露天礦山高陡邊坡爆破試驗(yàn)及其振動(dòng)影響規(guī)律研究

摘要：以位于西藏自治區(qū)達(dá)孜區(qū)章多鄉(xiāng)尊木采村的乾溝西礦為例，進(jìn)行礦山高陡邊坡爆破振動(dòng)試驗(yàn)并研究其影響因素。選擇試驗(yàn)區(qū)域和監(jiān)測(cè)設(shè)備，建立數(shù)值模型，確定研究方法和步驟，通過(guò)爆破振動(dòng)試驗(yàn)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行了計(jì)算。分析爆破后的應(yīng)力變化情況，深入研究露天爆破對(duì)邊坡表面的影響規(guī)律，進(jìn)行邊坡表面組合振動(dòng)速度對(duì)比，得出了露天爆破后各個(gè)時(shí)間段邊坡不同部位的等效應(yīng)力變化曲線基本重合、其變化規(guī)律基本一致的試驗(yàn)研究成果，為該礦區(qū)安全生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：礦山高陡邊坡；爆破振動(dòng)試驗(yàn)；組合振動(dòng)速度；應(yīng)力變化規(guī)律

0" "引言

露天礦爆破時(shí)，會(huì)對(duì)圍巖造成較大應(yīng)力擾動(dòng)，其主要原因包括爆炸能量的瞬時(shí)釋放和震波的傳播。爆炸能量在短時(shí)間內(nèi)集中釋放，爆炸部位周?chē)鷰r石遭受劇烈震動(dòng)和高能量沖擊波，從而引起圍巖裂隙的擴(kuò)展和應(yīng)力擾動(dòng)。這些應(yīng)力擾動(dòng)可造成圍巖破碎、裂縫擴(kuò)展和巖體結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而導(dǎo)致礦山局部失穩(wěn)和周邊環(huán)境受損。

許多學(xué)者采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，探究了爆破對(duì)高陡邊坡的影響。如Rajmeny和Shrimali[1]對(duì)Rampura Agucha礦的多次爆破引起的上盤(pán)礦滑動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并擬合爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)方程。陶志剛等[2]利用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)邊坡進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明采用“機(jī)械槍”代替“爆破”的露天開(kāi)采技術(shù)，有效降低了開(kāi)采爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

當(dāng)前的研究主要集中在露天爆破對(duì)巖質(zhì)邊坡的影響，而對(duì)開(kāi)采上盤(pán)礦邊坡影響的研究相對(duì)較少?；诖?，本文根據(jù)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)波數(shù)據(jù)，研究爆破振動(dòng)波在高陡邊坡上的傳播途徑，建立高陡邊坡的數(shù)值模型，分析在露天礦爆破振動(dòng)作用下高陡邊坡的影響規(guī)律。

1" "工程概況

乾溝西礦位于西藏自治區(qū)達(dá)孜區(qū)章多鄉(xiāng)尊木采村，距離拉薩市50km，距離墨竹工卡縣10km，距離達(dá)孜區(qū)30km。乾溝西礦區(qū)的石灰?guī)r是生產(chǎn)水泥的原料，距離水泥生產(chǎn)廠約5.9km，石灰?guī)r在礦山破碎后，采用膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸進(jìn)水泥生產(chǎn)廠。礦石采取有序組織自上而下開(kāi)采，按照15m階高，作業(yè)面寬度30～40m，逐漸并幫形成工作幫。采用中深孔爆破與預(yù)裂爆破相結(jié)合的爆破工藝。

2" "爆破振動(dòng)試驗(yàn)研究

2.1" "試驗(yàn)區(qū)域和監(jiān)測(cè)設(shè)備

2.1.1" "試驗(yàn)區(qū)域

爆破振動(dòng)試驗(yàn)區(qū)域位于礦坑?xùn)|坡標(biāo)高2365礦區(qū)。這次爆破是為了向下開(kāi)采到海拔2365m。爆破區(qū)域被2230平洞室、抽送設(shè)備、抽送管道等構(gòu)筑物包圍，且靠近爆破區(qū)域。2108m臺(tái)階按要求從南到北沿邊施工。主孔間距為3m，排距為2.0m，井斜為70°。

2.1.2" "監(jiān)測(cè)用儀器設(shè)備

爆破振動(dòng)試驗(yàn)采用NUBOX-6016型智能振動(dòng)監(jiān)測(cè)器，通過(guò)特殊的輸入信號(hào)線連接到TP3V-4.5型三維速度型傳感器。上述振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的第一通道與水平x方向振動(dòng)信號(hào)相連，第二通道與水平y(tǒng)方向振動(dòng)信號(hào)相連，第三通道與垂直z方向振動(dòng)信號(hào)相連。TP3V-4.5型三維速度傳感器是一種實(shí)用的振動(dòng)測(cè)速傳感器，可以同時(shí)測(cè)量水平x、水平y(tǒng)和垂直z方向的速度，測(cè)量點(diǎn)位于斜坡腳下。

2.2" "建立數(shù)值模型

爆破振動(dòng)產(chǎn)生的水平x方向和垂直z方向振動(dòng)波對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大，因此在數(shù)值模擬中，將試驗(yàn)采集到的x方向和z方向振動(dòng)波信號(hào)同時(shí)加載到邊坡的有限元模型中進(jìn)行分析。

選取乾溝西礦上盤(pán)礦的現(xiàn)有邊坡剖面進(jìn)行研究。乾溝西礦上盤(pán)礦模型的長(zhǎng)度為750m，寬度為600m，最大臺(tái)階高度為30m。為了模擬近坡爆破，爆破荷載的加載區(qū)位于模型的左邊界，距離底臺(tái)階腳12m處。上盤(pán)礦的數(shù)值模型如圖1所示，邊坡巖層的物理力學(xué)性能試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

2.3" "研究方法和步驟

2.3.1" "采用低反射邊界法

本研究采用低反射邊界法，該方法基于波動(dòng)在不同介質(zhì)中傳播時(shí)遇到的邊界反射和透射規(guī)律，通過(guò)模擬地震波在地層內(nèi)部和地下結(jié)構(gòu)邊界上的反射、折射以及多次反射等現(xiàn)象，來(lái)推斷地下構(gòu)造和介質(zhì)的特性。低反射邊界法的基本原理，是利用模擬地震波在不同介質(zhì)間傳播時(shí)的能量傳遞和反射規(guī)律，通過(guò)分析模擬地震波在地下結(jié)構(gòu)中的傳播路徑和到達(dá)時(shí)間，從而推測(cè)出地下結(jié)構(gòu)的形態(tài)、性質(zhì)以及可能存在的變化。

2.3.2" 研究步驟

為了計(jì)算邊坡在不同工況下的力學(xué)特性，本研究設(shè)置了三個(gè)研究步驟：第一步，計(jì)算乾溝西礦開(kāi)采前邊坡的地應(yīng)力狀態(tài)；第二步，在第一步計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，計(jì)算開(kāi)采后邊坡的應(yīng)力狀態(tài)；第三步，在前兩步的基礎(chǔ)上，計(jì)算爆破對(duì)乾溝西礦邊坡的影響，分析邊坡對(duì)爆破振動(dòng)的響應(yīng)特征。為了避免計(jì)算誤差較大，本研究在計(jì)算爆破動(dòng)載荷時(shí)，選擇了生產(chǎn)爆破中爆破源測(cè)點(diǎn)附近的速度時(shí)程曲線作為爆破動(dòng)載荷，僅選擇該測(cè)點(diǎn)的水平徑向和垂直振動(dòng)率。

3" "爆破振動(dòng)試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)與分析

3.1" "監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算

3.1.1" "振動(dòng)粒子速度計(jì)算

根據(jù)爆破安全規(guī)程，考慮最大裝藥量和離爆心距離對(duì)振動(dòng)速度的影響，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與回歸公式進(jìn)行對(duì)比分析。振動(dòng)粒子最大三維合成速度的計(jì)算公式如下：

式中：V為振動(dòng)粒子的最大三維合成速度（cm/s），k為爆點(diǎn)與地形條件相關(guān)系數(shù)（取值198.156），α為爆點(diǎn)與地質(zhì)條件相關(guān)系數(shù)（取值1.836），Q為單段最大裝藥量（kg），R為測(cè)點(diǎn)到爆源的直線距離（取值0.923m）。

3.1.2" "現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

利用NUBOX-6016型爆破振動(dòng)探測(cè)器對(duì)露天礦的3次爆破振動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。3種監(jiān)測(cè)布置相似，均沿遠(yuǎn)離爆炸震源方向依次布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)衰減回歸線如圖2所示。

3.1.3" "振動(dòng)傳輸速率計(jì)算與分析

將實(shí)測(cè)的擬合參數(shù)帶入公式（1），得到振動(dòng)傳輸速率的公式如下：

前期試驗(yàn)可知，邊坡趾部爆破振動(dòng)的最大三維合成速度為5.986cm/s。根據(jù)爆破安全規(guī)程，當(dāng)主頻率大于10Hz、小于50Hz時(shí)，永久巖質(zhì)高陡邊坡的振動(dòng)傳輸速率取值范圍為7～11cm/s。因此對(duì)于永久巖質(zhì)高陡邊坡而言，振動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。然而乾溝西礦山為上盤(pán)礦，當(dāng)前的爆破安全規(guī)程中，缺乏對(duì)這種上盤(pán)礦振動(dòng)傳輸速率取值范圍的規(guī)定。因此為了研究上盤(pán)礦中爆破振動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的影響，對(duì)該邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬。

3.2" "爆破后的應(yīng)力變化分析

為了研究露天爆破對(duì)邊坡的影響程度，分析邊坡范圍內(nèi)的等效應(yīng)力值隨爆破時(shí)間的變化規(guī)律。邊坡范圍最大應(yīng)力值隨爆破時(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示。從圖3可以看出，等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在B區(qū)，且隨著爆破時(shí)間的變化而變化。在0s時(shí)的最大應(yīng)力為33.94MPa；在0.093s時(shí)的最大應(yīng)力為34.19MPa，達(dá)到峰值；在0.77s爆破結(jié)束時(shí)的最大應(yīng)力為33.46MPa。

3.3" "露天爆破對(duì)邊坡表面的影響

3.3.1" "不同爆破時(shí)間邊坡表面等效應(yīng)力變化規(guī)律

不同爆破時(shí)間邊坡表面等效應(yīng)力變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，不同的爆破時(shí)間對(duì)邊坡不同部位的等效應(yīng)力變化曲線基本是重合的，其變化規(guī)律一致。

在邊坡坡腳，即坡面橫坐標(biāo)為236m處，其坡面的等效應(yīng)力達(dá)到最大值，此時(shí)的露天礦爆破時(shí)間為0s。邊坡表面等效應(yīng)力在露天礦開(kāi)孔爆破后瞬間達(dá)到最大值，并迅速衰減的現(xiàn)象，其主要由爆炸釋放的高能量和振動(dòng)波在圍巖中傳播引起的復(fù)雜動(dòng)態(tài)效應(yīng)造成。爆炸瞬時(shí)釋放的能量在0s時(shí)刻迅速傳播到坡腳位置，造成此處圍巖受到劇烈沖擊而產(chǎn)生應(yīng)力集中，表現(xiàn)為最大應(yīng)力值達(dá)到20.39MPa。

隨著時(shí)間推移，振動(dòng)波的影響逐漸減弱，0.3s、0.55s和0.8s時(shí)刻的應(yīng)力值雖有所減小，但整體趨勢(shì)相似，仍然集中在靠近爆炸源的坡腳位置。這種變化規(guī)律反映了開(kāi)孔爆破過(guò)程中，爆炸能量在短時(shí)間內(nèi)對(duì)周?chē)鷰r石造成的強(qiáng)烈振動(dòng)和應(yīng)力擾動(dòng)效應(yīng)。

3.3.2" "等效應(yīng)力變化規(guī)律

A、B、C、D（見(jiàn)圖1）四點(diǎn)等效應(yīng)力的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，C點(diǎn)的應(yīng)力最大，A、B點(diǎn)次之，D點(diǎn)最小。4條曲線均呈現(xiàn)出隨時(shí)間的增加，等效應(yīng)力逐漸減小的趨勢(shì)。安全礦柱（C點(diǎn)）作為上盤(pán)礦邊坡系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，在爆破振動(dòng)波作用下表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要源于其靠近爆破源并承受了直接沖擊波的影響。

在0s時(shí)刻，爆炸釋放的高能量導(dǎo)致震波迅速傳播到安全礦柱表面，使其承受到瞬時(shí)最大應(yīng)力，C點(diǎn)達(dá)到18.5MPa，遠(yuǎn)高于其他點(diǎn)位。這是因?yàn)榘踩V柱處于爆破波的直接傳播路徑上，波能直接釋放在其表面，而其他點(diǎn)位由于處于波傳播的較遠(yuǎn)位置，受到的沖擊波能量相對(duì)較小，因此應(yīng)力值較低。在0.8s時(shí)刻，安全礦柱表面的應(yīng)力值降至12.9MPa。其應(yīng)力值減少后，仍比其他點(diǎn)位高出很多。這是因?yàn)殡m然爆破波能量在時(shí)間上逐漸衰減，但是安全礦柱作為最近的接收點(diǎn)，仍然受到爆炸波在其周?chē)瓷浜驼凵鋵?dǎo)致的復(fù)雜波動(dòng)效應(yīng)的影響。

對(duì)比露天爆破前后發(fā)現(xiàn)，安全礦柱邊坡表面的應(yīng)力無(wú)明顯變化，主要原因是安全礦柱作為礦山設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性關(guān)鍵點(diǎn)，通常在設(shè)計(jì)階段考慮了其安全距離和結(jié)構(gòu)支護(hù)措施，以減少其受到外部沖擊的影響。因此在爆破過(guò)程中，安全礦柱邊坡表面的應(yīng)力變化相對(duì)較小，不會(huì)明顯超過(guò)設(shè)計(jì)的安全范圍。

3.4" "組合振動(dòng)速度對(duì)比

邊坡表面不同爆破時(shí)間段邊坡表面的組合振動(dòng)速度對(duì)比如圖6所示。由6圖可知，邊坡表面組合振動(dòng)速度在0.325s時(shí)達(dá)到最大值，且邊坡表面組合振動(dòng)速度的最大位置位于D點(diǎn)（見(jiàn)圖1），最大值約為6.87cm/s。根據(jù)爆破的相關(guān)規(guī)定可知，永久巖質(zhì)高陡邊坡的振動(dòng)傳輸速率取值范圍為7～11cm/s。因此當(dāng)前爆破振動(dòng)對(duì)該乾溝西礦邊坡的影響較小，上盤(pán)礦邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4" "爆破振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

研究結(jié)果表明，露天礦爆破后的等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在B區(qū)，峰值為34.19MPa，發(fā)生在0.093s；露天爆破后各個(gè)時(shí)間段邊坡不同部位的等效應(yīng)力變化曲線基本是重合的，其變化規(guī)律基本一致；在爆破時(shí)間為0s時(shí)，邊坡坡腳即坡面橫坐標(biāo)為236m處的等效應(yīng)力值達(dá)到最大；在0.325s時(shí)，坡面組合振動(dòng)速度達(dá)到最大值，且其位置位于D點(diǎn)，最大值為6.87cm/s。

5" "結(jié)束語(yǔ)

本文以乾溝西礦山原礦東邊坡為研究背景，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算整個(gè)邊坡的應(yīng)力變化和振動(dòng)速度，研究了露天爆破振動(dòng)對(duì)上盤(pán)礦邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

研究結(jié)果表明，爆破后的不同時(shí)間段，邊坡不同部位的等效應(yīng)力變化曲線基本是重合的，其變化規(guī)律基本一致，其擬合函數(shù)關(guān)系正確，可作為預(yù)測(cè)該區(qū)域最大裝藥量和最小安全距離的基本準(zhǔn)則。

參考文獻(xiàn)

[1] P. Rajmeny and R. Shrimali，“Use of radar technologyto establish threshold values of blast vibrations triggeringsliding of geological faults at a lead-zinc open pit mine，”International Journal of Rock Mechanics and Mining"Sciences， vol. 113， pp.142-9，2019.

[2] Z. Tao， C. Zhu， X. Zheng， and M. He， “Slope stability"evaluation and monitoring of Tonglushan ancient coppermine relics，” Advances in Mechanical Engineering，"vol. 10， no. 8， 2018.