爆破作用下別斯庫都克露天礦邊坡變形破壞機(jī)理

林令鑫，王振偉，黃科偉，李元浩，郭海棣

（北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144）

露天礦邊坡問題一直是采礦工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，邊坡穩(wěn)定性問題對露天礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)都有很直接的聯(lián)系。在露天礦開挖時(shí)經(jīng)常用到爆破方法，但是爆破開挖對對邊坡的影響程度又是不容忽視的，因?yàn)樗鶗?huì)對爆炸的周圍區(qū)域造成一定的巖體松裂或者損傷，又或者引起邊坡的整體或者局部滑坡，對人們的生產(chǎn)安全造成不可逆的損失。

已經(jīng)有大量學(xué)者對爆破作用下露天礦邊坡變形破壞機(jī)理做了大量研究。朱帥帥[1]對爆破振動(dòng)波的傳播機(jī)理、類型、相關(guān)參數(shù)以及目前預(yù)測爆破振動(dòng)強(qiáng)度的方法進(jìn)行詳細(xì)分析，然后對爆破振動(dòng)波的頻率進(jìn)行了分析，更深入地了解爆破振動(dòng)波的相關(guān)特性，最后對爆破振動(dòng)下邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析；肖雨等[2]在考慮爆破振動(dòng)的影響下，建立了露天礦山臺(tái)階邊坡發(fā)生平面滑動(dòng)的計(jì)算模型，推導(dǎo)出了最不利滑面傾角和最小穩(wěn)定系數(shù)的解析解，通過對解析式中參數(shù)敏感性分析發(fā)現(xiàn)：對多臺(tái)階露天礦山穩(wěn)定影響因素從高到低分別是臺(tái)階高度、坡面角、黏聚力、內(nèi)摩擦角、平臺(tái)寬度，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著臺(tái)階高度和坡面角的增大而減小，隨著黏聚力、內(nèi)摩擦角和平臺(tái)寬度的增大而增加；宮長亮等[3]以大孤山露天鐵礦為研究對象，利用有限差分軟件FLAC3D從速度、加速度和位移3 個(gè)方面進(jìn)行了爆破作用下邊坡動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值模擬，并對多次爆破作用下的邊坡塑性區(qū)、位移和安全系數(shù)演化規(guī)律進(jìn)行了分析。為此，以新疆別斯庫都克實(shí)際礦區(qū)為背景，通過運(yùn)用Midas GTS NX 研究了爆破作用下別斯庫都克露天礦區(qū)的變形破壞機(jī)理，以及循環(huán)爆破作用下爆區(qū)土體的位移演化規(guī)律[4-12]。

1 工程背景

別斯庫都克露天礦位于天山山脈東段與東準(zhǔn)噶爾斷塊山系之間的草原上。礦區(qū)北西－南東向長4 km，東－西向?qū)?.5 km，面積15.02 km2。地形總體趨勢北高南低、東高西低，地貌形態(tài)為殘丘狀剝蝕平原，海拔1 269～1 339 m，東西比高差70 m，一般高差在5～10 m。礦區(qū)屬大陸干旱荒漠氣候，年溫差和晝夜溫差很大，年平均氣溫1.8 ℃，5—8 月為夏季，7月平均氣溫在25 ℃，白天氣溫常在40 ℃以上。10月下旬至次年3 月為冬季，氣候嚴(yán)寒，1 月最冷，平均最低氣溫－22 ℃，最低氣溫－44.7 ℃（1969-01-26）。年降水量100～150 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)3 500 mm，年最大積雪厚度0.3 m，年最大凍土深1.5 m。區(qū)內(nèi)常年多風(fēng)，尤以3—6 月和冬季最大，風(fēng)力一般4～5 級，經(jīng)常有7～8 級大風(fēng)，最大可達(dá)10 級，多以西北風(fēng)為主。

而礦區(qū)土層主要為砂巖，泥巖以及排棄物料組成，該礦區(qū)鉆探共布置10 條勘探線，結(jié)合實(shí)際礦區(qū)情況，主要針對KT5 剖面分析。

2 理論基礎(chǔ)及模型

2.1 爆破慣性力

物體質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度與爆破采用的炸藥量及質(zhì)心到爆破點(diǎn)的距離有關(guān)[4]。根據(jù)文獻(xiàn)，不穩(wěn)定巖體質(zhì)心處振動(dòng)的峰值速度和峰值加速度分別為：

式中：Vmax為不穩(wěn)定巖體質(zhì)心處的峰值振動(dòng)速度，cm/s；Q 為單次爆破的炸藥量，kg；R 為質(zhì)心到爆破點(diǎn)的距離，簡稱爆心距，m；amax為不穩(wěn)定巖體質(zhì)心處由爆破引起的峰值加速度，cm/s2；K、λ 為與場地條件、巖性特性、爆破條件及爆破區(qū)與觀測點(diǎn)相對位置等有關(guān)的常數(shù)，其中堅(jiān)硬巖石的K 取值范圍為50～100，λ 取值范圍為1.3～1.5，中硬巖石的K 取值范圍為150～250，λ 取值范圍為1.5～1.8，軟巖石K取值范圍為250～350，λ 取值范圍為1.8～2.0；f 為振動(dòng)頻率。

2.2 有限元強(qiáng)度折減法

有限元強(qiáng)度折減法是將邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中的抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力、內(nèi)摩擦角的值逐漸減小，直至邊坡達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)的最終折減系數(shù)F 為邊坡的安全系數(shù)Fs[5-6]。

式中：CF為折減后的黏聚力，kPa；C 為黏聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）；φF為折減后的內(nèi)摩擦角，（°）。

2.3 莫爾－庫倫本構(gòu)

莫爾－庫倫本構(gòu)模型是比較理想化的彈塑性模型，主要把胡克定律和Coulomb 破壞準(zhǔn)則進(jìn)行了結(jié)合。莫爾－庫倫本構(gòu)模型主要有5 個(gè)力參數(shù)：其中彈性模量和泊松比是控制彈性行為的參數(shù)；黏聚力、內(nèi)摩擦和剪脹角是控制塑性行為的參數(shù)。該模型的假定對于大多數(shù)非線性的分析是可靠的，所以莫爾－庫倫本構(gòu)模型可以用于大部分巖土材料。

每種材料都有著各自對應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，它們又對應(yīng)著剪切強(qiáng)度方程。和另一些材料不一樣，土是不容易抗拉的，很多情況容易發(fā)生剪切破壞。在土體自身重立的作用下，巖體會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，伴著剪應(yīng)力的持續(xù)變化，應(yīng)變也跟隨著持續(xù)變化，向特定的面發(fā)生剪切破壞。剪切應(yīng)力引起的抗剪行為和抗剪極限叫做剪切強(qiáng)度。土的抗剪強(qiáng)度包括黏聚力和內(nèi)摩擦角。

2.4 數(shù)值模型

為更好地體現(xiàn)出邊坡的變形規(guī)律，對剖面圖進(jìn)行了一定的簡化。剖面網(wǎng)格劃分如圖1。

圖1 剖面網(wǎng)格劃分圖

通過對以往的各個(gè)項(xiàng)目的巖土體試驗(yàn)研究成果進(jìn)行收集、歸納、分析。采用巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)類比的方法將適合于本次項(xiàng)目研究的試驗(yàn)成果進(jìn)行分析總結(jié)，巖體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)指標(biāo)

具體的動(dòng)力分析，主要結(jié)合軟件中的動(dòng)力荷載數(shù)據(jù)生成器來模擬爆炸時(shí)的荷載情況，具體時(shí)程荷載函數(shù)如圖2。

圖2 時(shí)程荷載函數(shù)

3 邊坡變形破壞機(jī)理

邊坡第1 階段爆破水平位移如圖3，第1 階段爆破總位移云圖如圖4。

圖3 第1 階段爆破水平位移云圖

圖4 第1 階段爆破總位移云圖

由圖3，在第1 階段爆破后邊坡水平方向位移最大值為265 mm，在兩臺(tái)階中間的斜坡處也發(fā)生了105 mm 的水平位移，具體計(jì)算如圖3，在爆點(diǎn)中心附近的土體受到的變形破壞程度最大，而在兩臺(tái)階中間的斜坡上土體也會(huì)產(chǎn)生一定的滑移。

由圖4，在兩臺(tái)階邊坡斜坡上爆破后，對兩臺(tái)階處造成的應(yīng)力影響最大，而對下部土體基本不存在影響。

邊坡第2 階段豎直方向的平面壓強(qiáng)如圖5，第2階段y 豎向位移見圖6，第2 階段水平方向壓強(qiáng)見圖7。

圖5 第2 階段爆破豎直方向壓強(qiáng)圖

圖6 第2 階段爆破豎向位移云圖

圖7 第2 階段水平方向壓強(qiáng)圖

由圖5，隨著爆破次數(shù)的增加，在爆破進(jìn)行到中間階段時(shí)，可以看到該邊坡的豎向的壓強(qiáng)在爆破點(diǎn)的最下方達(dá)到了最大值，且在其周圍呈環(huán)形區(qū)域向周圍遞減。

由圖6，在循環(huán)爆破的后程階段可以看到邊坡逐漸發(fā)生失穩(wěn)，邊坡最頂部的堆積土發(fā)生塌陷。最大位移量可達(dá)到388 mm，且隨著時(shí)間變化位移會(huì)由爆破點(diǎn)逐漸向上延伸，直至發(fā)生塌陷?？梢婋S著爆炸次數(shù)的不斷疊加，邊坡會(huì)逐漸失穩(wěn)以致塌陷，邊坡安全系數(shù)會(huì)逐漸降低。但邊坡整體無明顯滑坡現(xiàn)象。

由圖7，第2 階段在x 方向的平面壓強(qiáng)也很直觀地展現(xiàn)出了塑性區(qū)受到的影響會(huì)在爆炸點(diǎn)向下逐層減小。

綜上，別斯庫都克邊坡在爆破動(dòng)荷載連續(xù)擾動(dòng)下將發(fā)生多次滑坡。第1 次的滑坡首先在坡腳處形成位移突增的趨勢，在沿著邊坡表面向上逐漸發(fā)展后，首先在邊坡表面出現(xiàn)第1 個(gè)滑坡，在計(jì)算過程中，表層的邊坡一直在發(fā)育，位移也在不斷增大。第2 次的滑坡是在第1 個(gè)滑坡形成后，先在坡腳形成突增的位移，幾乎同時(shí)坡腳深部和邊坡頂部開始向該邊坡中部發(fā)展的位移趨勢。

4 結(jié)語

1）基于Midas GTS NX 有限元軟件，對新疆別斯庫都克露天礦在爆破作用下的變形破壞機(jī)理進(jìn)行了模擬。通過控制爆破速度、炸藥密度、鉆孔直徑以及最大裝藥量得出該邊坡在循環(huán)爆破時(shí)不同階段對邊坡變形的影響程度，得到邊坡最終將發(fā)生多層式的滑坡破壞，且由上到下位移逐漸減小。表明邊坡在循環(huán)爆破條件下，穩(wěn)定性會(huì)逐漸降低發(fā)生連續(xù)滑坡。

2）隨著下部爆破位移的產(chǎn)生，頂部土體發(fā)生了塌陷，由此可以得出，在臺(tái)階處爆破時(shí)應(yīng)注意上方土體發(fā)生滑移以及塌陷，提前做好保護(hù)措施。

3）由模擬結(jié)果可得隨著爆破次數(shù)的增加，邊坡安全系數(shù)會(huì)逐漸變小，并最終發(fā)生失穩(wěn)破壞。這表明隨著爆破次數(shù)的增加，巖石的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生改變，連續(xù)爆破會(huì)大大 增加巖體損傷程度，造成邊坡塌陷的可能性增加，嚴(yán)重影響邊破穩(wěn)定性。