大煤溝露天煤礦采場(chǎng)振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究

苗高飛

（青海義海能源大煤溝煤礦，青海 德令哈 817000）

在開(kāi)采露天礦山過(guò)程中由于需剝離和挖掘大量的巖土層和礦產(chǎn)資源，因此在礦山采場(chǎng)及周邊區(qū)域范圍內(nèi)形成巨大的礦坑和堆積較高的排土場(chǎng)[1-2]。受礦山地層傾角和地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，許多露天礦山會(huì)出現(xiàn)內(nèi)排土場(chǎng)邊坡比采場(chǎng)工作幫高的現(xiàn)象。由于邊坡巖體會(huì)受到礦山爆破、大量大型運(yùn)輸車(chē)輛運(yùn)輸及礦山內(nèi)排土場(chǎng)下部坡底巖土和煤炭資源采裝振動(dòng)影響，容易造成邊坡失穩(wěn)滑坡[3-4]，給露天礦山安全生產(chǎn)帶來(lái)較大影響。因此，研究分析各類(lèi)振動(dòng)對(duì)傾斜基底排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響，為露天礦山邊坡穩(wěn)定性治理提供理論依據(jù)顯得尤為必要。

1 工程概況

大煤溝煤礦位于青海省海西州柴達(dá)木盆地北緣東部，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30 萬(wàn)t/a。露天采場(chǎng)位于井田東部，地勢(shì)整體呈東北高西南低，東北部為高山區(qū)，海拔在3800 m 以上，原始地形坡度25°～40°。露天開(kāi)采范圍內(nèi)共劃分為一個(gè)采區(qū)進(jìn)行開(kāi)采，設(shè)計(jì)的露天采場(chǎng)境界最大長(zhǎng)度1500 m，最大寬度1300 m，封閉圈標(biāo)高約3530 m，坑底標(biāo)高3450 m，最終幫坡角30°。開(kāi)采工藝采用單斗—卡車(chē)開(kāi)采工藝，礦山采用公路移動(dòng)坑線開(kāi)拓，汽車(chē)運(yùn)輸方案。隨著開(kāi)采深度及到界臺(tái)階數(shù)量的增加，露天采場(chǎng)邊坡變陡，其穩(wěn)定性也隨之降低。

2 露天開(kāi)采振動(dòng)監(jiān)測(cè)

在露天礦山開(kāi)采過(guò)程中存在各種類(lèi)型的振動(dòng)源，由于振源類(lèi)型、振動(dòng)強(qiáng)度及頻率不相同，其對(duì)采場(chǎng)邊坡造成的振動(dòng)影響也不同[5-6]。因此，在分析振動(dòng)對(duì)邊坡安全影響時(shí)，首先要收集各類(lèi)型振源的振動(dòng)波形，分析其振動(dòng)特點(diǎn)，從而確定影響邊坡安全的主要振動(dòng)類(lèi)型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，露天礦山開(kāi)采中產(chǎn)生的振動(dòng)類(lèi)型主要有：煤巖體爆破振動(dòng)、車(chē)輛運(yùn)輸振動(dòng)、電鏟采裝振動(dòng)等。采用NUBOX-6016 智能振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀對(duì)采場(chǎng)振動(dòng)源三向振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，其中水平x 方向代表通道1 振動(dòng)來(lái)波方向，水平y(tǒng)代表通道2 振動(dòng)來(lái)波方向，垂直z 方向代表通道3振動(dòng)來(lái)波方向。

本文主要對(duì)影響大煤溝煤礦采場(chǎng)邊坡的3 個(gè)主要振動(dòng)類(lèi)型在振動(dòng)作用下其振動(dòng)最大速度和平均速度、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

2.1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

大煤溝煤礦地層巖性為土灰黃色礫巖、含礫砂巖，較堅(jiān)硬，需采用松動(dòng)爆破的方式進(jìn)行開(kāi)采，爆破期間對(duì)周邊排土場(chǎng)邊坡產(chǎn)生振動(dòng)，形成安全隱患。為掌握爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，在坡腳距爆破邊界50 m 處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)爆破振動(dòng)波進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)情況

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)主頻率約為13.5～15 Hz，振動(dòng)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約為1.7～1.8 s，振動(dòng)速度最大值為0.916 cm/s，平均振動(dòng)速度在-0.04～0.2 cm/s。由此分析可知，爆破振動(dòng)具有頻率大、持續(xù)時(shí)間短、最大振動(dòng)速度與最小振動(dòng)速度相差較大、振速變化幅度大等特點(diǎn)。

2.2 車(chē)輛運(yùn)輸振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

為監(jiān)測(cè)車(chē)輛運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)邊坡安全影響情況，在距離912E 重車(chē)道約50 m 處的車(chē)道旁設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。該監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離912E 空車(chē)道距離約40 m，距離小型運(yùn)煤車(chē)道約80 m。通過(guò)對(duì)車(chē)輛運(yùn)輸振動(dòng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)整理后得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 車(chē)輛運(yùn)輸振動(dòng)監(jiān)測(cè)情況

2.3 電鏟采裝振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)在采裝平臺(tái)附近選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)電鏟采裝期間產(chǎn)生的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)電鏟在采裝礦石期間及在移動(dòng)時(shí)會(huì)在采場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生大量的振動(dòng)波，而其產(chǎn)生振動(dòng)波的速度最大值和最小值比較集中，其振動(dòng)速度與車(chē)輛運(yùn)輸產(chǎn)生的振動(dòng)速度基本相近。

通過(guò)對(duì)3 種典型的運(yùn)輸車(chē)輛運(yùn)輸期間產(chǎn)生的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知：車(chē)輛運(yùn)輸產(chǎn)生的振動(dòng)在通道1 和通道2（水平方向）振動(dòng)主頻率在4.0～5.7 Hz；在豎直方向通道3 產(chǎn)生的振動(dòng)主頻率變化范圍比較大，其中912E 重車(chē)道產(chǎn)生的振動(dòng)主頻率達(dá)到了25.41 Hz，振動(dòng)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為6 s 左右，而912E 空車(chē)和小型運(yùn)煤車(chē)產(chǎn)生的振動(dòng)主頻率在6～11 Hz，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為0.7～3.4 s 左右；3 種典型車(chē)輛運(yùn)輸產(chǎn)生的振動(dòng)監(jiān)測(cè)到的其他相關(guān)數(shù)據(jù)數(shù)值大小變化相差不大。由此分析可知，當(dāng)車(chē)輛載重量大時(shí)對(duì)邊坡振動(dòng)主頻率和持續(xù)振動(dòng)影響時(shí)間較大。同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，在水平方向振動(dòng)速度較小，一般在-0.04～0.09 cm/s，而在豎直方向上產(chǎn)生的振動(dòng)速度達(dá)到了0.18 cm/s 左右，其在豎直方向產(chǎn)生的振動(dòng)速度比水平方向上的要大得多。

與爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果相比，車(chē)輛振動(dòng)及電鏟裝車(chē)振動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有很大差異。爆破振動(dòng)形成的振動(dòng)波存在持續(xù)時(shí)間短、幅度大的特點(diǎn)，而車(chē)輛振動(dòng)波和電鏟采裝振動(dòng)存在持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、振動(dòng)幅度小等特點(diǎn)；車(chē)輛運(yùn)輸產(chǎn)生的振動(dòng)存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)與振動(dòng)點(diǎn)距離越近產(chǎn)生的振動(dòng)幅度越大的特征。

3 傾斜基底排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性及變形特征分析

3.1 傾斜基底排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

大煤溝露天煤礦采場(chǎng)內(nèi)的排土場(chǎng)位于石門(mén)溝向斜軸部區(qū)域，在煤層底板標(biāo)高為1260 m 以上水平，軸部區(qū)域至1430 m 水平，沿著向斜軸部由南向北地層傾角逐漸增大，選取作為振動(dòng)影響研究的區(qū)域地層傾角為12°，排土場(chǎng)排土角度為15°。

選取大煤溝露天煤礦采場(chǎng)單臺(tái)階邊坡排棄的土場(chǎng)高度為75 m。因露天礦內(nèi)排土場(chǎng)都是由散狀物料堆積而成的，形成的坡面角就成為堆積物料的自鎖角，此時(shí)形成的內(nèi)排土場(chǎng)單臺(tái)階達(dá)到了極限平衡狀態(tài)。為確定內(nèi)排土場(chǎng)排棄的物料強(qiáng)度參數(shù)，構(gòu)建典型傾斜排土場(chǎng)邊坡基底剖面模型[7-8]，對(duì)達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)的排土場(chǎng)進(jìn)行分析。內(nèi)排土場(chǎng)邊坡單臺(tái)階物料強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖1。

圖1 采場(chǎng)內(nèi)排土場(chǎng)邊坡單臺(tái)階計(jì)算

3.2 傾斜基底排土場(chǎng)邊坡變形特征分析

通過(guò)對(duì)采場(chǎng)3 種典型振動(dòng)源產(chǎn)生振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)主頻率在13.5～15 Hz 左右，其特點(diǎn)是振動(dòng)持續(xù)時(shí)間短、振速變化幅度大，而車(chē)輛運(yùn)輸及電鏟采裝產(chǎn)生的振動(dòng)特點(diǎn)是振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、振速變化幅度小。爆破產(chǎn)生的振動(dòng)速度最大能夠達(dá)到0.916 cm/s，是車(chē)輛運(yùn)輸和電鏟采裝期間產(chǎn)生振動(dòng)速度的5～10 倍。內(nèi)排土場(chǎng)邊坡變形一般發(fā)生在高段單臺(tái)階區(qū)域，因此選取內(nèi)排土場(chǎng)內(nèi)邊坡高段排土臺(tái)階作為研究對(duì)象進(jìn)行振動(dòng)破壞變形模擬分析研究，建立排土場(chǎng)邊坡水平位移模擬云圖如圖2。高段排土場(chǎng)單臺(tái)階水平方向產(chǎn)生的變形影響最大區(qū)域范圍為47 m，變形量是從臺(tái)階邊緣向內(nèi)呈現(xiàn)逐漸減弱趨勢(shì)，產(chǎn)生變形的原因主要是排土場(chǎng)內(nèi)排棄的物料內(nèi)部產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致邊坡臺(tái)階發(fā)生變形。

圖2 內(nèi)排土場(chǎng)邊坡變形模擬水平位移云圖

3.3 爆破振動(dòng)對(duì)排土場(chǎng)邊坡變形規(guī)律影響

排土場(chǎng)高段單臺(tái)階邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在爆破振動(dòng)載荷作用下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，隨著爆破振動(dòng)時(shí)間的持續(xù)，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性將會(huì)逐漸產(chǎn)生波動(dòng)變化，其變化規(guī)律與爆破振動(dòng)規(guī)律基本一致，隨著爆破振動(dòng)起伏變化而相應(yīng)產(chǎn)生變動(dòng)，具體變化關(guān)系如圖3。由圖中分析可知，在爆破振動(dòng)作用下，排土場(chǎng)邊坡產(chǎn)生瞬時(shí)穩(wěn)定性減小和增大的現(xiàn)象，最低穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.965，最大為1.028，穩(wěn)定性安全系數(shù)變化幅度在-3.6%～2.8%，由此可知頻繁或長(zhǎng)期在邊坡坡腳爆破振動(dòng)將會(huì)對(duì)排土場(chǎng)邊坡造成破壞，從而降低了邊坡穩(wěn)定性。

圖3 爆破振動(dòng)波與排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)關(guān)系

4 傾斜基底排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性安全防治措施

（1）合理設(shè)計(jì)排土場(chǎng)排土順序，在生產(chǎn)過(guò)程中，采場(chǎng)排土要按照縱橫交替的方式進(jìn)行排土。

（2）排土作業(yè)期間嚴(yán)格按照邊坡設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，嚴(yán)格排土單臺(tái)階高度及邊坡坡面角控制，排土作業(yè)時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行分層排土、層層壓實(shí)，提高排棄的土層的密實(shí)度，達(dá)到采場(chǎng)排土邊坡穩(wěn)定性要求。

（3）對(duì)邊坡進(jìn)行定期巡查，若發(fā)現(xiàn)邊坡出現(xiàn)不穩(wěn)定或滑坡征兆時(shí)，及時(shí)建立觀測(cè)站點(diǎn)對(duì)異常地段進(jìn)行定期觀測(cè)。在出現(xiàn)不穩(wěn)定的地段設(shè)立明顯警示標(biāo)志，嚴(yán)禁人員進(jìn)入該地段。

（4）在進(jìn)入雨季前，對(duì)邊坡頂部及周?chē)霈F(xiàn)的裂縫進(jìn)行填充，防止裂縫進(jìn)水。

（5）在進(jìn)行爆破開(kāi)采期間，嚴(yán)格控制裝藥量和一次起爆個(gè)數(shù)，降低爆破強(qiáng)度，減小爆破振動(dòng)對(duì)邊坡產(chǎn)生的破壞。

（6）合理規(guī)劃安排運(yùn)輸?shù)缆?，?yán)禁大型和重型車(chē)輛在排土場(chǎng)周邊區(qū)域范圍運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)采場(chǎng)3 種典型振動(dòng)源產(chǎn)生振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，確定爆破產(chǎn)生的振動(dòng)主頻率在13.5～15 Hz 左右，其特點(diǎn)是振動(dòng)持續(xù)時(shí)間短、振速變化幅度大，而車(chē)輛運(yùn)輸及電鏟采裝產(chǎn)生的振動(dòng)特點(diǎn)是振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、振速變化幅度小。爆破產(chǎn)生的振動(dòng)速度最大能夠達(dá)到0.916 cm/s，是車(chē)輛運(yùn)輸和電鏟采裝期間產(chǎn)生振動(dòng)速度的5～10 倍。

（2）通過(guò)建立邊坡模型邊坡變形破壞規(guī)律模擬分析，確定高段排土場(chǎng)單臺(tái)階水平方向產(chǎn)生的變形影響最大區(qū)域范圍為47 m，變形量是從臺(tái)階邊緣向內(nèi)呈現(xiàn)逐漸減弱趨勢(shì)，產(chǎn)生變形的原因主要是排土場(chǎng)內(nèi)排棄的物料內(nèi)部產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致邊坡臺(tái)階發(fā)生變形。

（3）通過(guò)對(duì)爆破振動(dòng)與邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)之間的關(guān)系分析可知，在爆破振動(dòng)作用下，排土場(chǎng)邊坡產(chǎn)生瞬時(shí)穩(wěn)定性減小和增大的現(xiàn)象，最低穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.965，最大為1.028，穩(wěn)定性安全系數(shù)變化幅度在-3.6%～2.8%，由此可知頻繁或長(zhǎng)期在邊坡坡腳爆破振動(dòng)將會(huì)對(duì)排土場(chǎng)邊坡造成破壞，從而降低了邊坡穩(wěn)定性。