露天采場爆破對周邊尾礦壩的穩(wěn)定性影響研究

高賽紅，汪勝蓮

(贛南科技學院，江西 贛州 341000)

尾礦庫作為礦山的一個重要附屬設施，為了更加方便尾礦砂漿的排放和日常管理，其選址一般位于礦山附近，這樣既節(jié)省了原礦石的搬運運輸成本，又減少了尾礦砂漿的管道輸送成本。但隨著露天礦山爆破工作面的推進，尾礦庫與爆破中心的距離逐漸減小，采區(qū)頻繁爆破工作造成的爆破振動難免會尾礦壩的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在爆破振動效應的影響下，可能發(fā)生尾礦庫堆筑壩體液化，抗剪強度降低，導致尾礦壩穩(wěn)定性降低[1-3]。為了尾礦壩下游人員和建筑物的安全免受威脅，研究爆破振動效應對尾礦壩結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，保證尾礦壩爆破振動強度在工程允許爆破振動的控制標準內(nèi)，對規(guī)范采場爆破施工及爆破參數(shù)設計有重要意義[4-5]。因此，本文通過對江西某鐵礦深孔臺階爆破產(chǎn)生的爆破振動進行監(jiān)測，通過對爆破振動信號的質(zhì)點峰值振動速度，頻譜分布特征分析和尾礦壩數(shù)值模擬，研究爆破振動效應對周邊尾礦庫的穩(wěn)定性影響，并依據(jù)薩道夫斯基公式線性擬合，得到采區(qū)正常爆破作業(yè)的安全距離以及最大允許爆破藥量，可為爆破工程提供一定的現(xiàn)場指導意義[6-8]。

1 工程概況

1.1 尾礦壩概況

江西某鐵礦礦區(qū)周邊主要有兩個尾礦庫，分別是1號尾礦庫與2號尾礦庫，兩者尾礦壩之間距離不遠。其中，1號尾礦壩采用土石堆筑子壩，壩頂高程155.0 m，總庫容1.074×106m3，有效庫容為88.2×104m3，壩高47.5 m，上、下游邊坡比為1∶2，該尾礦庫為四等庫。2號尾礦壩則采用上游法筑壩方式，最終堆積標高150 m，尾礦堆積壩高25 m，尾礦庫設計總壩高50 m，總庫容為1.504 3×107m3，上游坡比約為1∶2，下游坡比約為1∶2.5，其尾礦庫為三等庫。

1號尾礦壩與2號尾礦壩的周邊地區(qū)屬于低山丘陵地形，溝谷發(fā)育，山體邊坡夷平面呈直線～微凸狀，坡角20°～35°，周圍山體寬厚穩(wěn)定，植被發(fā)育，自然邊坡穩(wěn)定，未見崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。地質(zhì)構(gòu)造特征以褶皺為主，次級褶皺構(gòu)造和斷裂發(fā)育，區(qū)內(nèi)發(fā)育大斷層力學性質(zhì)為壓性、壓扭性，不具導水性能。溝谷局部基巖裸露，裸露區(qū)以千枚巖為主，巖層上部風化強烈，風化厚度4.3～9.1 m，下部為中風化完整基巖，巖石較堅硬。各支流水系集于區(qū)內(nèi)的中部，尾礦庫地形封閉良好，庫區(qū)范圍未發(fā)現(xiàn)通向庫外的導水結(jié)構(gòu)。距離爆破作業(yè)的采區(qū)100 m遠處為礦方的排土場，尾礦庫庫區(qū)下游1 000 m外存在多數(shù)民房，居民約45戶。庫區(qū)上、下游1 000 m范圍內(nèi)無大型水源地、水產(chǎn)基地，無省級公路，無公眾聚集場所，無全國和省重點保護的名勝古跡。

1.2 工程難點

1)尾礦庫與采場爆破點距離很近，且尾礦壩周圍環(huán)境復雜，采場深孔爆破作業(yè)需要考慮爆破對尾礦壩的穩(wěn)定性影響，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范及設計標準，對周圍居民房屋的安全保護評估，以此確保人員與周邊保護對象的安全。

2)通過爆破振動監(jiān)測與試驗，獲取爆破振動沿不利斷面或不安全方向的振動衰減傳播規(guī)律，回歸計算爆破振動傳播公式，估算開挖爆破最大允許藥量與安全距離，為爆破施工方案與爆破參數(shù)的確定提供對應依據(jù)。

2 爆破方案設計

2.1 爆破振動監(jiān)測方案

為了分析露天采場爆破振動對1號尾礦庫和2號尾礦庫的穩(wěn)定性影響，本次爆破振動監(jiān)測選用Blastmate Ⅲ型號測振儀對露天采場爆破作業(yè)進行連續(xù)監(jiān)測。為了反映尾礦庫壩體真實質(zhì)點振動速度，通過儀器設有的切向、垂向和徑向振動傳感器進行三向監(jiān)測。本次試驗為了滿足爆破振動信號的精度要求，將測振儀的采樣頻率設置為4 096 Hz。在1號尾礦庫水平標高為150 m的壩體頂部統(tǒng)一設置編號為A1～A4的四組測點，2號尾礦庫則在壩體邊坡的不同平臺處布置B1～B4測點，其對應的水平標高分別為106、109、113、115 m。

1號尾礦庫測點和2號尾礦庫測點分別對4次不同藥量不同距離的深孔臺階爆破進行同時監(jiān)測，爆破試驗采用工業(yè)電子雷管延時爆破方式，延時時間在35～40 ms，爆破臺階高度為13 m，炮孔根據(jù)實際具體情況，呈扇形或梅花形交錯布置，炮孔直徑90 mm，最小抵抗線3.3 m，炮孔傾角為85°，炮孔深度為14 m。爆破采用的炸藥為2#巖石乳化炸藥，爆源位置與監(jiān)測點布置如圖1所示。其中，第一次爆破單段最大藥量為1 760 kg，總藥量為4 800 kg；第二次爆破單段最大藥量為540 kg，總藥量為4 800 kg；第三次爆破單段最大藥量為600 kg，總藥量為2 640 kg；第四次爆破單段最大藥量為1 512 kg，總藥量為4 800 kg。

2.2 爆破振動監(jiān)測結(jié)果

為保證各測點監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實可靠性，本次測試的測點均安置于清理干凈的壩體表面，安裝過程中確保振動傳感器與測點緊密固定。此次試驗對臨近尾礦庫的4次爆破進行了監(jiān)測，通過GPS定位和高程計算出尾礦壩各測點與爆源中心的直線距離，歸納整理4次爆破的振動監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

圖1 爆源位置與監(jiān)測點布置Fig.1 The location of blasting source and monitoring points layout

表1 各測點的監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)4次爆破振動監(jiān)測結(jié)果，各測點處徑向方向上的峰值振動速度與切向和垂向相比普遍更大，其中1號尾礦庫由于離爆源較近，峰值振動速度較大，且隨著測點距離爆源的增大，切向、垂向、徑向的峰值振動速度逐漸減小。2號尾礦庫測點距離較遠，受到爆破振動的影響相比1號尾礦庫更小，但是峰值振動速度出現(xiàn)隨著高程增大而增大的現(xiàn)象。爆破振動主頻是指爆破振動峰值質(zhì)點振動水平所對應的質(zhì)點振動頻率[9-12]，本次試驗中的主頻范圍為5.7～30.6 Hz，其受爆破地震波傳播距離的變化不明顯，說明了爆破振動信號中低頻成分的比重不容易衰減。

由于我國礦山尾礦庫尾礦壩在爆破振動作用下的安全判據(jù)沒有明確規(guī)定，結(jié)合《爆破安全規(guī)程GB 6722-2014》[13]和尾礦壩方案設計書，推算出1號尾礦庫和2號尾礦庫主壩體應該介于“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15～25 mm/s之間。在4次爆破試驗結(jié)果中1號尾礦壩與2號尾礦壩最大峰值振動速度均出現(xiàn)在第1次爆破中，大小分別為3.05、1.90 mm/s，顯然此次振動測試的質(zhì)點峰值振動速度遠小于此標準，所以可以初步判定爆破試驗所產(chǎn)生的爆破振動對兩座尾礦壩體穩(wěn)定性的影響在允許范圍內(nèi)，爆破振動對尾礦壩體的穩(wěn)定性沒有顯著影響。

2.3 爆破振動信號頻譜分布特征

爆破地震波在傳播過程中振動強度不斷衰減，但信號的主振頻帶存在向低頻發(fā)展的趨勢，然而工程結(jié)構(gòu)體的自振頻率通常較低，產(chǎn)生的破壞效應可能更大[14-15]。因此，僅考慮振速而不區(qū)分頻率成分的爆破安全標準是欠合理，為了更好地表現(xiàn)爆破地震波在尾礦壩各處的能量成分特征，可以通過爆破振動信號功率譜從頻域補充爆破振動信號從低頻到高頻成分能量的組成狀況。第一次爆破試驗的單段最大藥量最大，且徑向峰值振速較大，故在此選擇第一次爆破的信號分別繪制1號尾礦壩和2號尾礦壩在徑向的功率譜如圖2所示。

圖2 不同測點的徑向爆破振動信號頻譜Fig.2 Spectrum of radial blasting vibration signal for different measuring points

根據(jù)圖2可以看出，信號能量的優(yōu)勢頻段在5～40 Hz，各成分含量在頻率軸上具有區(qū)域集中又分布不均勻的特點，距離較遠的2號尾礦壩監(jiān)測到信號的功率譜曲線突峰數(shù)量逐漸減小且向低頻方向集中，這說明與低頻成分相比高頻成分衰減更慢。2號尾礦壩處信號主振頻率的功率譜密度峰值振幅較大，這表示雖然低頻成分的比重隨著傳播距離的增大而增大，但爆破地震波的低頻成分能量已經(jīng)發(fā)生衰減，爆破振動破壞2號尾礦壩穩(wěn)定的可能性也隨之減小。

2.4 基于GeoStudio的穩(wěn)定性分析

對于離爆源最近的1號尾礦壩，使用GeoStudio軟件模擬爆破振動作用下尾礦壩的穩(wěn)定性分析。模擬根據(jù)現(xiàn)場實際情況，建立1號尾礦庫模型，相關(guān)材料力學參數(shù)選定見表2，壩體剖面圖見圖3。模擬過程中采用SIGMA/W(巖土應力變形分析軟件)、SLOPE/W(邊坡穩(wěn)定性分析軟件)和QUAKE/W(地震動力響應分析軟件)模塊，依次對爆破振動產(chǎn)生前的初始應力場與爆破振動作用時的應力場，分析采區(qū)生產(chǎn)爆破產(chǎn)生的振動對尾礦壩穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)極限平衡理論進行分析計算，得到爆破振動下的尾礦壩的安全系數(shù)，并以此來判斷尾礦壩的穩(wěn)定性。

表2 尾礦壩材料力學參數(shù)

圖3 尾礦壩壩體剖面Fig.3 The profile of tailings

為對尾礦壩施加爆破振動荷載，選用1號尾礦壩峰值振動速度最大的那一組徑向信號為輸入載荷，由于現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測為質(zhì)點振動速度信號，因此將其轉(zhuǎn)化為質(zhì)點加速度信號，嵌套SLOPE/W模塊分析邊坡在爆破振動擾動下的穩(wěn)定性，同時求解穩(wěn)定性系數(shù)時程曲線，分析滑移面與計算結(jié)果見圖4所示。

圖4 尾礦壩穩(wěn)定性分析結(jié)果Fig.4 Stability analysis results of tailings dam

從計算結(jié)果可以看出，在爆破振動擾動下尾礦壩的安全系數(shù)浮動范圍(1.364～1.506)相近，安全系數(shù)均大于極限平衡法中瑞典圓弧滑動法允許的穩(wěn)定性最小安全系數(shù)1.20。1號尾礦壩潛在滑移面主要表現(xiàn)為淺層滑移破壞，典型滑移面形狀為圓弧形，分布在120～150 m之間。初始狀態(tài)時，尾礦壩的穩(wěn)定系數(shù)為1.452；施加完振動荷載之后，穩(wěn)定系數(shù)為1.441。相對于初始狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化不大，說明了爆破振動并未對尾礦壩結(jié)構(gòu)造成較大的變形，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強度沒有明顯的下降。不過模擬結(jié)果并未證明，尾礦壩在采場頻繁爆破作用下，振動荷載是否會對尾礦壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響，所以需要重視爆破振動對尾礦壩的穩(wěn)定性影響，對爆破振動強度分析與預測后進行爆破參數(shù)優(yōu)化。

3 爆破振動強度分析與預測

3.1 薩道夫斯基公式擬合分析

爆破振動破壞程度與振動速度大小的相關(guān)性比較密切，且爆破振動衰減規(guī)律與場地地質(zhì)、地形條件等因素有關(guān)，故在本次試驗分析采用質(zhì)點振動速度作為衡量爆破地震波強度的標準，對質(zhì)點峰值振動速度采用薩道夫斯基公式：

(1)

式中：v為監(jiān)測點處的質(zhì)點峰值速度，cm/s；Q為單段最大爆破藥量，kg；K為與爆區(qū)周圍巖性、爆破方式等因素的相關(guān)系數(shù)；α為爆破地震波傳播途徑和地質(zhì)地形等因素有關(guān)的衰減系數(shù)。

根據(jù)本次試驗確定與爆區(qū)周圍巖性及地形有關(guān)的K、α取值，基于數(shù)值計算軟件MATLAB進行擬合分析，擬合結(jié)果如圖5所示，最終得到K=81.348，α=1.153。

圖5 薩道夫斯基公式擬合結(jié)果Fig.5 The fitting result of Sadov's vibration formula

由于爆破振動引起的建筑物、結(jié)構(gòu)物或巖土體等的破壞受到多種因素的影響，比如破壞過程的復雜性和巖土介質(zhì)的多變性等，而且關(guān)于尾礦壩爆破振動允許標準還未有統(tǒng)一規(guī)定，一般當質(zhì)點峰值振動速度大于允許值時應暫停現(xiàn)場爆破工作，并依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合的薩道夫斯基公式合理預測尾礦壩處的振動強度，以控制爆破藥量與安全距離。

3.2 安全距離與最大允許爆破藥量估算

為了預防正常采場爆破作業(yè)對周邊尾礦壩的穩(wěn)定性造成威脅，通過控制變量法對采場單段最大藥量和最小爆破安全距離進行了預測分析，并按照爆破振動控制標準及設計要求，根據(jù)薩道夫斯基公式與經(jīng)驗參數(shù)進行測算(K=81.348，α=1.153)，探究不同振速控制標準情況下安全距離與最大允許段藥量。

根據(jù)安全規(guī)程與經(jīng)驗判斷尾礦壩的安全振速應該不超過15～25 mm/s的范圍內(nèi)，故此設置最大振速為3、5、10、15 mm/s條件下安全閾范圍曲線。測算方式以采區(qū)爆破作業(yè)正常藥量500～1 800 kg范圍為界限，可得到最小爆破安全距離的變化(安全范圍內(nèi)邊界紅色區(qū)域臨界危險)如圖6所示。測算方式以采區(qū)爆源的較近的距離范圍為界限，則得到最大安全藥量的變化如圖7所示。

圖6 最小爆破安全距離預測Fig.6 The prediction of minimum blasting safety distance

圖7 最大爆破安全藥量預測Fig.7 The prediction of maximum blasting safety charge

根據(jù)圖6規(guī)范出所規(guī)定的振動速度允許值，一定的爆破藥量(藥量從500～1 800 kg，每100 kg一級)對應著一個最小安全距離，生產(chǎn)過程中根據(jù)起爆炸藥量嚴格控制安全距離，以防爆破作業(yè)會對尾礦壩的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。由圖7中規(guī)定的振動速度允許值，在爆破距離一定的情況下(此采區(qū)爆破與尾礦壩距離在200～650 m范圍)應嚴格控制生產(chǎn)過程中一次起爆的藥量，否則也會對尾礦壩的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語

本文針對露天礦山周邊尾礦壩受到爆破振動擾動的安全穩(wěn)定性問題，分別進行了現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、爆破振動測試、尾礦壩穩(wěn)定性模擬分析及爆破振動強度預測。在正常生產(chǎn)爆破過程中，所測試的最大振動速度小于規(guī)范中的允許值，爆破振動對尾礦壩體穩(wěn)定性的影響均在允許范圍內(nèi)?；贕eoStudio軟件的尾礦壩穩(wěn)定性分析證明了爆破振動未對尾礦壩結(jié)構(gòu)完整性造成較大影響。通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行線性回歸，得到該礦區(qū)地質(zhì)條件和爆破開采條件下的薩道夫斯基公式，并對最大允許爆破藥量和最小爆破安全距離等重要安全參數(shù)進行分析推算，以此為控制與優(yōu)化爆破施工參數(shù)提供依據(jù)。采區(qū)正常爆破作業(yè)產(chǎn)生的爆破振動對尾礦庫的影響很小，并在今后通過嚴格控制安全距離和最大爆破藥量的方式可在一定程度避免對周邊尾礦壩穩(wěn)定產(chǎn)生影響。此次爆破振動對臨近尾礦壩的安全影響分析能為其他類似爆破工程的安全控制提供一定的參考借鑒。