礦山滑坡危巖體定向拆除拋擲爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方法

胡 斌 賈雅蘭 李 京 魏二劍 馬利遙

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430081;2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430081)

礦山滑坡危巖體在極限狀態(tài)下極易發(fā)生二次滑坡災(zāi)害，破壞性大，危害性強(qiáng)，如何安全快速地進(jìn)行排險(xiǎn)一直是困擾礦山企業(yè)的實(shí)際難題。若不及時(shí)采取應(yīng)急措施對危巖體進(jìn)行治理，會(huì)對下游的工作人員和設(shè)施造成威脅，對礦山的安全生產(chǎn)提出了巨大挑戰(zhàn)。目前滑坡危巖體的治理方式多采用削坡減載、支擋工程和錨固工程等措施[1-3]。劉國栓等[4]提出了削坡減載+壓腳的方式治理東明露天礦潛在滑坡體;牛涌等[5]采用抗滑樁+錨固結(jié)合的措施對滑坡進(jìn)行了綜合治理;黃士奎等[6]對滑坡進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力錨桿抗滑樁支護(hù);潘長勝等[7]采用削坡降坡、錨桿加固等方式對山體滑坡進(jìn)行了加固處理;李嘉雨等[8]采取抗滑樁與截排水溝結(jié)合治理滑坡;田青懷等[9]對滑坡采用錨桿加固等綜合措施進(jìn)行處理。上述研究表明，削坡減載、抗滑樁、錨桿錨索等方法在滑坡治理中已有廣泛應(yīng)用。然而對于滑坡危巖體，應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場條件，及時(shí)采用安全有效的應(yīng)急治理方法。磨環(huán)凼西側(cè)滑坡危巖體由于其特殊性及復(fù)雜性，上述幾種治理方式的適用性不理想。因此需針對性地提出合理的應(yīng)急排險(xiǎn)方法，以實(shí)現(xiàn)危巖體的安全快速有效治理，避免造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

因應(yīng)急排險(xiǎn)治理方法現(xiàn)場試驗(yàn)的不可逆性，眾多學(xué)者選擇具有可重復(fù)性、成本低、仿真性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的數(shù)值模擬手段對滑坡治理效果進(jìn)行分析論證。目前主要使用ANSYS/LS-DYNA[10-11]、FLAC3D[12-13]以及PFC[14-15]等軟件模擬爆破過程，其中PFC顆粒流離散元軟件可以模擬巖土體開裂、分離等大變形現(xiàn)象的獨(dú)特優(yōu)勢，并能夠準(zhǔn)確反映巖土體顆粒爆破拋擲過程和爆堆堆積效果。因此，可采用PFC軟件對應(yīng)急排險(xiǎn)方法的治理效果進(jìn)行論證。

本研究以磨環(huán)凼西側(cè)滑坡危巖體為例，提出一種定向拆除拋擲爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方法，并建立二維等比例礦山巖土體爆破動(dòng)力分析模型，使用PFC2D軟件對應(yīng)急爆破排險(xiǎn)方法的爆破效果進(jìn)行數(shù)值模擬，以期為安全快速處理該類滑坡危巖體及治理效果的提前驗(yàn)證提供一種新的手段，為類似礦山滑坡危巖體的應(yīng)急治理提供借鑒。

1 磨環(huán)凼西側(cè)滑坡危巖體工程概況

磨環(huán)凼西側(cè)滑坡危巖體位于黃山石灰石礦區(qū)西部高程685 m以上的山腰部位，目前開挖高程最高約810 m，滑坡體主要變形部分基本呈“簸箕狀”，如圖1所示。前緣以開挖邊坡為臨空面抵達(dá)685 m平臺(tái)，后緣以高程800 m平臺(tái)后沿為界，肉眼可見已貫通的裂縫。該段銀杏樹林高程810 m邊坡后緣向下錯(cuò)動(dòng)位移3～4 m，拉裂縫可見兩側(cè)土體光滑，并有擦痕。該區(qū)域的地層中存在多層延伸性較好的軟弱夾層，邊坡穩(wěn)定性受軟弱夾層影響較大，邊坡整體沿軟弱夾層滑動(dòng)[16]。胡斌等[17]對暴雨工況和暴雨+地震工況下該類邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，滑坡危巖體極易受到降雨和地震的影響出現(xiàn)二次失穩(wěn)，對礦山安全生產(chǎn)造成了重大隱患。故急需對該類滑坡危巖體進(jìn)行應(yīng)急治理，有效消除災(zāi)害隱患，保證礦山安全生產(chǎn)。

圖1 磨環(huán)凼西側(cè)滑坡危巖體Fig.1 Landslide dangerous rock mass on the west side of Mohuandang

2 定向拆除拋擲爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方法

為保證礦山人員設(shè)備安全，避免雨季來臨引起二次滑坡，需要對滑坡危巖體進(jìn)行應(yīng)急治理。常用的治理方法有:削坡減載、錨桿錨索、抗滑樁及防御繞避等。4種治理方案原理如圖2所示。

(1)削坡減載。滑坡危巖體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，若使用大型器械在上部進(jìn)行削坡減載作業(yè)，易對危巖體產(chǎn)生較大擾動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致危巖體二次滑動(dòng)，威脅人員和設(shè)備安全，且治理時(shí)間長，不適用于滑坡危巖體的應(yīng)急治理，如圖2(a)所示。

(2)錨桿錨索和抗滑樁。危巖體屬于待開采礦石，若采用錨桿錨索支護(hù)，需嵌入到深部穩(wěn)定基巖，如圖2(b)所示。若采用抗滑樁支擋，工程量大，兩種方法均不能徹底清除滑坡隱患，且該危巖體區(qū)域內(nèi)的礦石無法開采，將產(chǎn)生永久經(jīng)濟(jì)損失，如圖2(c)所示。

(3)防御繞避。需聯(lián)合其他措施共同實(shí)施，受礦山地形和上山公路坡度要求等限制，改線設(shè)計(jì)及施工時(shí)間長，滑坡體下方為礦山運(yùn)輸和人員作業(yè)的主要位置，不及時(shí)治理滑坡會(huì)對礦山安全生產(chǎn)造成威脅，如圖2(d)所示。

圖2 4種滑坡危巖體治理方法示意Fig.2 Schematic of four schemes for controlling landslide dangerous rock mass

上述幾種治理方法均不適合用于磨環(huán)凼西側(cè)滑坡危巖體應(yīng)急排險(xiǎn)，為克服上述滑坡治理措施的局限性，針對磨環(huán)凼西側(cè)滑坡危巖體的特殊工程地質(zhì)條件，根據(jù)城市高層建筑定向拆除爆破的技術(shù)思路，本研究提出了一種定向拆除拋擲爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方法，如圖3所示。

圖3 定向拆除拋擲爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方法思路來源示意Fig.3 Source schematic of the idea of directional demolition throwing blasting emergency elimination plan

本研究定向拋擲爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方法的依據(jù)為:①傳統(tǒng)工程地質(zhì)鉆探和物探手段確定滑動(dòng)面歷時(shí)長，為了在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行應(yīng)急處理，胡斌等[16]前期對該滑坡底滑面進(jìn)行了綜合反演識(shí)別，為應(yīng)急治理提供了底滑面的位置與空間形態(tài)，有助于炮孔深度的設(shè)計(jì);②作為滑坡底滑面的軟弱夾層能夠充當(dāng)預(yù)裂面，對后方邊坡起到緩沖作用;③滑坡體積不大，礦山區(qū)域較為空曠，有利于爆破方案的實(shí)施。

定向拋擲爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方法的具體設(shè)計(jì)方案為:在740、760、780 m平臺(tái)上布置多排炮孔，以50 ms的起爆時(shí)差，自下而上，由坡面向內(nèi)進(jìn)行毫秒微差起爆，以將危巖體定向拋擲到坡腳685m平臺(tái)處(礦山理想采裝運(yùn)輸位置)，待爆堆清理工作完成后，滑坡危巖體應(yīng)急治理結(jié)束。定向拆除爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方案原理如圖4所示。計(jì)算得到各平臺(tái)拋擲爆破炮孔設(shè)計(jì)參數(shù)取值見表1，典型炮孔布置剖面如圖5所示。

圖5 典型炮孔布置剖面(單位:m)Fig.5 Profile of the layout of typical blasting holes

表1 拋擲爆破炮孔主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the blasting holes for throwing blasting

圖4 定向拆除爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方案示意Fig.4 Schematic of directional demolition blasting emergency elimination scheme

為驗(yàn)證本研究提出的定向拋擲爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方法效果，選擇可以準(zhǔn)確反映巖土體顆粒爆破拋擲過程和爆堆堆積效果的離散元顆粒流軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析計(jì)算驗(yàn)證，獲得最終應(yīng)急治理的數(shù)值模擬效果。定向拆除拋擲爆破治理滑坡危巖體的具體流程如圖6所示。

圖6 定向拆除拋擲爆破治理滑坡危巖體流程Fig.6 Process of directional demolition throwing blasting method to control landslide dangerous rock mass

本研究方法的優(yōu)點(diǎn)為:①施工期產(chǎn)生的擾動(dòng)小，施工安全性高;②可將軟弱夾層上方滑坡危巖體全部清除，治理效果好，治理結(jié)束后不會(huì)產(chǎn)生新的安全隱患;③一次性穿孔、爆破，治理時(shí)間相對較短;④將礦石直接拋擲到685 m平臺(tái)，節(jié)省了礦山的二次破碎和運(yùn)輸成本，方便采裝、運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)了危巖體礦石的回收利用。

本工程的爆破飛散物主要是爆破中的飛石，對于臺(tái)階爆破，爆破飛石距離RF計(jì)算公式[18]為

式中，KF為安全系數(shù)，KF=1.0;n為最大一個(gè)藥包的爆破作用指數(shù)，本研究取1.2;W為最大一個(gè)藥包的最小抵抗線，m，本研究取7 m。

計(jì)算得到RF=202 m。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)相關(guān)規(guī)定，對人員存在的場所進(jìn)行爆破時(shí)的最小安全距離不得小于200 m，故本研究最小安全警戒范圍取202 m符合要求。

3 應(yīng)急爆破排險(xiǎn)方法數(shù)值模擬驗(yàn)證

3.1 炸點(diǎn)顆粒膨脹法

顆粒流軟件中通常采用炸點(diǎn)顆粒膨脹法模擬爆破作用。集中藥包作用下，爆破應(yīng)力波常被等效為脈沖應(yīng)力波，以球面波形式自炸點(diǎn)處傳出，將其簡化為半正弦波，上升和下降時(shí)間相等，其表達(dá)式為[19]

式中，p(t)為氣體壓力，MPa;A為炮孔內(nèi)壓力峰值，MPa;ΔT為爆破應(yīng)力作用時(shí)間，ms;t為持續(xù)時(shí)間，ms。

常規(guī)爆破作用時(shí)間小于10 ms[20]，本研究ΔT=10 ms。

PFC中模擬爆破作用方法是將同爆破荷載相應(yīng)的爆破應(yīng)力波施加在炮孔壁。耦合裝藥時(shí)，藥室壁受到的沖擊壓力p2[19]為

式中，ρ0為炸藥密度，kg/m3;ρr0為巖石密度，kg/m3;r0為藥包炸點(diǎn)半徑，m;cp為巖體中縱波波速，m/s;D為炸藥爆速，m/s;pc為爆轟波陣面的壓力，MPa，pc=ρ0·D2/4。

集中裝藥的爆炸作用如圖7所示，內(nèi)圓為炸點(diǎn)，外圓為膨脹后炸點(diǎn)，顆粒膨脹時(shí)，會(huì)擠壓周圍顆粒產(chǎn)生疊加量。據(jù)顆粒接觸原理，藥包炸點(diǎn)半徑r0，中心固定，炸點(diǎn)顆粒半徑膨脹達(dá)到爆破空腔半徑時(shí)，巖石壁上的作用壓力為p2，同時(shí)對周圍顆粒擠壓產(chǎn)生徑向推力，該推力和[19]為

圖7 集中裝藥爆炸作用施加示意Fig.7 Schematic of the explosive effect of the concentrated charge

式中，Kn為顆粒接觸剛度，N/m;p2為炮孔壁設(shè)計(jì)壓力，MPa;dr為藥包顆粒膨脹量。

已知接觸剛度和爆炸壓力條件，顆粒半徑變化峰值[19]為

顆粒半徑的加載按照式(2)和式(5)變化時(shí)，膨脹擠壓產(chǎn)生的爆炸壓力將作用于巖體介質(zhì)。

3.2 無反射邊界

刪除邊界墻之后，通過PFC軟件中的FISH語言進(jìn)行二次開發(fā)，分組設(shè)置邊界顆粒，定義分組顆粒指針，對邊界顆粒施加式(6)[21]所示的邊界力來設(shè)置無反射邊界，以吸收入射波動(dòng)能，將有限模型擴(kuò)大到實(shí)際工況的無限介質(zhì)，有助于提高動(dòng)力分析的準(zhǔn)確性。

式中，F(xiàn)為邊界力，N/m;R為顆粒半徑，m;ρ為介質(zhì)密度，kg/m3;ξ為縱波彌散效應(yīng)修正系數(shù);η為橫波彌散效應(yīng)修正系數(shù);Cp為縱波波速，m/s;Cs為橫波波速，m/s;為顆粒的法向運(yùn)動(dòng)速度，m/s;為顆粒的切向運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

在爆破作用過程中，應(yīng)力波傳播的彌散效應(yīng)不可忽視，因此需要考慮修正系數(shù)，才能獲得相對理想的效果。在軟件中生成一個(gè)尺寸為30 m×2 m(長×寬)的模型，左側(cè)邊界施加入射波，右側(cè)邊界設(shè)置為透射邊界，模型左側(cè)和中間位置設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)1和監(jiān)測點(diǎn)2，無反射邊界的測試模型如圖8所示，刪除左右下邊界墻，設(shè)置透射邊界后的模型如圖9所示，彌散系數(shù)為0.3時(shí)得到的應(yīng)力波吸收效果良好，如圖10所示。

圖8 無反射邊界的測試模型Fig.8 Test model of non-reflective boundary

圖9 設(shè)置無反射邊界Fig.9 Setting the no-reflection boundary

圖10 透射波的吸收效果Fig.10 Absorption effects of transmitted waves

無反射邊界FISH語言二次開發(fā)部分代碼簡列如下:

(1)制定邊界范圍。選取模型邊界附近的顆粒定義分組，代碼如下:

ball group′left_right′ range x [xxmin-0.25][xxmin+0.25]

ball group′left_right′ range x [xxmax-0.25] [xxmax+0.25]

ball group′bottom′ range y [yymin-0.25] [yymax+0.25]

(2)無反射邊界設(shè)置。定義指針，施加式(6)中的邊界力，代碼如下:

sss=ball.group(bp)

if sss=left_right" then

xvel000=ball.vel.x(bp)

yvel000=ball.vel.y(bp)

ball.force.app(bp，1)=-dense*WaveSpeed*xvel000*2.0*ball.radius(bp)*0.3

ball.force.app(bp，2)=-dense*WaveSpeed*yvel000*2.0*ball.radius(bp)*0.3

endif

3.3 模型構(gòu)建

根據(jù)礦山邊坡實(shí)際情況建立數(shù)值分析模型，具體建模步驟如下:

(1)邊界設(shè)置。使用wall create生成墻體wall，劃定顆粒生成范圍。

(2)顆粒生成。使用ball generate生成顆粒，定義assemble_sc和expand函數(shù)實(shí)現(xiàn)顆粒的分布膨脹，通過多次膨脹及迭代達(dá)到指定顆粒大小。

(3)消除懸浮顆粒，賦材料。初步應(yīng)力分布均勻后，利用identify_floaters函數(shù)消除懸浮顆粒，以保證ball-ball和ball-wall至少有3個(gè)接觸點(diǎn)，將模型材料賦予石灰?guī)r細(xì)觀參數(shù)，設(shè)置多個(gè)炸點(diǎn)顆粒，模型在重力條件下進(jìn)行平衡之后，固定邊界顆粒。

(4)無反射邊界設(shè)置。刪除左右下側(cè)wall，移動(dòng)上側(cè)wall，重新對試樣進(jìn)行壓密后刪除上側(cè)wall，設(shè)置無反射邊界。

(5)邊坡模型建立。導(dǎo)入dxf文件，使用geometry命令對模型顆粒進(jìn)行分組;使用geometry delete命令刪除邊坡外顆粒，將軟弱夾層細(xì)觀參數(shù)賦予材料，定義炸點(diǎn)后形成最終邊坡。

模型構(gòu)建涉及的相關(guān)細(xì)觀力學(xué)參數(shù)取值見表2，建立的邊坡模型如圖11所示。

表2 顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)Table 2 Micromechanical parameters of particles

圖11 邊坡數(shù)值模型Fig.11 Slope numerical model

4 應(yīng)急爆破排險(xiǎn)效果

對定向拆除拋擲爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方法進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，得到不同時(shí)步下顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖12所示。結(jié)合礦區(qū)已有的采裝運(yùn)輸設(shè)備，將塊度大于0.6 m的礦巖定義為大塊。對邊長大于0.6 m的大塊顆粒面積和爆破顆?？偯娣e進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，二者百分比為大塊率。模擬過程分析如下:

(1)0時(shí)步時(shí)，按740 m—760 m—780 m的起爆順序，以50 ms的起爆時(shí)差自坡面向內(nèi)依次起爆，炸點(diǎn)顆粒向外膨脹擠壓周圍顆粒，同時(shí)傳遞能量，740 m平臺(tái)坡頂顆粒速度最先出現(xiàn)增大，裂隙自炸點(diǎn)爆炸后產(chǎn)生，并逐漸延伸至滑坡危巖體后緣，此時(shí)顆粒速度受重力影響不明顯，如圖12(a)所示。

(2)1 000時(shí)步時(shí)，740 m平臺(tái)坡頂顆粒率先出現(xiàn)拋擲現(xiàn)象，760 m和780 m平臺(tái)的坡頂顆粒速度逐漸增大，開始向外運(yùn)動(dòng)，滑坡危巖體在爆破作用下松散程度加大，裂隙繼續(xù)發(fā)展，如圖12(b)所示。

(3)5 000時(shí)步時(shí)，滑坡危巖體完全破碎，740、760、780 m 3個(gè)平臺(tái)的顆粒均拋擲出坡體，爆破拋擲程度進(jìn)一步加深，如圖12(c)所示。

(4)12 000時(shí)步時(shí)，爆破能量逐漸被消耗，部分拋擲顆粒開始落在740 m下方坡面，爆破作用使得危巖體顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度降低，未拋擲出坡面的上覆危巖體顆粒在重力作用下出現(xiàn)垮塌，開始沿坡面滑動(dòng)，滑移過程中經(jīng)過720 m平臺(tái)平面，前方顆粒開始出現(xiàn)減速，后方顆粒在推擠前方的同時(shí)，重力勢能被不斷消耗，運(yùn)動(dòng)速度逐漸降低，如圖12(d)所示。

(5)在爆破能量和重力相互作用下，危巖體顆粒被拋擲到685 m平臺(tái)，沿坡面滑動(dòng)的部分危巖體顆粒在重力勢能完全耗散后，小部分留在720 m安全平臺(tái)，系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，在685 m平臺(tái)形成爆堆，爆堆的堆積狀態(tài)如圖12(e)所示。

圖12 不同時(shí)步的顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.12 Particle motion states at different time steps

數(shù)值模擬最終結(jié)果顯示，爆破后邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得大塊率為8%，且無根底。危巖體顆粒拋擲后落于685 m平臺(tái)，最遠(yuǎn)飛石拋擲距離為186 m，符合《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中對人員存在的場所進(jìn)行爆破時(shí)的最小安全距離設(shè)定，危巖體爆堆最大高度為22 m，爆堆堆積在滑坡危巖體坡腳685 m平臺(tái)，符合礦山企業(yè)理想的采裝運(yùn)輸位置要求，實(shí)現(xiàn)了危巖體礦石資源的安全快速回收利用，有助于解決滑坡危巖體威脅安全生產(chǎn)的問題，方案滿足初始設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

針對含緩傾軟弱夾層石灰石礦山特殊工程地質(zhì)條件下的滑坡危巖體應(yīng)急排險(xiǎn)及其治理效果合理驗(yàn)證中遇到的難題，以磨環(huán)凼西側(cè)滑坡危巖體為研究對象，提出了一種定向拆除拋擲爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方法;建立了等比例礦山邊坡爆破動(dòng)力分析數(shù)值模型，采用炸點(diǎn)顆粒膨脹法模擬爆破作用，利用FISH語言設(shè)置了無反射邊界，并對應(yīng)急排險(xiǎn)方法的最終排險(xiǎn)爆破效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。主要取得如下結(jié)論:

(1)采用定向拆除拋擲爆破應(yīng)急排險(xiǎn)方法對滑坡危巖體進(jìn)行應(yīng)急治理，克服了傳統(tǒng)滑坡治理手段擾動(dòng)大、治標(biāo)不治本的不足，可以安全、快速、徹底地清理滑坡，而且爆破后產(chǎn)生的大量礦石又實(shí)現(xiàn)了資源的充分利用，為類似礦山滑坡危巖體處理提供了一種新的應(yīng)急治理手段，有助于確保含緩傾軟弱夾層石灰石礦山安全生產(chǎn)。

(2)采用740 m—760 m—780 m的起爆順序，以50 ms的起爆時(shí)差自坡面向內(nèi)依次起爆炸點(diǎn)，前排孔起爆之后可為后排孔起爆創(chuàng)造自由面，下排孔起爆后能為上一平臺(tái)炮孔起爆提供微裂隙和自由面，有利于上層平臺(tái)危巖體的爆破拋擲。模擬結(jié)果顯示:爆破后邊坡呈穩(wěn)定狀態(tài)，大塊率低，無根底，拋擲顆粒大多落到685 m平臺(tái)上，最遠(yuǎn)飛石拋擲距離為186 m，符合《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)設(shè)置的飛石控制安全距離，危巖體爆堆最大高度為22 m，爆堆主要堆積在滑坡危巖體坡腳685 m平臺(tái)，符合礦山理想的采裝運(yùn)輸位置要求。

(3)類似礦山在進(jìn)行滑坡危巖體應(yīng)急治理時(shí)，仍需結(jié)合礦山實(shí)際工程地質(zhì)條件，合理運(yùn)用本研究提出的滑坡危巖體治理方法，以實(shí)現(xiàn)最佳的應(yīng)急排險(xiǎn)效果。本研究僅構(gòu)建了二維模型，在后續(xù)爆破方案的數(shù)值模擬研究中，可以建立三維邊坡爆破動(dòng)力模型來進(jìn)一步地探索。