爆破震動對露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響分析

1、DOI:10.13235/ki.ltcm.2014.07.003爆破震動對露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響分析宋景輝，吳建圻，何以劍（昆明煤炭設(shè)計研究院，云南 昆明 650011）摘要：分析了露天生產(chǎn)過程中礦爆破動載荷對邊坡巖體的影響機理，從多方面分別闡述了影響爆破震動效應(yīng)的因素，揭示了爆破過程中炮孔裝藥量、傳播介質(zhì)以及起爆條件等對爆破動載荷的影響。采用邊坡穩(wěn)定性分析軟件，以哈爾烏素露天礦邊幫為工程實例建立工程地質(zhì)模型，并且將爆破動載荷以峰值加速度形式納入穩(wěn)定性分析過程，對不同峰值加速度下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)進行 求解分析。分析結(jié)果表明：邊幫巖體在未受到爆破作用擾動時處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著爆破作用引起 的峰值加速

2、度從 0 增加到 0.4g 的過程中，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸從原始狀態(tài)下 1.155 降至 0.634， 邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，爆破震動對邊坡穩(wěn)定性影響顯著；峰值加速度 a 與邊坡穩(wěn)定性系數(shù) Fs 之間存在顯著的線性關(guān)系，隨著峰值加速度增加，F(xiàn)s 呈線性下降，兩者線性擬合度 R2 為 0.99。關(guān)鍵詞：爆破震動；動載荷；穩(wěn)定性；峰值加速度中圖分類號：TD824.7文獻標(biāo)志碼：B文章編號：1671 9816（2014）07 0010 04The effect of blasting vibration on slope stability in open-pit mineSONG Jinghui, WU

3、 Jianqi, HE Yijian(Kunming Coal Design and Research Institute，Kunming 650011, China)Abstract: The article analyzes the impact mechanism of blasting dynamic load on rock slope in the open -pit mine production process illustrates the factors of influencing blasting vibration effect in many aspects, ra

4、nd reveals the influence of hole loading, propagation medium and detonating conditions etc on blasting dynamic load. Using slope stability analysis software, engineering geology model is established taking Haerwusu surface mine slope as an example, and the peak acceleration is considered into the an

5、alysis of slope stability. The slope stability coefficients under different peak acceleration are solved and analyzed. The results show that: the slope rock keeps in a stable state initially, as the peak acceleration rises from 0 to 0.4g, the coefficient of slope stability drops from 1.155 to 0.634,

6、 and the slope starts instability. The blasting vibration has obvious influence on slope stability, and peak acceleration a and slope stability coefficient Fs have an obvious linear relationship. As the peak acceleration ascends, Fs decreases in a linear fashion, and the R2 between them is 0.99.Key

7、words: blasting vibration; dynamic load; stability; peak acceleration爆破作為露天礦生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，對采礦工程活動起到至關(guān)重要的作用。爆破可以松散硬度較 大的巖石，大大提高采掘機械的工作效率。同時，爆破產(chǎn)生的沖擊波在巖石中傳遞，以爆破動載荷的形式作用于露天礦采場中其他圍巖中，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度明顯下降。炮孔周圍巖體在爆破瞬間受到的壓力可達 5 × 103 5 × 104 MPa，遠(yuǎn)超 過巖體的極限 抗壓強度，巖體受到擠壓破碎，而后殘余大量能力以地震波形式向巖體外

8、圍傳播，并通過對巖體施加動載荷引起巖體橫向和縱向震動1。露天礦采礦工程活 動是時間和空間交互的過程，邊坡巖體隨著采剝工 程的進行逐漸形成。從邊坡巖體遭到開挖，其內(nèi)部原始地應(yīng)力遭到破壞，隨著采礦活動的逐漸進行，邊坡 巖體在地應(yīng)力、重力及外部載荷作用下，通過應(yīng)力重 新分布向臨空面進行應(yīng)力釋放，在此過程中結(jié)構(gòu)面 逐漸形成一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著爆破動載荷的影響，存在于邊坡巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面受到附加應(yīng)力 作用，使結(jié)構(gòu)面裂隙擴張，結(jié)構(gòu)面抗剪強度大大降 低。當(dāng)邊坡巖體距離爆破點距離較近時，爆破產(chǎn)生的 附加應(yīng)力甚至?xí)惯吰卵刂浫踅Y(jié)構(gòu)面產(chǎn)生直接滑動，嚴(yán)重影響邊坡工程穩(wěn)定性。因此，研究爆破震動收稿日期：2014

9、-02-22作者簡介：宋景輝（1970-），女，內(nèi)蒙古赤峰人，高級工程 師，1991 年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦系，任昆明煤炭設(shè)計研究院露采副總工程師、露天所副所長兼主任工程師。露天采礦技術(shù)2014 年第 7 期·11·效應(yīng)對巖體邊坡穩(wěn)定性間的相互影響關(guān)系，對保證露天礦邊坡穩(wěn)定具有重要意義2。將爆破產(chǎn)生的震動荷載考慮進入邊坡穩(wěn)定性計 算方法，通過工程實例，研究在不同爆破震動載荷規(guī) 模下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律，為露天礦山邊坡理 論體系的進一步完善及不同巖體條件下爆破技術(shù)方案選擇提供理論參考。數(shù)，與巖石特性有關(guān)； 為震波衰減系數(shù)。3）傳播介質(zhì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論，當(dāng)爆破震動 通過

10、不同的傳播介質(zhì)時，由于傳播介質(zhì)原有的結(jié)構(gòu) 特性的不同 將會導(dǎo)致其動態(tài)響應(yīng) 在響應(yīng)持續(xù)時間 、 頻率、響應(yīng)的衰減等特征方面發(fā)生較大差異7。露天采礦過程中，實施爆破和爆破震動傳輸多在巖體或土體等無限介質(zhì)中，其巖土介質(zhì)結(jié)構(gòu)特性主要體現(xiàn) 在巖土力學(xué)性能方面，如抗剪強度、彈性模量等。4）起爆條件。包括爆破技術(shù)方案中起爆順序、孔網(wǎng)參數(shù)、微差爆破間隔時間等。根據(jù)現(xiàn)場工程經(jīng)驗，采 用齊發(fā)爆破方式相對于微差爆破來說，所產(chǎn)生的爆破 震動頻率較小，在設(shè)計起爆順序時，盡量采用 V 型掏槽或者對角交叉起爆，可以使爆區(qū)內(nèi)的震動波相互疊加，減小對外部巖體的動載荷作用。在設(shè)置孔網(wǎng)參數(shù) 時，盡量加大孔距，縮小排距，減小底盤抵抗

11、線長度。采用微差爆破方式時，毫秒延遲爆破相比于齊發(fā)爆破，其振幅較小，頻率較高，并且作用時間短。在微差 爆破中，如果爆破震動波 2 個波形相互疊加，其相位 差為 0.5 T 或者（n + 0.5）T 時，疊加后的振幅最小，而當(dāng)相位時差為 T 或 nT（n = 0，1，2，3，n）時，波疊加 后振幅最大，理論與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本一致。影響爆破震動效應(yīng)的因素1爆破震動效應(yīng)對露天礦巖體邊坡的穩(wěn)定性有重要的影響，主要由爆破震動的頻率 、振 幅、持續(xù)時間 以及結(jié)構(gòu)本身的強度特性決定，且隨爆破震動強度 的增大，造成巖體邊坡中結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征的大幅度改變，對邊坡的穩(wěn)定性程度影響也就越大。從研究邊坡穩(wěn)定性的角度看

12、，確定影響爆破震動效應(yīng)的因 素并了解影響其頻率、幅值及持續(xù)時間的主要安全判據(jù)，控制露天礦爆破震動效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)合國內(nèi)外對爆破震動效應(yīng)的研究，歸納影響爆 破震動效應(yīng)的主要因素包括3：1）爆破震動速度、頻率和作用時間。爆破震動強 度與質(zhì)點震動速度大小具有明顯的相關(guān)性，且震動速度與巖土性質(zhì)關(guān)系較為穩(wěn)定，而與質(zhì)點的震動位移及加速度之間關(guān)系不大4。爆破震動沖擊波在巖體中傳播時，結(jié)構(gòu)體對于 介質(zhì)中傳遞來的震動波具有選擇放大作用。這種作用主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)體對于震動波中與其本身固有頻 率相近的波放大最多，因而由于共振的作用，該波在巖體中傳播時振幅最大，引起的震動最為強烈，對巖體結(jié)構(gòu)破壞作用最為明顯5

13、。作用時間對爆破震動效應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在其 對巖體造成的損害具有累積效應(yīng)。當(dāng)爆破震動振幅、 頻率一致時，結(jié)構(gòu)應(yīng)力相應(yīng)最大值基本相同，但隨著作用時間的增長，巖體中結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生的塑性變形逐漸增大，對巖體產(chǎn)生漸進破壞作用。2）炮孔裝藥量與爆心距離。根據(jù)薩道夫斯基公 式，炮孔裝藥量與爆破震動效應(yīng)之間具有明顯的正比關(guān) 系 ，炮 孔裝藥量越大 ，質(zhì)點震 動峰值速度越大 6； 與爆心距離呈反比關(guān)系，距離爆破中心距離越近，爆破所引起的震動效應(yīng)越明顯。爆破震動對邊坡穩(wěn)定性的影響分析22.1 工程實例參數(shù)哈爾烏素露天煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田中部，與黑 岱溝露天煤礦 毗 鄰， 地理坐標(biāo)為東經(jīng) 111° 10 11

14、1°2230，北緯 39°3945 39°4415。整個煤田 東西寬 21 km，南北長 65 km，面積 1 022 km2。該礦端幫巖層呈近水平分布，厚度均勻，巖體中結(jié)構(gòu)面較 為發(fā)育，且在外力影響下表現(xiàn)出明顯的擴展性，端幫邊 坡的巖性分布如圖 1，各個分層巖體力學(xué)參數(shù)見表 1。煤圖 1表 1端幫邊坡剖面巖體力學(xué)參數(shù)巖性密度 （/ t·m-3）內(nèi)摩擦角 （/ °）粘聚力 C/kPa V = K 姨姨Q 姨3黃土砂質(zhì)泥巖 粗砂巖 煤1.952.452.241.4029.544.547.038.738.168.056.049.0（1）R式 中 ：

15、V 為質(zhì)點震動峰 值 速度 ，cm/s；Q 為 炮 孔裝藥量，kg；R 為 監(jiān)測點與震源之間 距 離 ，m；K 為 系黃土粗砂巖泥巖采礦工程黃土粗砂巖 煤泥巖1.21.1y = -1.316x + 1.114 7數(shù) 1.0R2 = 0.99系定 0.9穩(wěn)0.80.70.60.00.10.20.30.4峰值加速度 a（/ m·s-2）露天采礦技術(shù)2014 年第 7 期·12·2.2算例分析建立邊坡穩(wěn)定性分析模型，采用理想彈塑性模 型，選擇摩爾庫倫強度準(zhǔn)則為屈服準(zhǔn)則。在未施加爆破動載荷之前 ， 計 算 此模型的安全系數(shù)為 Fs 為1.155，滑面位置如圖 2。大幅度減

16、弱，因此在邊坡設(shè)計中必須考慮地震作用的影響8。為了進一步研究爆破動載荷作用和邊坡穩(wěn)定系 數(shù)之間具體關(guān)系，將表 2 中的數(shù)據(jù)擬合成邊坡穩(wěn)定 系數(shù)與峰值加速度關(guān)系曲線為：y = -1.316x + 1.114 7，R2 = 0.99（2）式中：y 為擬合邊坡穩(wěn) 定 系數(shù) ；x 為 爆 破 震 動 峰值加速度，m/s2。隨著峰值加速度逐漸增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐 漸降低，并且峰值加速度 x 與邊坡穩(wěn)定系數(shù) y 之間 存在明顯的線性關(guān)系，從擬合曲線可以看出兩者線 性擬合度較高。圖 2 滑面位置及穩(wěn)定系數(shù)從圖 2 中可以看出，在原始狀態(tài)下，邊坡處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但局部也有可能發(fā)生滑落。隨后 給此地質(zhì)

17、模型加載爆破動載荷，將動載荷轉(zhuǎn)化為地 震峰值加速度，以 0.05g 為步長，從 0 0.4g 逐漸加 載，并計算出在不同峰值加速度下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果見表 2。表 2 不同峰值加速度下邊坡穩(wěn)定系數(shù)峰值加速度 a穩(wěn)定系數(shù) Fs0.00 g0.05 g0.10 g0.15 g0.20 g0.25 g0.30 g0.35 g0.40 g1.1551.1141.0040.9250.8640.8110.7630.6910.634圖 3 峰值加速度與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線結(jié) 論31）露天礦生產(chǎn)過程中爆破動載荷對邊坡工程穩(wěn)定性影響顯著，爆破動載荷可以通過破壞巖體內(nèi)部 結(jié)構(gòu)面，引起邊坡巖體中應(yīng)力重新分布，從而對改

18、變原始穩(wěn)定應(yīng)力狀態(tài)，對露天礦邊坡工程穩(wěn)定性極為不利。2）影響爆破震動效應(yīng)的因素主要包括爆破震動 的速度、頻率、作用時間 3 要素，炮孔裝藥量，傳播介質(zhì)與起爆條件。爆破震動效應(yīng)與炮孔裝藥量呈正比 關(guān)系，并且隨著距離爆源距離的增大，震動效應(yīng)明顯 下降。爆破震動效應(yīng)在不同傳播介質(zhì)中變化范圍很大，主要與介質(zhì)本身的巖體特性聯(lián)系密切。通過優(yōu)化爆破方案中起爆條件，調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)和起爆順序，采 用微差爆破方式，可以有效減小爆破震動效應(yīng)對邊坡巖體穩(wěn)定性的影響。3）隨著爆破動載荷作用 的增大，即震動峰值 加 速度增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從初始狀態(tài)下的 1.155降低至峰值加速 度 為 0.4g 下 的 0.634，爆

19、破 動 載 荷（下轉(zhuǎn)第 16 頁）從表 2 中可以得出，隨著震動峰值加速度的增大，邊坡穩(wěn)定性逐漸降低。較小爆破動載荷動作用 下，當(dāng)加速度峰值為 0.05g 的動荷載作用后，邊坡穩(wěn) 定性系數(shù)從 1.155 降至 1.114，此時邊坡的安全系數(shù) 雖有所降低，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)動載荷強度稍大時，滑坡在加速度峰值為 0.10g 的動荷載作用后，邊坡 的 穩(wěn) 定 性 進一步 削弱， 滑坡安全系數(shù) 降 低為 1.004，邊坡處于極限平衡狀態(tài)。當(dāng)加速度峰值逐漸 增 至 0.15g 時 ，此 時 穩(wěn) 定 系 數(shù) 為 0.925，邊 坡 已 經(jīng) 處于失穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)邊坡在加速度峰值為 0.4g 的動載荷 作用后，

20、穩(wěn)定系數(shù)已經(jīng) 低至 0.634，此時邊坡已 經(jīng) 處 于完全失穩(wěn)狀態(tài)。這表明在爆破動荷載對邊坡穩(wěn)定性影響顯著，在爆破動載荷作用下邊坡的穩(wěn)定性將采礦工程露天采礦技術(shù)2014 年第 7 期·16·大幅度縮短。故優(yōu)化方案的投資費和運營費均較原方案 2 有優(yōu)勢。另外，達產(chǎn)當(dāng)年運營費 和購置費共節(jié)省 3 087萬元，按達產(chǎn)前 6 年計算，共節(jié)省 6 027 萬元。經(jīng)綜合研究分析認(rèn)為，優(yōu)化方案具有較好的經(jīng) 濟優(yōu)勢，故推薦優(yōu)化后的帶式輸送機布置方案。中應(yīng)考慮多種因素，研究最優(yōu)帶式輸送機的布置方案，使投資費用和運營費用大大降低，給企業(yè)帶來巨 大的經(jīng)濟效益。參考文獻：1李樹學(xué)，袁金祥.半連續(xù)工藝在伊敏露天礦的應(yīng)用J.露天采礦技術(shù)，2011（1）：5- 8.GB501972005 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范S.宋 偉 剛 .散裝物料帶式輸送機設(shè) 計M.沈 陽 ：東 北 大 學(xué)出版社，2000.宋 偉 剛 .通用帶式輸送機設(shè) 計M.北 京 ：機 械 工 業(yè) 出版社，2006梁 庚 煌 . 運 輸 機 械 手 冊M. 北 京 ：化 學(xué) 工 業(yè) 出 版 社 ，1983.楊榮新.露天 采 礦 學(xué)（下 冊）M.徐 州 ：中 國 礦 業(yè) 大 學(xué) 出版社，1990：66- 69.23結(jié) 語3隨著帶式輸送機技術(shù)的不斷改進和突破