爆破振動對米拉多銅礦邊坡穩(wěn)定性的影響分析

雷丁丁

（中鐵建銅冠投資有限公司）

露天采礦生產作業(yè)中，爆破是主要工藝之一，而頻繁的爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響較大。一般來說，其影響主要表現在2 個方面［1-2］：一是爆破振動不斷地作用在邊坡巖體上，使巖體產生損傷，巖體原生節(jié)理逐漸擴大，破壞了巖體的完整度，使得邊坡巖體強度降低，導致形成后沖破裂、頂部裂縫、表面巖石松動、掉塊等典型破壞；二是爆破振動引起的慣性力增加了邊坡下滑力，降低了邊坡的安全系數，最終導致邊坡滑塌、垮落。國內學者在爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響方面做了許多研究。李祥龍等［3］針對爆破振動對邊坡作用機理，引入了爆破振動的動力效應；劉禮福等［4］利用邊坡巖體動態(tài)應力比系數對某礦露天采場進行了穩(wěn)定性分析；陳明等［5］提出了邊坡極限平衡分析的等效加速度計算方法，用來分析爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響。

本文以現場實測數據為基準，通過研究爆破產生的地震波傳播規(guī)律，從而確定爆破振動對邊坡的影響程度，提出了臨近邊坡爆破的最大段藥量；通過動態(tài)應力比以及等效加速度計算方法，確定爆破振動對米拉多銅礦邊坡巖體以及整體邊坡穩(wěn)定性的影響，為邊坡防護提供依據。

1 礦山概述

米拉多銅礦位于厄瓜多爾東南部的薩莫拉欽奇佩省，距離首都基多市約340 km。米拉多銅礦設計生產規(guī)模2 000萬t/a，礦山總服務年限30 a，最高開采標高1 680 m，最低開采標高705 m，邊坡最高975 m，并段臺階高度30 m，臺階坡面角65°，最終邊坡角37.3°～44.1°。采場范圍內沒有大的斷層，結構面以Ⅳ級為主，對整體邊坡穩(wěn)定性影響較小。組成邊坡的巖體以花崗閃長斑巖、花崗閃長巖、角礫巖為主，邊坡地質結構類型為碎裂巖體邊坡、塊狀巖體邊坡，花崗閃長斑巖以Ⅳ級為主，角礫巖以Ⅲ級為主，花崗閃長巖以Ⅱ級為主。

2 爆破振動測試及分析

爆破振動參數采用高精度NUBOX-8016 型爆破振動智能監(jiān)測儀測試，根據現場生成爆破的實際情況，測點的布置采用固定測線法。

由于生產爆破集中在+1 220～+1 290 m 臺階，此區(qū)域分布有花崗閃長巖、角礫巖、花崗閃長斑巖，并組成終了邊坡的主要巖性，選擇在此區(qū)域進行爆破振動監(jiān)測點布設。爆破振動測點的布置形式如圖1所示。

爆破振動速度采用薩道夫斯基經驗公式進行回歸分析計算［6］：

式中，R為爆心距，m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg；V為爆破振動速度，cm/s；K，α為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，通過現場試驗確定。

現場實測爆破振動數據見表1（以花崗閃長斑巖為例）。對爆破振動速度、最大段藥量、爆心距依據式（1）進行擬合，見圖2，K、α，振動回歸參數見表2。

3 爆破振動對邊坡穩(wěn)定性影響分析

爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響體現在對邊坡巖體以及邊坡整體穩(wěn)定性2個方面，工程上常通過爆破振動質點速度進行判斷以及控制。因此，可以通過爆破振動質點速度、DSR對應的巖體破壞特征以及安全系數來分析爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.1 爆破振動質點速度控制

在整個露天礦山生產期間，爆破作業(yè)不斷，邊坡受爆破作用影響更大。為最大限度減少爆破振動對邊坡巖體的損傷，國家相關標準［7］以靠幫邊坡爆破振動質點不大于24 cm/s 作為限定，并且采取控制爆破方法。為保證靠幫邊坡最大振動速度不超過限定速度，根據米拉多銅礦露天采場不同巖體的爆破振動速度衰減規(guī)律，確定臨近邊坡及靠幫爆破的允許藥量以及控制爆破方法，見表3。

由表3可知：

（1）為滿足臨近邊坡質點振動速度不大于24 cm/s的要求，Ⅳ級花崗閃長斑巖最大段藥量遠小于Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖。

（2）距離邊坡15～20 m 時，Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖最大段藥量有所不同。20～25 m、25～30 m 時，Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖最大段藥量相同。

（3）Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖臨近邊坡時最大段藥量相近，與Ⅳ級花崗閃長斑巖相差甚遠，與其爆破振動速度衰減規(guī)律相關。

3.2 爆破振動影響下巖體破壞特征

爆破振動速度對巖體穩(wěn)定產生的影響不僅與巖石本身強度相關，而且與巖石周圍工程地質因素有關。文獻［4］引入了動態(tài)應力比DSR來描述爆破振動對邊坡巖體的影響，其原理如下：

式中，σD為爆破在巖體產生的動態(tài)應力，Pa；k為巖體質量指標，即RQD值；σt為巖體動態(tài)抗拉強度，MPa；ρ為巖體密度，kg/m3；c為巖體彈性縱波速，m/s。

DSR可以表征爆破振動引起的巖體損傷程度和破壞的類型，見表4［4］。

米拉多銅礦邊坡巖體主要由Ⅳ級花崗閃長斑巖、Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖組成，其與動態(tài)應力比有關的巖體力學參數見表5。

根據表3，Ⅳ級花崗閃長斑巖、Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖爆破最大振動速度為22.17、23.43、23.65 cm/s，結合表5 巖體力學參數，根據式（2）可計算得DSR，對比表4，米拉多銅礦邊坡巖體破壞特征見表6。

由上述可知：①爆破振動作用下，Ⅳ類巖體花崗閃長斑巖邊坡巖體出現崩塌、掉塊現象概率極大；②爆破振動作用下，Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖邊坡巖體出現無損傷破壞現象；③爆破振動對邊坡巖體的影響，與爆破振動速度、巖體性質相關。

3.3 爆破振動影響下邊坡整體穩(wěn)定性等效加速度分析

根據上文分析，爆破振動對米拉多銅礦花崗閃長斑巖邊坡具有破壞效應，為確定其對邊坡整體穩(wěn)定性的影響，本節(jié)采用等效加速度的方法進行分析，可按下式［5］計算：

式中，a為等效加速度；b為等效加速度的頻率影響系數，取1.05～1.20，頻率高時取大值；f，af分別為振動頻率和加速度，為現場實測值。

根據國家相關標準［7］，爆破振動加速度與速度的關系如下：

臨近花崗閃長斑巖邊坡時，最大爆破振動22.17 cm/s，頻率f取17.7 Hz，b取1.1，則米拉多銅礦花崗閃長斑巖邊坡的等效加速度為1.05 m/s2，擬靜力法爆破綜合系數為0.027。經過計算，米拉多銅礦花崗閃長斑巖邊坡整體安全系數為1.223，大于規(guī)范［7］規(guī)定的1.18，邊坡整體穩(wěn)定。爆破振動對米拉多銅礦花崗閃長斑巖邊坡巖體具有破壞效應，會出現崩塌、掉塊現象，對邊坡整體無影響。

4 結論

（1）為滿足臨近邊坡質點振動速度的要求，Ⅳ級花崗閃長斑巖最大段藥量遠小于Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖；Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖最大段藥量相近；與各巖體爆破振動速度衰減規(guī)律相關。

（2）爆破振動作用下，Ⅳ類巖體花崗閃長斑巖邊坡巖體出現崩塌、掉塊現象概率極大；Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖邊坡巖體出現無損傷破壞現象；爆破振動對邊坡巖體的影響，與爆破振動速度、巖體性質相關。

（3）爆破振動對米拉多銅礦花崗閃長斑巖邊坡巖體具有小規(guī)模的破壞效應，對邊坡整體無影響；在生產過程中，以防護花崗閃長斑巖邊坡巖體崩塌、掉塊為主。