鄰近高陡邊坡采礦爆破振動規(guī)律及邊坡穩(wěn)定性分析

吳禮軍，徐文彬

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

隨著某銅礦露天開采深度的增加，可開采的范圍越來越小，其生產(chǎn)能力受到較大制約，穩(wěn)定產(chǎn)量難以得到保證，勢必影響礦山的經(jīng)濟(jì)效益。為保證穩(wěn)定的礦石產(chǎn)量和最大限度回收資源，急需對鄰近高陡邊坡的礦產(chǎn)資源進(jìn)行回采。但是，隨著礦山開采深度的增加和工程地質(zhì)條件的改變，且高陡邊坡的穩(wěn)定性變?nèi)?；此外，陡幫上仍需要保留礦石運(yùn)輸公路、防洪設(shè)施以及生產(chǎn)相關(guān)的建筑物等，在此條件下，要確保開采擾動對高陡邊坡及邊坡建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生最小的影響[1-3]。因此，及時對礦山爆破振動進(jìn)行監(jiān)測以及對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析具有重要意義。根據(jù)爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)與回歸分析，能推導(dǎo)出爆破振速衰減規(guī)律，進(jìn)而調(diào)整現(xiàn)場的爆破參數(shù)；通過Geo-Studio軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，對邊坡不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行加固，使得礦山生產(chǎn)更加安全[4-10]。

本文以某銅礦鄰近高陡邊坡的礦產(chǎn)資源回采為背景，對高陡邊坡重要設(shè)施進(jìn)行爆破振動監(jiān)測，以此來評估采場爆破振動對高陡邊坡重要設(shè)施的危害程度，同時對現(xiàn)場爆破振動實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到表征該礦質(zhì)點(diǎn)振動速度衰減規(guī)律，對類似高陡邊坡爆破開采提供參考。此外，使用Geo-studio軟件對高陡邊坡下礦體開采對邊坡的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同開采階段邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程概況

根據(jù)勘探線剖面圖，建立礦區(qū)原始礦體三維立體模型，礦體模型如圖1所示。Ⅳ礦體南北方向分布于1～13勘探線之間，走向長度約626 m，礦體厚度最小6.3 m，最大32.48 m，平均14.21 m。礦體走向北偏東，傾向南東，傾角較陡，傾角約51°～72°。

2 爆破振動監(jiān)測

2.1 振動測點(diǎn)布置

爆破振動測點(diǎn)的布置方法主要取決于測量的目的。為了監(jiān)測爆破振動效應(yīng)及其對周圍建(構(gòu))筑物的影響，可以將測點(diǎn)布置在如下位置：結(jié)構(gòu)物關(guān)鍵部位的基礎(chǔ)表面或臺階坡頂、坡腳處。本次共選取10個監(jiān)測點(diǎn)對爆破振動進(jìn)行監(jiān)測，包括砌塊建筑物、道路、水溝等建筑設(shè)施。實(shí)施爆破前，爆破監(jiān)測設(shè)備均預(yù)先布置在監(jiān)測點(diǎn)。

2.2 爆破振動測量系統(tǒng)

爆破振動測試系統(tǒng)主要由振動傳感器、振動信號記錄儀、筆記本電腦和輸出設(shè)備(打印機(jī)或文件輸出)組成。本項(xiàng)目所使用的儀器為Blast-UM型爆破測振儀，量程為0.001～35 cm/s，頻率范圍為5～300 Hz，具有0.008、0.017、…、14 cm/s等12個觸發(fā)電頻。

2.3 爆破振動回歸分析

大量的現(xiàn)場試驗(yàn)和觀測表明，爆破振動破壞程度與質(zhì)點(diǎn)振動速度的大小相關(guān)性最好，與傳播地震波的巖土性質(zhì)也有較穩(wěn)定的關(guān)系[11]。爆破振動的質(zhì)點(diǎn)振動速度隨距離的衰減規(guī)律常用薩道夫斯基公式來描述

(1)

式中:v為測點(diǎn)處的質(zhì)點(diǎn)振動速度，cm/s；Q為裝藥量，kg；R為測點(diǎn)至爆破中心的距離，m；K為與爆破場地條件有關(guān)的衰減系數(shù)；α為與地質(zhì)條件有關(guān)的衰減指數(shù)。

對式(1)兩端取對數(shù)

(2)

y=mx+b

(3)

對于每一組樣本數(shù)據(jù)，Q、R都是確定的，K、α值，即式(3)中的b、m可按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的最小二乘法求出[12]。

3 爆破振動監(jiān)測結(jié)果與分析

在邊坡爆破振動監(jiān)測結(jié)束后，選取10個爆破監(jiān)測點(diǎn)中爆破測振儀數(shù)據(jù)采集結(jié)果較好的三向時程信息。對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的振動頻率和振動速度進(jìn)行整理分析，所記錄的爆破振動速度和主振頻率等實(shí)測參數(shù)如表1所示。

表1 爆破振動實(shí)測參數(shù)

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，爆破振動質(zhì)點(diǎn)的振動速度與爆心距沒有絕對的關(guān)系，但總體來說，質(zhì)點(diǎn)的振動速度隨爆心距的增加而減小。其中，y方向(水平切向)的振動速度是3個方向的振動速度峰值中最大的。在10號測點(diǎn)y方向的振動速度最大，為0.687 4 cm/s。振動頻率隨爆心距的增加大致表現(xiàn)出減小的趨勢，3個方向主頻范圍大多集中在20～50 Hz之間，爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)均在建筑物允許振動速度范圍內(nèi)，因此，爆破振動對邊坡建筑物不會產(chǎn)生危害。

根據(jù)式(3)對表2中的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到該高陡邊坡爆破振動的衰減系數(shù)理論值，露天邊坡爆破振動擬合如下所示：

(4)

最終確定該高陡邊坡爆破振動衰減系數(shù)K值為151.978，α值為1.409，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果滿足《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[13]中對于K值和α值的取值要求。

通過薩道夫斯基公式線性回歸得到該高陡邊坡爆破振動的衰減規(guī)律，可用來預(yù)測該礦山未來爆破作業(yè)產(chǎn)生的爆破振動速度，并進(jìn)行單段最大藥量、延時時間等爆破參數(shù)的優(yōu)化。經(jīng)過該礦山爆破實(shí)踐表明，通過線性回歸得到的振動衰減公式應(yīng)用效果較好。

4 邊坡穩(wěn)定性模擬分析

4.1 模型的建立

根據(jù)勘探線剖面圖分別建立邊坡模型，選定邊坡的下界為-100 m，上界視剖面而定的區(qū)域作為有限元數(shù)值模擬Geo-Studio的計(jì)算剖面。模型范圍內(nèi)主要巖層結(jié)構(gòu)可以分為上盤、下盤和礦體。結(jié)合實(shí)際情況及剖面形狀對邊坡計(jì)算模型做適當(dāng)?shù)暮喕蠼⑦吰聰?shù)值模型，如圖2所示。

4.2 參數(shù)選擇

由于采礦活動破壞了巖體的自然平衡狀態(tài)，不平衡狀態(tài)將引起巖體變形以及巖石中應(yīng)力場的調(diào)整和重新分布。因此，在模擬前先做應(yīng)力重分布模擬。

在應(yīng)力重分布模擬中，各巖層材料都選用彈塑性本構(gòu)模型。一般而言，由于大量結(jié)構(gòu)弱面的存在，巖體力學(xué)參數(shù)遠(yuǎn)小于巖石力學(xué)參數(shù)。對于地質(zhì)與采礦條件極為復(fù)雜的礦山，巖體力學(xué)參數(shù)的選取是非常困難的，一般采用工程折減的辦法，將巖石力學(xué)參數(shù)折算為巖體力學(xué)參數(shù)。其中彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角等參數(shù)選自該礦山的地質(zhì)報告中，相關(guān)巖石參數(shù)如表2所示。

表2 材料模型參數(shù)

4.3 邊界條件

應(yīng)力重分布分析時，只考慮模型的重力作用，在設(shè)置邊界條件時通常只需要約束研究對象的底邊和左右兩側(cè)邊。因此，在做邊坡應(yīng)力重分布模擬時選用的邊界條件是：邊坡模型左右兩側(cè)固定x方向位移，邊坡底部固定x-y方向位移。

4.4 模擬結(jié)果與分析

4.4.1 初始邊坡安全系數(shù)

使用GeoStudio軟件，選擇SIGMA/W模塊分析，在分析類型中選擇“應(yīng)力重分布”分析類型，設(shè)置收斂性及時間參數(shù)。輸入模型材料相關(guān)參數(shù)，繪制材料模及相應(yīng)的邊界條件，檢查、優(yōu)化模型，求解。在SLOPE/W中建立模型，繪制材料參數(shù)，得到滑移面及安全系數(shù)。根據(jù)以上步驟對不同勘探線剖面進(jìn)行模擬，得到其邊坡的初始安全系數(shù)，如圖3所示。

不同計(jì)算方法對應(yīng)邊坡的安全系數(shù)如表3所示，從表4看出，5#勘探線剖面相較于7#勘探線的坡度更大，其穩(wěn)定性略差于7#勘探線剖面。同時，各個剖面初始邊坡安全系數(shù)值均在1.3以上，穩(wěn)定性較好。因此，以剖面5#勘探線剖面經(jīng)過的W4礦體為例，進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

表3 各剖面安全系數(shù)計(jì)算

4.4.2 礦體開采模型

開采模型穩(wěn)定性模擬和初始邊坡穩(wěn)定性模擬相同。根據(jù)3#、5#、7#勘探線剖面與0 m水平的投影和0 m高程礦體的位置關(guān)系，得到每個礦塊的剖面圖。礦塊的寬度由勘探線所截剖面確定，高度為50 m。從0 m中段開始，每個中段以嗣后充填法的順序進(jìn)行開采，不同中段從下往上開采。在此以W4礦體為例，得到的模擬結(jié)果如圖4所示。

不同計(jì)算方法對應(yīng)邊坡的安全系數(shù)匯總?cè)绫?所示。以W4礦體為例，向上開采時，0、50、100、150 m中段安全系數(shù)分別為1.383、1.348、1.256、1.214，即越向上開采，邊坡的安全系數(shù)越低。

表4 W4礦體各中段安全系數(shù)

根據(jù)安全系數(shù)F對礦山采場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行風(fēng)險分級，將邊坡滑坡風(fēng)險等級分為4級，等級越高，滑坡風(fēng)險越小，露天邊坡越穩(wěn)定(見表5)。非正常工況是指在考慮爆破振動或地震、暴雨等荷載下邊坡的安全系數(shù)。一般將邊坡安全等級分為3級，滑坡風(fēng)險等級指數(shù)為1時為危險，滑坡風(fēng)險等級指數(shù)為2時為安全Ⅱ級，滑坡風(fēng)險等級指數(shù)為3、4時為安全Ⅰ級。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性模擬的結(jié)果，對開采礦塊進(jìn)行安全等級劃分。W4礦體0 m中段和50 m中段開采邊坡安全系數(shù)F值均大于1.3，50 m以上中段F值均大于1.2，因此W4礦體開采過程中邊坡均為安全Ⅰ級。安全結(jié)果分級表明，高陡邊坡下礦體開采過程中邊坡均為穩(wěn)定狀態(tài)，可使用現(xiàn)有采礦工藝開采。

表5 采場邊坡滑坡風(fēng)險等級

5 結(jié)論

1)根據(jù)該高陡邊坡現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測結(jié)果可知，該礦爆破振動主頻范圍大多集中在20～50 Hz，最大振速為0.687 4 cm/s，與《爆破安全規(guī)程》(GB 6700-2014)規(guī)定的爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，所有振速均在安全范圍內(nèi)，對邊坡上的建筑設(shè)施無破壞性影響。

2)爆破振動質(zhì)點(diǎn)的振動速度與爆心距沒有絕對的關(guān)系，但總體來說，質(zhì)點(diǎn)的振動速度隨爆心距的增加而減小。其中，y方向(水平切向)的振動速度是3個方向的峰值振動速度中最大的。對收集數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得到適合該礦的爆破振動衰減系數(shù)，K值為151.978，α值為1.409。

3)以W4礦體為例，向上開采時， 0、50、100、150 m開采階段安全系數(shù)分別為1.383、1.348、1.256、1.214，即越向上開采，邊坡的安全系數(shù)越低。安全結(jié)果分級表明礦體開采過程中邊坡均為安全Ⅰ級，均處在穩(wěn)定狀態(tài)，可使用現(xiàn)有采礦工藝對該高陡邊坡下礦體進(jìn)行開采。