李昌存 郭彥輝 王長(zhǎng)軍 王世龍 謝 行

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院;2.南芬露天鐵礦;3.本溪鋼鐵(集團(tuán))路橋建設(shè)工程有限公司)

礦山滑坡、崩塌及斜坡崩坍等災(zāi)害每年使露天采礦工程多方面受害［1］。特別是隨著露天礦山的開采方式由山坡開采轉(zhuǎn)向凹陷開采，礦山邊坡的垂直高度不斷增加［2］，再加之礦山每天的爆破振動(dòng)對(duì)邊坡體穩(wěn)態(tài)的影響，嚴(yán)重制約著礦山的安全可持續(xù)開采。雖然國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)露天礦山邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了許多探討，但還是有許多問題得不到有效處理，因此在礦山開采前和開采過程中，必須加強(qiáng)對(duì)采場(chǎng)邊坡的控制，實(shí)時(shí)掌握邊坡穩(wěn)態(tài)情況，以便對(duì)礦山采場(chǎng)采掘決策做出有效調(diào)整。

本研究基于本鋼集團(tuán)南芬露天鐵礦工程實(shí)例，結(jié)合高精度、高靈敏度的爆破測(cè)振儀和地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)邊坡的綜合控制，對(duì)礦山實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，掌握邊坡穩(wěn)態(tài)特征，從而指導(dǎo)礦山采掘決策。

1 原理及規(guī)律分析

1.1 爆破振動(dòng)測(cè)試原理

炸藥在爆破時(shí)，對(duì)圍巖會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，使周圍的巖石破壞甚至變成小碎塊，炸藥爆炸時(shí)的能量一部分破碎巖石，而另一部分則轉(zhuǎn)化成地震波通過巖體周圍各種介質(zhì)向著四周傳播［3-4］。爆破產(chǎn)生的地震波不僅種類多，而且它的傳播過程也非常繁瑣，再加上傳播介質(zhì)也不盡相同，所以，通過理論模型描述并計(jì)算爆破震動(dòng)參數(shù)是很難做到的，而且其現(xiàn)實(shí)意義也不大。故而，許多工程通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，獲取每次爆破時(shí)產(chǎn)生的地震波時(shí)程曲線，再運(yùn)用一些數(shù)學(xué)方法計(jì)算爆破震動(dòng)參數(shù)及其衰減規(guī)律，進(jìn)而求解震動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響系數(shù)，判定影響程度。

1.2 爆破地震波衰減規(guī)律分析

爆破地震波在每個(gè)地層中的傳播過程是復(fù)雜的，其中影響地震波傳播及震動(dòng)效應(yīng)的因素也是很多的，例如炸藥的性能、裝填的藥量、裝藥的結(jié)構(gòu)、起爆方式和爆破所處的地形地質(zhì)條件等等［5］。

(1)不考慮高差因素的振速衰減。分析爆破震動(dòng)傳播規(guī)律，研究者們大多數(shù)利用質(zhì)點(diǎn)振速或加速度的最大值、炸藥藥量、相差距離等之間的相互關(guān)系來表示，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大部分學(xué)者采用由薩道夫分析總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式，即

式中，β為高差因素影響指數(shù)，可據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回歸求得;R/S為斜距R和水平距離S之比，也就是高差影響基本系數(shù)。

運(yùn)用多元回歸分析法，求出k、α、β值就可以得出爆破地震波的衰減經(jīng)驗(yàn)公式。

1.3 位移監(jiān)測(cè)基本原理

礦山邊坡地表位移極坐標(biāo)測(cè)量法是測(cè)量中一種比較實(shí)用也比較常用的觀測(cè)方法，它就是通過將儀器架設(shè)到己知坐標(biāo)的穩(wěn)定點(diǎn)上，通過利用己知點(diǎn)來定向，觀測(cè)未知點(diǎn)的水平角、垂直角和斜距，通過這些觀測(cè)量和己知點(diǎn)數(shù)據(jù)來求得未知點(diǎn)的三維坐標(biāo)，如圖1所示。

式中，V為質(zhì)點(diǎn)的最大振速，cm/s;Q為最大段藥量，kg;R為爆心距，m;k、α為場(chǎng)地影響系數(shù)，其數(shù)值經(jīng)回歸求得。

(2)考慮高差因素的振速衰減。在許多監(jiān)測(cè)地震波的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn):監(jiān)測(cè)點(diǎn)正好在爆心上方時(shí)，高差因素的影響使該監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度值偏大，高差數(shù)值過大時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度變化值也會(huì)變得很明顯，并且偏離程度與高差成正比關(guān)系。而式(1)并沒有把高差因素對(duì)地震波的影響考慮其中，若把高差值嵌入式(1)中可得到

圖1 極坐標(biāo)法原理

已知點(diǎn) A、B 的坐標(biāo)分別為 XA、YA、HA和 XB、YB、HB，未知點(diǎn)C的坐標(biāo)假設(shè)為XC、YC、HC，則BA方向的方位角為

而BC的方位角為

那么C點(diǎn)的坐標(biāo)可以計(jì)算出來:

式中，DBC為B、C兩點(diǎn)之間的平距，可以通過斜距L和垂直角θ來計(jì)算:

C點(diǎn)的高程可以通過三角高程的方法來求:

式中，Qh為儀器高;ah為棱鏡高度。

2 災(zāi)害綜合控制實(shí)例

2.1 爆破監(jiān)測(cè)控制

為了對(duì)南芬露天鐵礦邊坡進(jìn)行有效的災(zāi)害控制，建立了完善的“危險(xiǎn)邊坡爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由4臺(tái)爆破測(cè)振儀構(gòu)成，其中3臺(tái)是TC－485系列。危險(xiǎn)邊坡爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)每天采場(chǎng)爆破振動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及曲線記錄、分析。選取2012年6月8日的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)礦山下盤430 m臺(tái)階北側(cè)的32#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，監(jiān)測(cè)曲線如圖2所示。

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 32#監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)曲線

本次爆破32#測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度最大值為0.081 cm/s，頻率6.547 Hz。按照《爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)》，本次爆破對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋及邊坡沒有太大影響，屬于安全允許振速范圍內(nèi)。但是其對(duì)邊坡穩(wěn)定性是否安全，還是一個(gè)未知數(shù)，地表微變形和內(nèi)部損傷程度不得而知，必須結(jié)合地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合系統(tǒng)分析。

2.2 地表位移監(jiān)測(cè)控制

2009年，南芬露天鐵礦引進(jìn)TCA系列全自動(dòng)全站儀，并建立了采場(chǎng)邊坡地表位移全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成測(cè)量周期、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)測(cè)量成果、實(shí)時(shí)顯示變形趨勢(shì)等智能化的功能，可24 h連續(xù)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)實(shí)施監(jiān)測(cè)。

為了獲取爆破前后危險(xiǎn)邊坡巖體的變形特征，2010年在危險(xiǎn)邊坡表面建立了多套地表位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。選擇距離2012年6月8日爆破點(diǎn)最近的42#地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，圖3是430 m臺(tái)階南側(cè)的42#監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)曲線。

圖3 2012年42#監(jiān)測(cè)曲線

通過監(jiān)測(cè)曲線可以看出，工程爆破發(fā)生后，邊坡地表巖體發(fā)生了顯著的變形，歷時(shí)16 d，累計(jì)變形量達(dá)到1 000 mm。由于該區(qū)域2個(gè)月內(nèi)并未進(jìn)行任何開采、擴(kuò)幫和回采工程，因此可以判定本次顯著變化主要是由于附近工程爆破應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生的邊坡擾動(dòng)。按照齋藤理論，將42#監(jiān)測(cè)點(diǎn)演變過程劃分為3個(gè)階段，具體描述如下:

(1)穩(wěn)定階段(A－B)，此階段歷時(shí)約為40 d，累計(jì)位移增長(zhǎng)小于10 mm。

(2)加速突變階段(B－C)，約為10 d，在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的位移變化，累計(jì)位移增長(zhǎng)650 mm，主要原因是由于工程爆破引起。

(3)減速上升階段(C以后)，此階段一直持續(xù)到2012年6月24日，上升速率明顯減慢，邊坡巖體內(nèi)部力學(xué)達(dá)到另一個(gè)平衡點(diǎn)。這證明爆破振動(dòng)應(yīng)力波對(duì)南芬露天鐵礦綠泥角閃片巖邊坡的影響期為15 d左右。

3 結(jié)論

(1)南芬露天鐵礦爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)和地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)從某種程度上為露天礦山掌握邊坡穩(wěn)定性的演變特征提供了科學(xué)依據(jù)。

(2)南芬露天鐵礦42#點(diǎn)地表位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，爆破測(cè)振技術(shù)和地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)的聯(lián)合適用可靠性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)精度高、操作簡(jiǎn)便、值得在露天礦邊坡變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中廣泛推廣。

(3)根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以判定針對(duì)南芬露天礦這種特殊的綠泥角閃巖邊坡巖體，爆破振動(dòng)應(yīng)力波的影響周期為15 d左右。

(4)由于地表位移監(jiān)測(cè)分析具有一定的滯后性，因此應(yīng)當(dāng)利用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)何滿潮教授研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的滑動(dòng)力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，以便得到爆破發(fā)生前后邊坡巖體變形破壞時(shí)的內(nèi)部力學(xué)損傷演變特征，實(shí)現(xiàn)真正意義上的災(zāi)害綜合控制。

［1］ 喬 蘭，李 遠(yuǎn).露天礦山高陡邊坡變形破壞的工程地質(zhì)模型［J］. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(5):461-464.

［2］ 寇明遙，王永智.露天礦滑坡控制技術(shù)的應(yīng)用與研究［J］.甘肅冶金，2010，32(1):24-27.

［3］ 鄭 曉，李萬斌，周益龍，等.紫金東坪金礦的爆破震動(dòng)測(cè)試與研究［J］. 采礦技術(shù)，2010，10(4):121-123.

［4］ 練友紅，王先義，何 剛，等.爆破振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2004，31(1):49-52.

［5］ 王振軍.爆破振動(dòng)測(cè)試在某鈾礦床井下深孔爆破中的應(yīng)用［J］. 鈾礦冶，2010，29(4):177-180.