朱帥帥,唐海,2*,萬(wàn)文,馬諭杰,王建龍,丁安松

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

隨著爆破在開(kāi)挖方面的廣泛應(yīng)用,由爆破振動(dòng)誘發(fā)的邊坡擾動(dòng)問(wèn)題已經(jīng)成為邊坡類(lèi)工程施工中的一大安全難題.對(duì)于此領(lǐng)域,已有很多學(xué)者通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行了研究,并取得了一系列的成果.胡英國(guó)等[1]通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)保留巖體中損傷區(qū)進(jìn)行跨孔聲波測(cè)試,對(duì)基于損傷度確定臨界損傷質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度進(jìn)行了研究和分析;朱傳云等[2]通過(guò)對(duì)爆破前后巖體聲波波速的變化率,得到了三峽工程中爆破開(kāi)挖擾動(dòng)下中隔墩爆破振速控制的安全標(biāo)準(zhǔn);李俊如等[3]通過(guò)對(duì)邊坡巖體的聲波測(cè)試,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)以及工程經(jīng)驗(yàn),初步確定邊坡振動(dòng)速度安全閾值.以上對(duì)爆破振動(dòng)控制的研究主要是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合爆破安全規(guī)程確定振動(dòng)速度安全閾值.但這種爆破后的實(shí)測(cè)方法不利于前期爆破開(kāi)挖中對(duì)于保留巖體振動(dòng)的控制,可能造成損傷.

伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬成為研究爆破振動(dòng)對(duì)邊坡擾動(dòng)的重要方法.對(duì)于數(shù)值模擬在這方面的可行性,已有諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證.劉亞群等[4]通過(guò)數(shù)值模擬分析了巖石邊坡坡腳點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值,得出的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致,兩者誤差在要求范圍以?xún)?nèi),用數(shù)值模擬分析是可行的;馬沖等[5]通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出在不同巖層傾角下含軟弱夾層的邊坡所對(duì)應(yīng)的爆破振動(dòng)速度安全閾值;許名標(biāo)等[6]將現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試與ANSYS數(shù)值模擬時(shí)程分析相結(jié)合,對(duì)爆破作用下的巖質(zhì)高陡邊坡分析,得到模擬速度值與速度實(shí)測(cè)值較吻合.

綜上分析,采用數(shù)值模擬對(duì)爆破振動(dòng)作用下露天礦邊坡的穩(wěn)定性研究,這種方法可行且可避免試驗(yàn)爆破對(duì)邊坡的損傷.現(xiàn)以貴州穿巖洞露天采礦爆破為例,應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立爆破荷載作用下穿巖洞礦邊坡的模擬,結(jié)合邊坡臨界狀態(tài)的定義,確定邊坡振動(dòng)速度安全閾值的方法,并提出邊坡振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn),控制最大段藥量,保證爆后邊坡的安全穩(wěn)定.

1 工程背景

1.1 地貌概況

貴州穿巖洞露天礦位于黔南布依族苗族自治州,礦山生產(chǎn)規(guī)模350萬(wàn)t/a,東側(cè)前期進(jìn)行部分施工形成的邊坡高度達(dá)到120 m,如圖1所示.目前,礦山開(kāi)采場(chǎng)地為露天開(kāi)采,爆區(qū)上部有5級(jí)臺(tái)階,每級(jí)臺(tái)階高度為24 m,坡面角度約53°,臺(tái)階平臺(tái)寬度10 m,如圖2所示.根據(jù)前期勘探結(jié)果,礦區(qū)主要有磷塊巖、白云巖等巖石.

圖1 礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 邊坡局部

1.2 爆破方案

根據(jù)爆破區(qū)域?qū)嶋H情況,爆區(qū)巖石主要為白云巖,屬堅(jiān)硬巖石,考慮鉆孔能力以及鉆孔設(shè)備選型,決定采用1250型號(hào)深孔鑿巖臺(tái)車(chē),爆破采用2#巖石乳化炸藥,一次爆破1排孔,具體爆破參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 爆破參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)爆破現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件,建立簡(jiǎn)化的邊坡數(shù)值計(jì)算模型,臺(tái)階邊坡高度24 m,臺(tái)階平臺(tái)寬度10 m,邊坡角擬定53°.選取LS-DYNA軟件中的塑性材料以及Cowper- Symonds[7]模型來(lái)模擬巖石介質(zhì),其參數(shù)見(jiàn)表2.為了消除在動(dòng)力分析中邊界處可能造成波的反射,本文采用Lysmer和Kuhlemeyer[8]提出的黏性(無(wú)反射)邊界,模型底面和右側(cè)面是無(wú)反射邊界,模型上邊界是自由邊界,如圖3所示.

表2 巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)

2.2 荷載的確定

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9,10],本文采用在粉碎區(qū)邊界上施加三角形脈沖荷載的爆破加載方法進(jìn)行數(shù)值模擬研究,計(jì)算時(shí)炸藥密度取1 300 kg/m3,炸藥爆速取4 500 m/s,三角形脈沖荷載曲線(xiàn)如圖4所示.

圖3 邊坡數(shù)值模型

圖4 三角形爆破荷載曲線(xiàn)

依據(jù)炸藥爆轟波的查普曼-朱格特理論為基礎(chǔ)[11-13],得到爆破沖擊波作用在粉碎區(qū)邊界巖體的峰值壓力計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中:Pb,Pr分別為沖擊波作用在炮孔壁和粉碎區(qū)邊界巖石上的峰值壓力;ρe為炸藥密度;D為爆轟波速;γ為炸藥等熵指數(shù),取3;d為粉碎區(qū)半徑與炸藥半徑之比,取2.

根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算得Pr=411.33 MPa.

3 邊坡振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)

爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)的確定一直是各個(gè)巖石高邊坡開(kāi)挖工程的重點(diǎn)與難題.目前廣泛通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合爆破安全規(guī)程確定邊坡振速控制標(biāo)準(zhǔn),該方法雖然準(zhǔn)確但資金成本與時(shí)間成本較高[14].本次研究是根據(jù)上述計(jì)算的荷載值進(jìn)行多次數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)邊坡的應(yīng)力主要集中在靠近爆區(qū)的2個(gè)臺(tái)階,如圖5所示.為簡(jiǎn)化計(jì)算,本文選擇受爆破擾動(dòng)影響較大的臺(tái)階邊坡建立模型進(jìn)行分析.基于目前廣泛采用上層臺(tái)階的爆破振動(dòng)速度閾值作為邊坡爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀,分別在爆區(qū)上部第一臺(tái)階平臺(tái)和第二臺(tái)階平臺(tái)處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)[15],數(shù)值模型如圖6所示.

根據(jù)同課題組的共同研究[16],運(yùn)用數(shù)值模擬分析多次爆破荷載作用下邊坡的位移變化,發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律:在穩(wěn)定狀態(tài),邊坡位移收斂,即邊坡關(guān)鍵點(diǎn)位移趨向穩(wěn)定在某一定值,依據(jù)爆破振動(dòng)速度和位移之間存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系v=dx/dt,此時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)速度為0,即在該荷載作用下,關(guān)鍵點(diǎn)振動(dòng)速度處于峰值狀態(tài)時(shí)邊坡也不會(huì)破壞;在破壞狀態(tài)下,邊坡出現(xiàn)滑動(dòng)面滑動(dòng)破壞,邊坡位移不收斂,邊坡關(guān)鍵點(diǎn)位移隨時(shí)間逐漸增大,振動(dòng)速度也逐漸增大,直到邊坡失穩(wěn)破壞.由此得出當(dāng)邊坡位移介于收斂與不收斂之間時(shí),邊坡處于臨界狀態(tài).因此,取臨界狀態(tài)時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)峰值速度作為安全閾值,可監(jiān)控邊坡穩(wěn)定.

圖5 邊坡應(yīng)力云圖

圖6 數(shù)值模型

為確定關(guān)鍵點(diǎn)的位置,保持橫坐標(biāo)時(shí)間不變,將縱坐標(biāo)值以荷載值411.33 MPa為標(biāo)準(zhǔn),依次按1.1倍、1.2倍、1.3倍……逐漸放大,直至邊坡破壞.模擬后得到的邊坡穩(wěn)定和破壞時(shí)的位移云圖分別見(jiàn)圖7和圖8.從圖8中可以看出,當(dāng)荷載增加到邊坡破壞時(shí),第一臺(tái)階坡頂出現(xiàn)了滑動(dòng)面滑動(dòng)破壞,此時(shí)該坡頂距離基坑邊1 m位置處位移變化最大,最易破壞,該位置即為關(guān)鍵點(diǎn).

圖7 穩(wěn)定時(shí)邊坡整體位移云圖

圖8 破壞時(shí)邊坡整體位移云圖

逐漸增大輸入荷載,當(dāng)輸入荷載為標(biāo)準(zhǔn)荷載的1.8倍時(shí),得到多次爆破作用下邊坡關(guān)鍵點(diǎn)的位移曲線(xiàn)圖,如圖9所示,此時(shí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)輸入荷載為標(biāo)準(zhǔn)荷載的1.9倍時(shí),得到邊坡破壞時(shí)的邊坡關(guān)鍵點(diǎn)的位移曲線(xiàn)圖,如圖10所示.

圖9 穩(wěn)定時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)位移曲線(xiàn)

圖10 破壞時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)位移曲線(xiàn)

由此可以看出,當(dāng)輸入荷載介于標(biāo)準(zhǔn)荷載的1.8 ～1.9倍時(shí),邊坡在該荷載作用下會(huì)達(dá)到臨界狀態(tài).為保證工程安全及應(yīng)用便捷,取前一級(jí)荷載(標(biāo)準(zhǔn)荷載的1.8倍)作用下的邊坡為臨界狀態(tài),此時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)的最大峰值振動(dòng)速度15.6 cm/s為安全閾值,取安全系數(shù)為1.5[17],得多次爆破荷載下邊坡振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)為10 cm/s.

目前確定邊坡振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn),都需要結(jié)合大量的工程經(jīng)驗(yàn).長(zhǎng)沙礦冶研究院在對(duì)國(guó)內(nèi)大量礦山爆破振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上[18],提出我國(guó)硬質(zhì)巖石邊坡振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)范圍為22～35 cm/s;清江隔河巖工程[19],I類(lèi)邊坡控制標(biāo)準(zhǔn)為22 cm/s;Ⅱ類(lèi)邊坡控制標(biāo)準(zhǔn)為28 cm/s;Ⅲ類(lèi)邊坡控制標(biāo)準(zhǔn)為35 cm/s.綜上分析可以看出,若以前人成果為標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用到本工程多次爆破施工中,可能對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成破壞,因此該工程選用本文數(shù)值模擬確定的邊坡振動(dòng)速度為控制標(biāo)準(zhǔn),可避免多次爆破對(duì)邊坡的損傷.

4 控制標(biāo)準(zhǔn)可行性分析

4.1 理論分析

結(jié)合大量工程試驗(yàn)可知,爆破振動(dòng)主要與最大段藥量有關(guān),一般是采用薩道夫斯基公式來(lái)確定最大段藥量:

(3)

式中:Q為一次起爆最大段藥量,kg;R為爆源中心到監(jiān)測(cè)對(duì)象的距離,即爆源距,m;V為被保護(hù)對(duì)象允許的振動(dòng)速度,cm/s;K,α分別為與爆破條件、巖石特性有關(guān)的系數(shù),其取值范圍見(jiàn)表3.

表3 爆區(qū)不同巖性的K,α值

由于臺(tái)階邊坡與爆區(qū)位置存在高差,用該公式預(yù)測(cè)最大段藥量會(huì)存在較大誤差.因此,根據(jù)文獻(xiàn)[20],當(dāng)高差為正時(shí),在公式中加入高差因子,得到了更精確的計(jì)算公式:

(4)

式中:H為測(cè)點(diǎn)到爆源中心的高程差,m;β為與高程有關(guān)的系數(shù),其取值范圍為0.25～0.28.

本工程巖層主要為白云巖,屬堅(jiān)硬巖石,計(jì)算時(shí)K取100,α取1.4,β取0.26.依據(jù)邊坡振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn)為10 cm/s,由式(4)計(jì)算符合允許振動(dòng)要求的最大段藥量為239.39 kg,遠(yuǎn)小于爆破設(shè)計(jì)方案中的最大段藥量500 kg,因此原設(shè)計(jì)方案施工可能對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成擾動(dòng).為保證安全施工,需控制最大段藥量低于239.39 kg(為便于裝藥,取230 kg).

為驗(yàn)證該控制標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性,按最大段藥量230 kg建立數(shù)值分析模型,得到邊坡在穩(wěn)定時(shí)整體的位移云圖(圖11a)和多次爆破荷載作用下邊坡關(guān)鍵點(diǎn)的位移曲線(xiàn)圖(圖11b).由圖11可以看出,在多次的爆破荷載作用下,邊坡坡面整體位移收斂,關(guān)鍵點(diǎn)位移趨向穩(wěn)定在某一定值,說(shuō)明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài).

4.2 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

通過(guò)工程實(shí)測(cè)來(lái)驗(yàn)證理論確定的控制標(biāo)準(zhǔn)的合理性,現(xiàn)場(chǎng)爆破施工時(shí),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置盡量與模型(圖6)中位置接近(其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1布置在關(guān)鍵點(diǎn)處).現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器選用成都中科測(cè)控TC-4850智能爆破測(cè)振儀,監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)速度.現(xiàn)場(chǎng)儀器的布置如圖12a所示,選取其中典型的振動(dòng)信號(hào)波形圖如圖12b所示.

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,現(xiàn)場(chǎng)爆破數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表4.

圖11 位移云圖及位移曲線(xiàn)

圖12 現(xiàn)場(chǎng)儀器布置及振動(dòng)波形

表4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

從表4看出,爆破施工時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)速度最大值為關(guān)鍵點(diǎn)處峰值振動(dòng)速度(說(shuō)明選取的關(guān)鍵點(diǎn)位置是合適的),小于邊坡振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)10 cm/s,同時(shí)露天礦邊坡巖體沒(méi)有出現(xiàn)損傷現(xiàn)象.說(shuō)明目前改進(jìn)的爆破方案是可行的,確定的邊坡振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn)也是合適的.

5 結(jié)論

1)通過(guò)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析,確定了邊坡關(guān)鍵點(diǎn)位置,依據(jù)臨界狀態(tài)定義,得到多次爆破荷載下邊坡振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)為10 cm/s.

2)對(duì)爆破設(shè)計(jì)方案中最大段藥量進(jìn)行了改進(jìn),并通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了其可行性.