā)展[6]，有的工程最終引發(fā)振動(dòng)災(zāi)害，露天礦山生產(chǎn)活動(dòng)中的各個(gè)工序都會(huì)附帶產(chǎn)生振動(dòng)作用[7]。所以研究露天礦山振動(dòng)作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。

學(xué)者們關(guān)于各種工程中振動(dòng)作用的產(chǎn)生、傳播與影響方面的理論與試驗(yàn)研究范圍廣泛。數(shù)值模擬模型在振動(dòng)作用研究中具有較大優(yōu)勢(shì)，薛富春等[8]應(yīng)用了三維建模的方式，模擬了高速動(dòng)車組與鐵路路基的振動(dòng)作用響應(yīng)；李順波等[9]采用數(shù)值模擬研究了不同毫秒延時(shí)對(duì)產(chǎn)生爆破振動(dòng)的影響，確定了12 ms延時(shí)對(duì)于降低爆破振動(dòng)最為有利；邊坡的爆破響應(yīng)研究分析了高陡巖質(zhì)邊坡對(duì)爆破振動(dòng)速度的放大效應(yīng)[10]。實(shí)驗(yàn)室的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)于天然地震、爆破地震等的三維重現(xiàn)是完成振動(dòng)相似模擬的技術(shù)保障，同時(shí)成果頗豐。特殊地質(zhì)構(gòu)造的邊坡在地震作用下的振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)為邊坡的維護(hù)提供了技術(shù)依據(jù)；地下隧道對(duì)地震作用響應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)研究對(duì)隧道施工技術(shù)的指導(dǎo)性意義重大；尾礦庫(kù)邊坡的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)M揭示了尾礦庫(kù)在振動(dòng)作用下的破壞機(jī)制；含軟弱夾層邊坡振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)提出了爆破振動(dòng)對(duì)其穩(wěn)定性的影響和相應(yīng)的安全判據(jù)。

露天礦山中振動(dòng)作用特有的“短、頻、強(qiáng)”特點(diǎn)對(duì)邊坡的影響較大，本文以河曲舊縣露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)為研究對(duì)象，開(kāi)展了振動(dòng)作用下內(nèi)排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究。

1 工程概況

本文的工程背景為河曲舊縣露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)，該內(nèi)排土場(chǎng)的特點(diǎn)為排土場(chǎng)直接基底與底層臺(tái)階由碎石與土混合構(gòu)成，同時(shí)距坡腳50 m處有選煤廠建設(shè)施工工人板房且正常居住，距坡腳200 m為選煤廠設(shè)施，如圖1所示。為保證2處建筑的安全性，需對(duì)該內(nèi)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究。

圖1 排土場(chǎng)現(xiàn)狀Fig.1 Typical profile of dump

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用相似模擬的方法建立排土場(chǎng)物理模型，采用振動(dòng)臺(tái)為其施加不同頻率的振動(dòng)作用，觀察排土場(chǎng)邊坡的振動(dòng)作用響應(yīng)規(guī)律。針對(duì)排土場(chǎng)下層臺(tái)階與上層臺(tái)階的物料構(gòu)成上的差異性，以+1 004.0 m為界，上下層臺(tái)階的物料粒徑組成見(jiàn)表1和表2。

表1 +1 004.0 m以上相似模擬材料塊度級(jí)配Tab.1 Similar simulated material particle size grading above +1 004.0 m

表2 +1 004.0 m以下相似模擬材料塊度級(jí)配Tab.2 Similar simulated material particle size grading below +1004.0 m

采用不同振動(dòng)頻率的振動(dòng)作用，從10～40 Hz每隔5 Hz為1個(gè)試驗(yàn)階段，每一試驗(yàn)階段振動(dòng)作用時(shí)間為2 min，試驗(yàn)時(shí)間共14 min。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

排土場(chǎng)模型在不同振動(dòng)頻率作用后的結(jié)果如圖2所示。

(1)由圖2(b)可知，在此過(guò)程中臺(tái)階表面標(biāo)志物與側(cè)面位移標(biāo)志層無(wú)明顯試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生，局部極輕微滑動(dòng)，振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率為10 Hz時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)幅度較大，且振動(dòng)過(guò)程肉眼可見(jiàn)。這個(gè)階段的特點(diǎn)是振動(dòng)幅度大，試驗(yàn)臺(tái)上下振動(dòng)的加速度變化速率小，而這個(gè)范圍內(nèi)的加速度變化需要的能量小，并不足以影響到邊坡體模型內(nèi)部。

(2)由圖2(c)可知，在15 Hz的振動(dòng)頻率作用下，25 s后第2級(jí)臺(tái)階邊坡面中部發(fā)生了1次極小規(guī)模的表面下滑，滑動(dòng)物料粒徑1 mm以下，滑動(dòng)距離7 cm，43 s后在距離右側(cè)邊緣30 cm處發(fā)生5 mm塊度顆粒滾落。

(3)由圖2(d)可知，模型側(cè)面第3層位移標(biāo)志層發(fā)生1 cm的下沉，原因是上部排棄物沒(méi)有發(fā)生排棄階段的壓密作用，顆粒之間的還存在有間隙，在20 Hz頻率的振動(dòng)作用下顆粒之間的間隙減小。同時(shí)，第3臺(tái)階與第4臺(tái)階坡面上發(fā)生輕微的整體下滑，并且第3臺(tái)階下滑程度更加明顯。

圖2 排土場(chǎng)模型在不同振動(dòng)頻率作用后結(jié)果Fig.2 Results of the dump site model under different vibration frequencies

(4)由圖2(e)可知，排土場(chǎng)模型側(cè)面與之前狀態(tài)相比，第4臺(tái)階坡面繼續(xù)下沉，坡面角輕微減??；模型正面第2臺(tái)階與第3臺(tái)階兩端發(fā)生滑移，其中右側(cè)20 cm范圍坡面排棄物小范圍下滑，第3臺(tái)階的滑移距離較第2臺(tái)階長(zhǎng)，為2 cm，第2臺(tái)階為1 cm，左側(cè)20 cm范圍第2臺(tái)階、第3臺(tái)階的滑移程度與右側(cè)相比更加輕微，滑移距離為0.5～1.0 cm，同時(shí)，在第1臺(tái)階有直徑約7 mm似圓狀顆粒從坡面中部滾落至底部。排土場(chǎng)模型側(cè)面位移標(biāo)志層現(xiàn)象不明顯，正面四級(jí)臺(tái)階面上排棄物料均發(fā)生了下滑，并且有臺(tái)階面下沉的現(xiàn)象。通過(guò)比較標(biāo)志物的位置，第2臺(tái)階的標(biāo)志物位置下移最為明顯，其次是第3臺(tái)階，第1臺(tái)階標(biāo)志物的位置變化最為輕微，但第1臺(tái)階坡面上有6處大塊度排棄物料滾落。同此次試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)相比，第1臺(tái)階兩端的位移標(biāo)志層厚度明顯變薄，能看到位移標(biāo)志層下顯露出的大塊度排棄物料。由于第1臺(tái)階組成物料粒徑較大，振動(dòng)頻率增大，使位移標(biāo)志層中的粒徑小的物料流入了第1臺(tái)階內(nèi)部。

(5)由圖2(f)可知，30 Hz與之前的振動(dòng)頻率相比，能量增量大，排土場(chǎng)模型的破壞程度較之前而言更加嚴(yán)重，第2、第3、第4級(jí)臺(tái)階坡面大范圍排棄物料滑動(dòng)，速度在2 cm/s，較為緩慢。第2級(jí)臺(tái)階第4標(biāo)志物首先發(fā)生滾動(dòng)并滾動(dòng)至第1臺(tái)階平盤(pán)，隨后第2標(biāo)志物沿向右側(cè)傾斜的路徑滑動(dòng)至第1臺(tái)階平盤(pán)，第2標(biāo)志物沿坡面滑動(dòng)至臺(tái)階面中部，第3臺(tái)階第3標(biāo)志物所在位置滑動(dòng)活動(dòng)較第3臺(tái)階其余部分劇烈，可見(jiàn)標(biāo)志物已開(kāi)始向臺(tái)階坡面傾斜。此外觀察側(cè)面位移標(biāo)志層與參照位置發(fā)現(xiàn)，二者發(fā)生了錯(cuò)動(dòng)，并且最大錯(cuò)動(dòng)距離同樣出現(xiàn)在第2臺(tái)階中部。由于25 Hz試驗(yàn)階段標(biāo)志層中的小粒徑物料流入第1臺(tái)階內(nèi)部，第1臺(tái)階的坡面位移標(biāo)志產(chǎn)生明顯的平行錯(cuò)動(dòng)，近似與參照位置平行。

(6)由圖2(g)可知，排土場(chǎng)模型第3臺(tái)階平盤(pán)繼續(xù)向下傾斜，主要是由于臺(tái)階坡面上的排棄物料持續(xù)向下滑動(dòng)，引起平盤(pán)傾斜，使平盤(pán)上的標(biāo)志物在重力以及滑體的滑動(dòng)作用下向下滑動(dòng)，第2、第3、第4標(biāo)志物滑動(dòng)至坡面中上部，其中第3標(biāo)志物在上一試驗(yàn)階段結(jié)束時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了位置上的明顯變化，所以總體來(lái)說(shuō)第3標(biāo)志物的位置變動(dòng)范圍最大。同時(shí)，邊坡模型的高度降低1.5 cm，位移標(biāo)志層與參照位置出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，最大值出現(xiàn)在第2臺(tái)階平盤(pán)位置，達(dá)到0.9 cm；其次是第3臺(tái)階平盤(pán)位置，錯(cuò)動(dòng)距離為0.6 cm，而第1臺(tái)階坡面由于粒徑塊度范圍大，第1臺(tái)階坡面上位移標(biāo)志層隨振動(dòng)繼續(xù)向坡體內(nèi)部滲透，而坡面與參照位置的距離變化0.3 cm。

(7)由圖2(h)可知，40 Hz振動(dòng)頻率作用下，模型形成了“一坡到底”的形態(tài)，臺(tái)階形態(tài)基本全部破壞，由于第1臺(tái)階大塊度排棄物料占到了39.19%，邊坡體內(nèi)部摩擦力大，第1臺(tái)階的滑體規(guī)模與上層臺(tái)階相比較小，但由于振動(dòng)和上層的擠壓，使碎石物料從第1臺(tái)階坡角處擠出，并在后方滑坡體的推動(dòng)下向前滑動(dòng)。

排土場(chǎng)模型第3臺(tái)階第2、第3標(biāo)志物由原坡面中上部下滑至原第2臺(tái)階平盤(pán)位置，第2臺(tái)階第1標(biāo)志物由平臺(tái)下滑至臺(tái)階面中部，且原第1臺(tái)階第2、第3標(biāo)志物在后方滑體推動(dòng)下向下方偏左方向滾動(dòng)。在滑體覆蓋第1臺(tái)階大塊度碎石物料后，標(biāo)志物隨著大塊度碎石層的滑動(dòng)而滑動(dòng)，并發(fā)生滾動(dòng)。同時(shí)，位移標(biāo)志層錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到最大值，第1臺(tái)階由于發(fā)生坡腳大塊度顆粒擠出，臺(tái)階坡面位置與參照位置錯(cuò)動(dòng)量變化明顯。

4 結(jié)論

(1)低頻振動(dòng)作用下邊坡表面物料運(yùn)動(dòng)方式以零星滾動(dòng)為主，高頻振動(dòng)作用下邊坡表面小顆粒物料大面積滑移，滑移體推動(dòng)大顆粒物料運(yùn)動(dòng)。

(2)第2臺(tái)階首先對(duì)振動(dòng)作用發(fā)出響應(yīng)，即第2臺(tái)階出現(xiàn)小規(guī)模錐形滑移現(xiàn)象的時(shí)間最早，且出現(xiàn)在20 Hz試驗(yàn)階段。