李海港，李仕杰，吳賢振，楊澤元

（1.江西省安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究中心，江西，南昌 330030；2.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

爆破技術(shù)作為一種常規(guī)工程手段被廣泛應(yīng)用于礦山開采、隧道開挖、構(gòu)筑物拆除、大型水利水電設(shè)施建設(shè)等各個領(lǐng)域，為人類工程建設(shè)發(fā)展做出了巨大貢獻[1-4]。然而在爆破技術(shù)帶來巨大便利的同時也伴生了一些不利因素，爆破活動伴生的爆破振動往往給附近的建構(gòu)筑物帶來巨大的安全隱患[5-7]。爆破振動響應(yīng)機制及減少爆破振動產(chǎn)生的影響也是眾多學(xué)者研究的重點課題。

鄒玉君等[8]基于邊坡爆破實測數(shù)據(jù)分析研究了爆破振動對臨近構(gòu)筑物的破壞機制，劃分了爆破振動影響區(qū)域。劉超英等[9]通過監(jiān)測輸水隧道施工爆破活動，分析評價了施工爆破活動對大壩穩(wěn)定性影響，研究了微差爆破時間順序?qū)φ駝有?yīng)的影響。馬沖等[10]基于有限差分軟件FLAC3D建立順層臺階邊坡數(shù)值模型，研究分析爆破振動劣化作用對順層邊坡的安全性影響。以上研究均從不同角度研究不同領(lǐng)域下爆破振動對不同臨近構(gòu)筑物的影響，確定了爆心距、振動強度、臨近建構(gòu)筑物的抗震能力等是影響爆破活動安全性的重點，即爆破振動對附近構(gòu)筑物響應(yīng)情況是決定爆破活動危害的關(guān)鍵。

露天礦山開采中爆破作業(yè)是開采過程的重要環(huán)節(jié)，具有爆破周期長、爆破頻次高、爆破藥量大的特點，易對附近構(gòu)筑物帶來不利影響。而尾礦庫作為礦山建構(gòu)筑物中的重大危險源，由于其自身的高危性，研究爆破作業(yè)伴生的爆破振動對臨近尾礦庫穩(wěn)定性影響具有極為重要的意義。

本文進行了不同平臺不同爆破藥量的爆破測振試驗，研究了爆破地震波傳播演化規(guī)律，對爆破活動的安全性進行了評價，并通過有限差分軟件FLAC3D模擬爆破振動對運行至設(shè)計標(biāo)高的尾礦壩產(chǎn)生的影響。

1 工程概況

彭山錫礦尾礦庫位于德安縣聶橋鎮(zhèn)劉家山村（地理位置圖如圖1所示），屬于傍山型尾礦庫，壩高29米，為五等庫，初期壩設(shè)計總庫容86×104m3。尾礦庫與某露天采場相鄰（最短距離約500m），露天采場采用深孔毫秒微差爆破，炸藥使用2#巖石乳化炸藥。采石爆破作業(yè)過程中會伴生地震波、噪音等不利因素，其中爆破作業(yè)伴生的爆破振動對鄰近尾礦庫安全性影響不容小覷，是爆破活動需考慮的關(guān)鍵問題。

2 試驗方案

圖2 爆破測振試驗示意圖

為研究露天爆破開采對尾礦庫穩(wěn)定性的影響，本次測試在尾礦庫庫頂不同區(qū)域選定了四個監(jiān)測點，并在四個測點布設(shè)Blastmate-III 爆破測振儀（測振儀觸發(fā)值設(shè)置為0.051cm/s），對不同平臺不同藥量的三組爆破試驗進行監(jiān)測（試驗示意圖如圖1-2所示）。三組爆破試驗的爆破方式與實際爆破作業(yè)一致，均采用主孔深孔毫秒微差間隔爆破，炮孔孔徑90mm，孔深L=8m，具體方案如下：

（1）試驗1：+130m平臺144kg藥量爆破測振試驗

試驗1爆破地點選定于露天采石場+130m平臺，采用深孔毫秒微差爆破，炸藥為2#巖石乳化炸藥，單次 爆破藥量為144kg。

此次測振試驗在尾礦庫庫頂布置了4個測點，其中測點1位于壩頂左側(cè)邊緣22m處，測點2，3，4與測點1的距離分別為30m，60m，90m。三次試驗測點選定均一致（具體測點布置及試驗示意圖見圖2）。

（2）試驗2：+130m平臺192kg藥量爆破測振試驗

試驗2爆破地點、測點位置及起爆方式均與測試1相同，采用2#巖石乳化炸藥，僅單次爆破藥量由144kg提高至192kg。

（3）試驗3：+230m平臺216kg藥量測振試驗

試驗3爆破地點選定于230m平臺，采用深孔毫秒微差爆破，炸藥為2#巖石乳化炸藥，單次爆破藥量為216kg。測試點布置與測試1，2一致。

3 測試結(jié)果及穩(wěn)定性分析評價

3.1 測試結(jié)果

三次測振試驗結(jié)果如表1所示。

表1 某露天礦山爆破測振試驗結(jié)果匯總

（1）試驗1：+130m平臺采場爆破振動

試驗1單次爆破藥量為144 Kg，爆源與測點1，2，3，4的水平距離分別為510m、540m、570m、600m，垂距為24m。根據(jù)表1可得：測點1，2最大合振速分別為0.730 mm/s與0.524mm/s，測點3，4由于合振速度較小，測振儀未有數(shù)據(jù)記錄。

（2）試驗2：+130m平臺采場爆破振動

試驗2爆破藥量為192 Kg。試驗2爆源位置與試驗1一致。根據(jù)表1可知：測點1、2、3最大合振速分別為0.830 mm/s、0.791 mm/s、0.756 mm/s，測點4未有數(shù)據(jù)記錄。

（3）試驗3：+230m平臺采場爆破振動

+230m平臺采場爆破藥量為216 Kg，爆源與測點1，2，3，4的水平距離分別為560m、588m、617m、647m，垂距為124m。根據(jù)表1可知：測點1、2、3最大合振速分別為0.925 mm/s、0.834 mm/s與0.741mm/s，測點4未有數(shù)據(jù)記錄。

3.2 爆破測振試驗結(jié)果分析

三次爆破測振試驗測點峰值合振速度結(jié)果如表2所示。通過對比三組試驗：當(dāng)藥量為定值時，爆心距越大，測點的合振速度越?。划?dāng)爆心距一定時，爆破藥量增大，測點合振速度增大。爆心距及爆破藥量是影響測點合振速度的重要因素。

利用三組爆破測試所得數(shù)據(jù)，基于數(shù)值計算軟件MATLAB進行線性擬合，最終計算得出薩道夫斯基公式參數(shù)：K=4.5963，α=0.8843（擬合結(jié)果如圖3所示）。

3.3 穩(wěn)定性評價

該建壩址區(qū)域?qū)儆陂L江中下游地震亞區(qū)，參考《中國地震烈度表》確定壩址地震烈度為VI，振速在0.05-0.09m/s之間?！侗瓢踩?guī)程》對不同建構(gòu)筑物爆破振動安全范圍進行了劃分，但未對尾礦庫進行規(guī)定，本文參考“非抗震大型砌塊”標(biāo)準(zhǔn)，尾礦庫最大允許振速小于23mm/s。

參照以上標(biāo)準(zhǔn)對比三組爆破測振試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，三組測振試驗測點峰值振速均處于標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍之內(nèi)，符合相應(yīng)安全規(guī)范。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型的建立

本文以彭山錫礦爆破活動為研究背景，以尾礦庫擴容作為研究重點，依據(jù)尾礦庫實際情況，建立尾礦庫模型，并將其導(dǎo)入FLAC3D有限差分軟件，通過相關(guān)參數(shù)選定，邊界條件設(shè)定及相關(guān)靜動力學(xué)計算（尾礦庫模型見圖4-5），分析研究尾礦庫運行至最終標(biāo)高119m后爆破振動對尾礦庫穩(wěn)定性影響。

計算模型的相關(guān)材料力學(xué)參數(shù)選取是決定數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的重要過程，本文通過參考相關(guān)尾礦庫文獻資料[11-13]，對模型材料相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)進行選定，具體參數(shù)設(shè)定如表3所示。

表2 爆破測振試驗測點峰值合振速度

圖3 薩道夫斯基公式擬合圖

圖4 尾礦壩體圖

圖5 尾礦壩體側(cè)視圖

表3 尾礦壩壩體相關(guān)模擬參數(shù)

4.2 數(shù)值模擬計算及分析

（1）動力計算模型

動力計算部分選定應(yīng)用較為廣泛的修正黏彈性模型進行相關(guān)動力計算，具體公式如下：

整理（1）（2）（3）式可得 ：

式中：Pa為尾礦庫周邊大氣壓；δm為尾礦庫平均有效應(yīng)力；γc為剪切應(yīng)變；k1、k2、n和λmax為輸入?yún)?shù)；為等效的剪應(yīng)變。

（2）FLAC3D動力計算

通過邊界條件設(shè)定、施加自重應(yīng)力場等靜力學(xué)計算后，基于前文中的三組爆破測振試驗數(shù)據(jù)，由于試驗3中測點1監(jiān)測到的測點合振速度最大，因此本次動力計算中將試驗3中測點1的振動信號作為動荷載信號進行計算。動力計算圖如圖6-7所示。

（2）計算結(jié)果分析

考慮數(shù)值模擬與測振試驗的可比性，數(shù)值模擬中測點選定與原試驗3測點布置一致，4個測點振動波形曲線如圖8-11所示。

由圖8-11可知，測點1、2、3、4的振速峰值分別為1.3mm/s，1.1mm/s，0.3mm/s，0.28mm/s。對比試驗3中4個測點的振速峰值，數(shù)值模擬計算結(jié)果中測點1，2振速峰值略大于試驗3中所測數(shù)值。

數(shù)值模擬計算結(jié)果中4個測點的速度均遠小于爆破震動安全規(guī)定值和VI度地震抗震安全規(guī)定值，符合爆破震動安全規(guī)定。尾礦庫運行至最終標(biāo)高119m后，采場爆破藥量為216kg情況下，尾礦庫所受爆破振動影響符合相關(guān)爆破安全規(guī)定。

5 結(jié)論

（1）通過分析三組爆破測振試驗結(jié)果得出爆心距及總藥量是影響測點合振速度的重要因素，在實際爆破活動可通過控制總藥量以達到減震目的。

圖6 尾礦壩動力計算圖（側(cè)視圖）

圖7 尾礦壩動力計算圖（左視圖）

圖8 測點1振速時間曲線

圖9 測點2振速時間曲線

圖10 測點3振速時間曲線

圖11 測點4振速時間曲線

（2）通過對爆破測振試驗結(jié)果線性擬合得到薩道夫斯基公式的k、α值，K＝4.5963，α＝0.8843，本次計算結(jié)果可為露天采場爆破活動爆破振動強度預(yù)測及藥量控制提供理論依據(jù)。

（3）FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果表明，尾礦庫運行至設(shè)計最終標(biāo)高119m后，露天采場日常爆破活動對尾礦庫穩(wěn)定性影響符合相關(guān)安全規(guī)范。

（4）實際生產(chǎn)中爆破活動對尾礦庫的損傷作用存在累加效應(yīng)，即便單次爆破振動對尾礦庫的穩(wěn)定性影響不大，但多次爆破振動對尾礦庫的損傷疊加效應(yīng)不容忽視，對尾礦庫的定期檢查評測仍是日常生產(chǎn)的重要流程。