爆破震動(dòng)對(duì)西灣露天煤礦邊坡穩(wěn)定性的影響

井宇航，雷 堯

（1.國(guó)家能源集團(tuán)神延煤炭有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054）

爆破作為露天礦生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一，對(duì)采礦工程活動(dòng)起到至關(guān)重要的作用[1-2]。爆破可以松散硬度較大的巖石，極大提高采掘機(jī)械的工作效率。然而爆破產(chǎn)生的沖擊波在巖石中傳遞，通過爆破動(dòng)載荷的形式作用于露天礦采場(chǎng)中其他圍巖中，引起巖體中應(yīng)力結(jié)構(gòu)的變化，從而造成結(jié)構(gòu)面的損傷和巖體抗剪強(qiáng)度明顯下降[3-5]。當(dāng)進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，炮孔周圍巖體受到的壓力會(huì)遠(yuǎn)超過巖體的極限抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致巖體擠壓破碎，并以地震波形式向外傳播，引起巖體橫向和縱向震動(dòng)，當(dāng)邊坡巖體距離爆破點(diǎn)較近時(shí)，爆破產(chǎn)生的附加應(yīng)力可能會(huì)使邊坡沿著軟弱結(jié)構(gòu)面直接滑動(dòng)，從而嚴(yán)重影響邊坡工程的穩(wěn)定性[6-8]。同時(shí)也容易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，對(duì)工程安全和環(huán)境保護(hù)帶來威脅[10-12]。因此，研究爆破震動(dòng)效應(yīng)對(duì)巖體邊坡穩(wěn)定性間的相互影響關(guān)系，對(duì)保證露天礦的邊坡穩(wěn)定具有重要意義。

為此，以陜西西灣露天煤礦邊坡為依據(jù)，采用爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)算出爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的震動(dòng)加速度，通過數(shù)值模擬、極限平衡理論及其他研究方法和手段對(duì)施加水平方向震動(dòng)加速度的坡面進(jìn)行模擬并對(duì)爆破震動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行了探索。

1 研究區(qū)概況

1.1 西灣概況

西灣露天煤礦位于陜西省榆林市榆陽區(qū)的東北部、神木市的西南部、陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠東南緣。煤礦開采區(qū)大致為一塊面積大約2 km2的矩形開采區(qū)。在開采區(qū)的正北方為礦場(chǎng)園區(qū)建筑，分別有污水處理廠、辦公樓、住宿樓、消防樓及110 kV 變電站等諸多建筑物。

礦區(qū)采用沿煤層走向拉溝，傾向推進(jìn)的開采方式，開采工藝為單斗-卡車方式。礦區(qū)劃分為采掘場(chǎng)東幫、采掘場(chǎng)北幫、采掘場(chǎng)西幫、內(nèi)排土場(chǎng)及外排土場(chǎng)5 個(gè)區(qū)域，其中東幫和西幫為端幫，北幫為工作幫。采剝臺(tái)階共10 個(gè)，其中土臺(tái)階5 個(gè)、巖石臺(tái)階4個(gè)、煤臺(tái)階1 個(gè)，高度在9～30 m 不等。

此次西灣煤礦爆破的炮區(qū)位于西幫1 100 m 水平，共有69 個(gè)鉆孔，采用SWDA-165 設(shè)備進(jìn)行鉆孔，鉆孔孔徑為165 mm?？傘@進(jìn)米數(shù)為1 277 m，設(shè)計(jì)平均孔深為18.5 m，孔排距分別為9 m 和6.5 m，前排抵抗線為5 m，超深0 m。此外，每個(gè)孔的單孔設(shè)計(jì)藥量在331～374 kg，使用的起爆雷管類別為數(shù)碼電子雷管，設(shè)計(jì)總藥量為24 300 kg，理論爆量為72 000 m3，炮區(qū)的設(shè)計(jì)單耗為0.35 kg/m3。

1.2 地震效應(yīng)估算

通過爆破震動(dòng)公式分別估算實(shí)際爆破震動(dòng)速度和爆破震動(dòng)安全允許距離[13]：

式中：V1為爆破震動(dòng)速度，cm/s；K 為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)，取250；R1為最近構(gòu)筑物距爆區(qū)距離，m，取2 000 m；Q 為最大一段齊爆藥量，kg，取374 kg；α 為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的衰減系數(shù)，取1.8。

由此估算出的實(shí)際爆破震動(dòng)速度為0.01 cm/s≤2 cm/s，故此時(shí)安全震動(dòng)速度。

式中：V2為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；R2為爆破震動(dòng)安全允許距離，m。

由此估算出的實(shí)際爆破震動(dòng)安全允許距離為100 m，又由于最近構(gòu)筑物距爆區(qū)距離為2 000 m，故符合《爆破安全規(guī)程》要求。

2 爆破震動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

根據(jù)波動(dòng)理論，在均勻的彈性介質(zhì)中傳播的地震波，介質(zhì)內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)會(huì)以簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行振動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以通過質(zhì)點(diǎn)的位移X、速度V 和加速度a 等力學(xué)參數(shù)來描述。這些參數(shù)可以用數(shù)學(xué)公式來表示，并且可以通過觀測(cè)地震波的振動(dòng)情況來確定[14-15]：

式中：ω 為圓頻率，Hz；A為爆破震動(dòng)幅值，cm/s；φ1、φ2為相位差，（°）。

爆破震動(dòng)效應(yīng)是影響露天礦邊坡穩(wěn)定的重要因素之一，爆破采用大孔徑、高臺(tái)階、深孔爆破方式，其一次爆破量及消耗炸藥量較大。條塊法邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs的計(jì)算公式為：

式中：Wi為第i 條塊質(zhì)量，kg；c 為黏聚力，N/m；li為分條底滑面長(zhǎng)，m；Ui為孔隙水壓力，kPa；αi為底滑面傾角，（°）；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）；Qi為水平載荷，N；ei為重心至滑弧圓心的高度，m；R 為滑弧半徑，m；Fs′為折減后計(jì)算出的邊坡定性系數(shù)。

采用擬靜力法對(duì)爆破動(dòng)力影響的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將爆破震動(dòng)施加給邊坡滑體的水平荷載Qi等效為靜力載荷：

式中：Ks為震動(dòng)系數(shù)；KD為爆破動(dòng)力折減系數(shù)，取值為0.008～0.152；g 為重力加速度，m/s2；ai為徑向加速度，m/s2。

另外，爆破震動(dòng)加速度計(jì)算公式為：

式中：a 為爆破震動(dòng)加速度，m/s2；Cp為縱波在巖體中的波速，m/s。

根據(jù)式（4），可以得出以下結(jié)論：爆破震動(dòng)所產(chǎn)生的水平荷載與滑體重力共同作用于滑體上，形成了滑體的下滑力；相比未受爆破震動(dòng)的巖體，這種下滑力導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定系數(shù)降低。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)方案

整個(gè)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)工作是為了降低危險(xiǎn)有害因素、保證施工安全、預(yù)防事故發(fā)生、確保鄰近建筑物、設(shè)施及設(shè)備的安全。具體而言，通過爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合鄰近建筑物的安全允許標(biāo)準(zhǔn)來驗(yàn)證原方案的可行性。同時(shí)，在指定的爆次中進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)檢測(cè)來判定爆破震動(dòng)對(duì)保護(hù)物的影響程度，并積累相關(guān)數(shù)據(jù)為指導(dǎo)施工方案修正提供支持。此外，該方法還可以為業(yè)主單位監(jiān)管爆破作業(yè)和制定安全管理對(duì)策提供技術(shù)支持并為可能引起的民爆糾紛提供法理依據(jù)。

爆破監(jiān)測(cè)方案分為實(shí)驗(yàn)爆破階段和過程監(jiān)控階段兩部分。實(shí)驗(yàn)爆破階段設(shè)22 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，其布置觀測(cè)點(diǎn)主要是在各個(gè)建筑物處設(shè)置并以爆源震動(dòng)區(qū)域?yàn)槠瘘c(diǎn)沿著各建筑物方向由前疏后密的原則設(shè)置，實(shí)驗(yàn)爆破階段會(huì)監(jiān)測(cè)多輪次的爆破。

過程監(jiān)控階段設(shè)3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不考慮實(shí)驗(yàn)爆破階段，而主要依據(jù)的是過程監(jiān)控階段收集到的3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其布置觀測(cè)點(diǎn)的原則是以爆破震動(dòng)區(qū)域?yàn)橹行娜? 個(gè)距離中心相近且靠近建筑物的測(cè)點(diǎn)為原則，爆破布點(diǎn)位置如圖1。此外，爆破監(jiān)測(cè)設(shè)備選用L20-N 型爆破測(cè)振儀，監(jiān)測(cè)得到爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)見表1。

表1 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)表

圖1 爆破震動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

對(duì)得到的測(cè)點(diǎn)1～3 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中測(cè)點(diǎn)1、3 測(cè)點(diǎn)的頻率在10～50 Hz 范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)2 的頻率在≤10 Hz 范圍內(nèi)，所監(jiān)測(cè)到得質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度滿足GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定。

3.2 穩(wěn)定性數(shù)據(jù)分析

本次邊坡穩(wěn)定性分析方法主要采用極限平衡理論，根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)剖面，通過Slide 軟件進(jìn)行建模、計(jì)算。對(duì)爆破引起的不同加速度變化下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，首先需要計(jì)算出個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度a，測(cè)點(diǎn)加速度參數(shù)見表2。

表2 測(cè)點(diǎn)加速度參數(shù)表

通過爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)擬合出爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的震動(dòng)加速度，對(duì)施加了不同數(shù)值的水平方向震動(dòng)加速度的坡面進(jìn)行穩(wěn)定性模擬，得到的加速度變化時(shí)的邊坡穩(wěn)定性變化情況如圖2。

圖2 加速度變化時(shí)的邊坡穩(wěn)定性分析示意圖

待邊坡模型建立好后，在Slide 軟件中選擇Loading 選項(xiàng)中的Seismic load，并在水平方向震動(dòng)加速度處填寫為0.05 并進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性模擬，經(jīng)極限平衡法分析計(jì)算，計(jì)算后的穩(wěn)定系數(shù)為2.361。然后重新將水平方向震動(dòng)加速度改寫為0.03 并進(jìn)行穩(wěn)定性模擬，經(jīng)極限平衡法分析計(jì)算，計(jì)算后的穩(wěn)定系數(shù)為2.475。最后將水平方向震動(dòng)加速度改寫為0，即無震動(dòng)的情況下進(jìn)行穩(wěn)定性模擬，經(jīng)極限平衡法分析計(jì)算，計(jì)算后的穩(wěn)定系數(shù)為2.665，

4 結(jié)語

1）根據(jù)爆破震動(dòng)加速度計(jì)算公式可以得出爆心距不變的情況下，齊爆量與震動(dòng)加速度成正相關(guān)。將爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)代入公式中，計(jì)算得出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)震動(dòng)加速度分別為0.05、0.05、0.03 m/s2。

2）基于西灣露天煤礦為項(xiàng)目背景，結(jié)合巖土工程特性，采用Slide 軟件建立東幫剖面地質(zhì)模型。利用數(shù)值模擬對(duì)震動(dòng)加速度變化時(shí)剖面的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。分別得到加速度分別為0、0.03、0.05 m/s2時(shí)，其坡面的穩(wěn)定系數(shù)分別為2.665、2.475、2.361。

3）爆破震動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響會(huì)隨著爆破震動(dòng)加速度的增大而逐漸降低。說明爆破震動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響受震動(dòng)加速度大小的影響。