張耿城，郭連軍，賈建軍，梁爾祝，董英健

(1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870；3.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司，遼寧 鞍山 114046)

0 引 言

隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)和能源的大量需求，爆破技術(shù)由于效率高及經(jīng)濟(jì)效益可觀而被廣泛應(yīng)用于巖土、礦上開挖、水利水電等工程當(dāng)中。但是，在礦山開采過(guò)程中，爆破振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的地震波對(duì)邊坡的效應(yīng)日趨明顯[1]。針對(duì)爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性，學(xué)者們從多個(gè)角度展開了研究。徐金貴等[3]通過(guò)設(shè)計(jì)邊坡振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，表明了邊坡形態(tài)、坡面角對(duì)地震波在邊坡上傳播具有較大的影響；吳超等[4]通過(guò)對(duì)高陡邊坡的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，從信號(hào)分析角度分析爆破振動(dòng)信號(hào)能量以及優(yōu)勢(shì)頻率的分布特征。針對(duì)沿節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的巖體，LING等[5]采用擬靜力的方法進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得到巖石邊坡?lián)p傷演化規(guī)律。因此，有效地保證邊坡的穩(wěn)定性顯得尤其重要，特別對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的研究和控制具有重要的實(shí)際意義。

1 工程背景

鞍鋼礦業(yè)某露天礦是生產(chǎn)能力較大的礦山，年生產(chǎn)力達(dá)到750萬(wàn)t，并利用臺(tái)階深孔爆破來(lái)實(shí)現(xiàn)開挖，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃在+505平臺(tái)進(jìn)行爆破，但考慮到距離爆區(qū)107.8 m的邊坡安全性，開展了對(duì)邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與研究工作。 該臺(tái)階設(shè)計(jì)高度為15 m，布孔個(gè)數(shù)達(dá)到127個(gè)，均采用三角形布孔，孔深為16.7 m,其中，孔距、排距為7 m×5.5 m，單孔最大起爆量為380 kg,孔間、排間延期時(shí)間分別為17 ms、42 ms。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)爆破對(duì)邊坡的危害效應(yīng)以及制定出，本文結(jié)合+505平臺(tái)爆破開挖，研究爆破振動(dòng)波在邊坡上傳播的規(guī)律，并結(jié)合FLAC3D軟件建立邊坡模型，分析巖石邊坡在爆破振動(dòng)作用下的速度位移的變化規(guī)律，對(duì)類似工程具有一定的參考意義。

2 邊坡爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

巖石邊坡的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備采用中科院成都設(shè)計(jì)院生產(chǎn)的TC-4850測(cè)振儀，該儀器采樣頻率為8 000 fps，測(cè)量的頻帶寬度為5～200 Hz，測(cè)量的速度范圍為0.001～34 cm/s,采樣時(shí)間為2 s，內(nèi)觸平值為0.1 cm/s，三向傳感器用石膏固定在基巖上，并且使傳感器的X軸指向爆區(qū)方向，邊坡的具體測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

2.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

本次共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中，1#測(cè)點(diǎn)、3#測(cè)點(diǎn)、2#測(cè)點(diǎn)布置在+505平臺(tái)，7#測(cè)點(diǎn)、6#測(cè)點(diǎn)、4#測(cè)點(diǎn)布置在+520平臺(tái)，5#測(cè)點(diǎn)、8#測(cè)點(diǎn)布置+535平臺(tái)，各點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)表1建立了水平切向、水平徑向、豎直方向峰值振動(dòng)速度與爆心距的關(guān)系。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of measuring points

表1 測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Monitoring data of blasting vibration

圖2 峰值振動(dòng)速度隨爆心距的衰減規(guī)律曲線Fig.2 Attenuation curve of peak vibration velocitywith detonation center distance

由圖2和圖3可知，在低于臨界爆心距內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的三向振動(dòng)峰值速度與爆心距呈負(fù)相關(guān)，總體上豎直方向的振動(dòng)速度大于水平切向、水平徑向的速度，最大峰值振動(dòng)速度達(dá)到4.1 cm/s，即使最小的振動(dòng)速度也達(dá)到了1.5 cm/s，接近于邊坡振動(dòng)速度的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性，且速度衰減相對(duì)于其他兩個(gè)方向較慢，應(yīng)進(jìn)一步將監(jiān)測(cè)的豎直方向速度作為重點(diǎn)研究分析對(duì)象。建立靠近坡底、坡頂?shù)?#測(cè)點(diǎn)、7#測(cè)點(diǎn)、5#測(cè)點(diǎn)、遠(yuǎn)離坡底、坡頂?shù)?#測(cè)點(diǎn)、4#測(cè)點(diǎn)、8#測(cè)點(diǎn)的峰值振速與高程差的關(guān)系。由圖3還可知，三向振動(dòng)峰值速度隨著高程的增加成衰減趨勢(shì)，且坡頂測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)峰值速度大于坡底測(cè)點(diǎn)的速度，并沒(méi)有呈現(xiàn)出高程的放大效應(yīng)現(xiàn)象[6-7],反而與高程差成負(fù)相關(guān)，而對(duì)于+535平臺(tái)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度發(fā)生顯著性變化，可見正高程差的存在并不一定導(dǎo)致邊坡質(zhì)點(diǎn)振速的放大效應(yīng)，說(shuō)明只有在高程差達(dá)到一定值時(shí)才可能有放大效應(yīng)的情況發(fā)生。

圖3 峰值振動(dòng)速度與高程差之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between peak vibration velocity and elevation difference

3 邊坡監(jiān)測(cè)信號(hào)能量的處理與分析

炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生了一種必然產(chǎn)物——爆破振動(dòng)波，隨后以橢球狀的形式向外界傳播[8]。攜帶能量的爆破振動(dòng)波傳播過(guò)程中對(duì)周圍介質(zhì)產(chǎn)生了擾動(dòng)直至破壞，而爆破振動(dòng)地震波作為一種信號(hào)，認(rèn)識(shí)其本質(zhì)特征是分析爆破振動(dòng)危害效應(yīng)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是降低爆破振動(dòng)對(duì)邊坡?lián)p害的依據(jù)。爆破振動(dòng)持續(xù)一定時(shí)間，其振動(dòng)能量作用于爆區(qū)附近的邊坡，使得邊坡表現(xiàn)超過(guò)最大允許安全位移而發(fā)生破壞。因此為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)邊坡爆破振動(dòng)能量的變化規(guī)律，對(duì)監(jiān)測(cè)的邊坡爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行Matlab處理，建立爆破振動(dòng)信號(hào)能量與時(shí)間、頻率之間的關(guān)系,如圖4所示。

圖4 三維能量譜Fig.4 Three-dimensional energy spectrum

由圖4可知，爆破振動(dòng)能量在相對(duì)高頻帶20～60 Hz分布較少。 絕大部分的爆破振動(dòng)能量主要集中在頻率0～20 Hz和時(shí)間0～0.5 s；但頻帶6～10 Hz對(duì)應(yīng)的爆破振動(dòng)能量較大，考慮到爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的危害效應(yīng)，合理采取微差時(shí)間，減少能量在低頻帶集中分布。

4 邊坡數(shù)值模擬計(jì)算與驗(yàn)證

上文主要從試驗(yàn)角度分析了爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的響應(yīng)特征，為了彌補(bǔ)試驗(yàn)些許不足之處，展開了邊坡響應(yīng)的數(shù)值模擬研究。FLAC3D軟件被廣泛應(yīng)用到模擬邊坡對(duì)爆破振動(dòng)的響應(yīng)特征[9]。為進(jìn)一步分析邊坡在爆破振動(dòng)下的響應(yīng)特征，利用FLAC3D軟件建立邊坡的振動(dòng)響應(yīng)模型，分析巖石邊坡對(duì)爆破振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。

根據(jù)露天礦開采設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，臺(tái)階的坡面角為47°，臺(tái)階高度為15 m，表層為全風(fēng)化花崗巖，并含有散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，其相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 巖石的計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculating parameters of rocks

根據(jù)所監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建立邊坡模型(圖5)，其中該模型水平方向?yàn)?45 m，臺(tái)階高度為15 m，豎直方向?yàn)?5 m，并將邊坡的前后兩側(cè)及下部施加約束力，保證其位移為零，考慮邊坡在爆破動(dòng)載荷作用下的響應(yīng)特征，將監(jiān)測(cè)的爆破振動(dòng)原始數(shù)據(jù)代表性波形作為動(dòng)力載荷，將其施加到邊坡上，分析邊坡的應(yīng)力、位移以及速度在爆破振動(dòng)作用下的變化規(guī)律。

屈服準(zhǔn)則計(jì)算。在對(duì)邊坡穩(wěn)定性開展數(shù)值模擬過(guò)程中，定義巖石遵循摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，而屈服函數(shù)定義[10]具體見式(1)～(3)。

(1)

ft=σ3-σt

(2)

(3)

式中：σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

圖5 邊坡模型Fig.5 Slope model

圖6為在爆破動(dòng)載荷作用下邊坡豎直方向速度的變化云圖。在+505平臺(tái)爆破振動(dòng)速度變化較大，而到了+520平臺(tái)坡面上速度卻有衰減的趨勢(shì)，說(shuō)明了當(dāng)邊坡高度低于爆破振動(dòng)放大效應(yīng)臨界高程值時(shí)，振動(dòng)速度受爆心距離影響較大；+535平臺(tái)豎直方向的振動(dòng)速度急劇上升，表明了高程達(dá)到特定值時(shí)，振動(dòng)速度受高程影響較大，呈現(xiàn)了放大效應(yīng)。破壞了高邊坡的穩(wěn)定性，模擬的結(jié)果驗(yàn)證了檢測(cè)爆破振動(dòng)速度的變化規(guī)律，同時(shí)說(shuō)明了正高程差的存

在不一定放大爆破振動(dòng)危害效應(yīng)，換言之，當(dāng)邊坡的高程達(dá)到一定值時(shí)爆破對(duì)邊坡危害放大效應(yīng)才得以體現(xiàn)。因此，對(duì)于爆破近區(qū)的高邊坡來(lái)說(shuō)有必要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少邊坡失穩(wěn)帶來(lái)的一系列工程問(wèn)題。

圖6 豎直方向振動(dòng)速度變化云圖Fig.6 Vertical vibration velocity change cloud map

圖7為邊坡在爆破動(dòng)載荷作用下的豎直與水平方向的位移變化情況。從圖7中可以看出，坡頂?shù)呢Q直、水平方向的位移相對(duì)于坡底來(lái)說(shuō)變化較大，在+520、+535兩個(gè)平臺(tái)的坡面豎直方向位移變化較為明顯，特別是+535平臺(tái)位移達(dá)到最大值，說(shuō)明爆破振動(dòng)在傳播過(guò)程中對(duì)于正高程差的邊坡具有破壞放大效應(yīng)，導(dǎo)致上部平臺(tái)發(fā)生移動(dòng)，這與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)速度結(jié)果變化規(guī)律具有較強(qiáng)的相關(guān)性，從邊坡的水平位移云圖得到，坡底位移變化幅度快大且集中，這對(duì)+520平臺(tái)爆破開挖造成極大的安全隱患，同時(shí)也證明了該邊坡在爆破振動(dòng)的作用下穩(wěn)定性逐漸變小，基于爆區(qū)近區(qū)邊坡的安全，應(yīng)該著重考慮相關(guān)爆破參數(shù)的修正以及對(duì)邊坡開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以達(dá)到降低邊坡失穩(wěn)帶來(lái)安全事故發(fā)生的可能性的目的。

圖7 邊坡位移云圖Fig.7 Slope displacement nephogram

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，爆破振動(dòng)波豎直分量的振速比水平切向、水平徑向振速大，且速度衰減較快，但在+535平臺(tái)振動(dòng)速度明顯變大，表明了高程差達(dá)到一定值時(shí)會(huì)放大爆破振動(dòng)對(duì)邊坡危害效應(yīng)。

2) 通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的爆破振動(dòng)信號(hào)處理看，表明了信號(hào)能量主要集中頻率0～20 Hz和時(shí)間0～0.5 s范圍內(nèi)，為了降低爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的危害效應(yīng)，應(yīng)合理設(shè)置延期時(shí)間，避免能量在0～0.5 s時(shí)間的疊加。

3) 從邊坡模擬結(jié)果來(lái)看，坡底位移變化幅度且集中，這對(duì)+520平臺(tái)爆破開挖造成極大的安全隱患，導(dǎo)致邊坡在爆破振動(dòng)的作用下穩(wěn)定性逐漸降低，應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該模擬計(jì)算結(jié)果可為巖石邊坡的安全性做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，有利于對(duì)爆破參數(shù)的及時(shí)調(diào)整。