露天礦預(yù)裂爆破對(duì)邊坡的損傷研究

高天榮

(昆鋼工程投資管理部，云南安寧 650302)

露天礦預(yù)裂爆破對(duì)邊坡的損傷研究

高天榮

(昆鋼工程投資管理部，云南安寧 650302)

基于質(zhì)點(diǎn)振速對(duì)巖體損傷的判據(jù)，利用Tc－4850爆破振動(dòng)測(cè)試儀，對(duì)某大型露天銅礦的預(yù)裂爆破荷載作用下產(chǎn)生的邊坡?lián)p傷效應(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。研究表明:預(yù)裂爆破對(duì)高陡邊坡的影響深度為0.45－0.75m;隨著與爆源距離的增大，巖體爆破損傷程度減小，累積損傷效應(yīng)逐漸變得不明顯;水平和垂直方向測(cè)試結(jié)果存在著較大的差異，說明爆破作用下巖體損傷具有各向異性的特征。測(cè)試結(jié)果為進(jìn)一步進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)的研究和高陡邊坡的穩(wěn)定性分析提供了參考依據(jù)。

預(yù)裂爆破;邊坡開挖;巖體損傷;損傷判據(jù);計(jì)算方法

1 引言

露天礦場(chǎng)頻繁的爆破作業(yè)，使邊坡經(jīng)常受到動(dòng)荷載的作用，地震波會(huì)給潛在的破壞面施以額外動(dòng)應(yīng)力，從而使巖石節(jié)理面張開，甚至導(dǎo)致巖石破碎，促使邊坡破壞。因此，邊坡開挖爆破對(duì)邊坡巖體的損傷程度直接關(guān)系到邊坡的穩(wěn)定，而損傷層的厚度是評(píng)價(jià)爆破破壞作用的一個(gè)重要指標(biāo)［1－2］。在某大型露天銅礦采礦區(qū)對(duì)6次預(yù)裂爆破參數(shù)進(jìn)行了收集與整理，并通過對(duì)爆破振動(dòng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了邊坡圍巖的損傷情況。

2 損傷判定標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)外普遍采用PPV判據(jù)來作為巖體損傷的判據(jù)，質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度判據(jù)的理論依據(jù)是一維應(yīng)力波理論［3］:

式中，Vp為巖體縱波速度;［ε］為巖體極限拉應(yīng)變;E為巖石彈模;［σt］、［στ］分別為巖石的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度;kt為［σt］和［στ］的關(guān)系系數(shù)，一般為1/8～1/16。

采用PPV判據(jù)可以事先通過理論計(jì)算預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)所引起的巖體損傷范圍，為調(diào)整爆破參數(shù)和爆破方法，控制爆破作業(yè)對(duì)保留巖體的損傷具有指導(dǎo)作用［4］。

Bauer、Calder、Mojitabai、Beattie和Save1y建議的爆破損傷質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度判據(jù)分別如表1、表2和表3所示［5］。這些安全判據(jù)往往是通過比對(duì)爆破前后巖體中的新增裂隙數(shù)量、聲波對(duì)比測(cè)試等方法確定的。

表1 巖石爆破損傷的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度臨界值(Bauer和Calder)

表2 巖石爆破損傷的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度臨界值(Mojitabai和Beatti)

表3 巖石爆破損傷的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度臨界值(Savely)

3 損傷判定計(jì)算方法

質(zhì)點(diǎn)峰值PPV的損傷計(jì)算:

盧文波和Hustrulid基于對(duì)柱面波理論、長(zhǎng)柱狀裝藥中的子波理論以及短柱狀藥包激發(fā)的應(yīng)力波場(chǎng)Heelan解的分析，推導(dǎo)了巖石爆破中爆源近區(qū)的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度衰減公式［6］。

式中:V為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度;k為群孔爆破影響系數(shù)，在爆源近區(qū)k≈l，在爆源遠(yuǎn)區(qū)k為同段起爆的炮孔數(shù);R為爆心距;b為炮孔半徑;β為衰減指數(shù); Vo為在炮孔壁上的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，Vo為:

式中:P0為炮孔內(nèi)爆生氣體的初始?jí)毫?ρ為巖石密度。

在C－J爆轟條件下，炸藥的平均爆轟壓力為:

式中:Pe為炸藥爆轟平均初始?jí)毫?ρe為炸藥密度;D為炸藥爆轟速度;γ為炸藥的等熵指數(shù)。假設(shè)爆生氣體為多方氣體，則其狀態(tài)方程為:

式中:P為某一狀態(tài)下的爆生氣體壓力;ρ為某一狀態(tài)下爆生氣體的密度;A為常數(shù);vo為爆生氣體的等熵指數(shù)。當(dāng)P≥Pk時(shí)，取vo=γ=3.0;當(dāng)P＜Pk時(shí)，取vo=γ=1.4;Pk為炸藥的臨界壓力。

對(duì)耦合裝藥條件，有:

對(duì)不耦合裝藥條件，若裝藥的不耦合系數(shù)b/a值較小(a為裝藥半徑)，則爆生氣體的膨脹只經(jīng)過P＞Pk一種狀態(tài)，此時(shí)由式(6)得炮孔初始平均壓力幾為:

若裝藥的不耦合系數(shù)值較大，爆生氣體的膨脹需經(jīng)歷P≥Pk和P＜Pk兩個(gè)階段，則由式(7)，得:

確定了P0后，則可由式(4)確定炮孔壁上的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度Vo。

在具體的工程實(shí)踐中，根據(jù)以上所介紹的巖體爆破損傷的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度安全判據(jù)，可以確定巖石爆破損傷的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度臨界值［V］，根據(jù)炸藥種類，炸藥特性、鉆孔孔徑、裝藥結(jié)構(gòu)及巖性參數(shù)等因素，可以確定b，β和k，由前面的推導(dǎo)可以確定炮孔壁上的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度Vo，則由式(5)得:

式中:［R］為爆破引起的巖體損傷范圍。

由式(9)可以預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)方案的巖體爆破損傷范圍。這樣，就可以事先確定最后一排主爆孔離設(shè)計(jì)輪廓面的最小距離(預(yù)留保護(hù)層的厚度)，指導(dǎo)需要嚴(yán)格控制振動(dòng)速度的預(yù)留保護(hù)層的爆破開挖，以控制巖體的損傷范圍［7－8］。

4 巖體損傷效應(yīng)分析

參考表1－3的爆破損傷質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度判據(jù)，并根據(jù)露天礦邊坡泥板巖、灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度等巖性及力學(xué)參數(shù)，可以確定該弱風(fēng)化至新鮮泥板巖、灰?guī)r的爆破損傷質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度安全上限約為25～60cm/s之間。

根據(jù)露天礦邊坡巖體的條件及實(shí)際采用的鉆孔直徑、爆破器材性能參數(shù)，在設(shè)計(jì)計(jì)算中選取的光面和預(yù)裂爆破基本參數(shù)如下:

鉆孔直徑為140mm，散裝乳化炸藥填滿藥孔;

因防地下水的影響，爆速D=4200m/s，炸藥密度ρe=1150kg/m3，對(duì)P＞100Mpa，γ=3.0，對(duì)P＜100Mpa，γ=1.4;

對(duì)邊坡巖石密度ρ=2760kg/m3，縱波速度Vp= 5913m/s，預(yù)裂爆破群孔爆破系數(shù)k=10，衰減指數(shù)β=1.74;

根據(jù)確定的不同風(fēng)化程度巖石的爆破損傷質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度安全判據(jù)，由薩道夫斯基公式可以預(yù)報(bào)爆破開挖對(duì)保留巖體的損傷影響范圍。通過上述計(jì)算，可以得到采用上述爆破參數(shù)的情況下，對(duì)保留巖體的損傷范圍見表4。

表4 對(duì)圍巖爆破損傷范圍的理論預(yù)測(cè)

5 結(jié)論

在露天礦高陡邊坡進(jìn)行了預(yù)裂爆破的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過對(duì)爆破振動(dòng)波的監(jiān)測(cè)和爆后邊坡圍巖的超聲波檢測(cè)，對(duì)預(yù)裂爆破方法引起的圍巖內(nèi)部損傷進(jìn)行了研究。其結(jié)論如下:

基于波動(dòng)理論的爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度衰減公式和國(guó)際通用的巖體爆破損傷的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度安全判據(jù)，計(jì)算得出巖體損傷范圍，僅僅只是代表由預(yù)裂爆破所引起的損傷，對(duì)于爆破設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

［1］蒲傳金，張志呈，郭學(xué)彬.不耦合裝藥爆破對(duì)孔壁巖石損傷破壞的聲波分析［J］.中國(guó)鎢業(yè)，2006，21(1):19－22.

［2］蒲傳金，張志呈，郭學(xué)彬.邊坡開挖光面爆破對(duì)巖體損傷的影響研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2005，25(5):68－70.

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Study on Pre－Splitting Blasting on Slope Damage of Strip Mine

GAO Tian－rong

(Project Investment Department，Kunming Iron＆Steel(Group)Co.Ltd.，Anning 650302，Yunnan，China)

Based on the rock mass damage criterion of particle velocity，slope damage effect is studied under pre－splitting blasting load by experiment in situ in a large copper mine by using the Tc－4850 blasting vibration tester.The study results indicate that the pre－splitting blasting of effect depth on high－steep slope is 0.45－0.75 meter;the blasting damage degree of rock mass decrease with the increase of distance between blasting source and particle.And the cumulative damage effect gradually becomes invisible.The test results of the horizontal direction are different from that of the vertical direction.The above result indicates that rock mass has an anisotropic character.The result provides reference for study of rock mass mechanical parameter and analysis of the high－steep slope stability.

pre－splitting blasting;slope excavation;damage of rock mass;damage criterion;computing method

TD824.7;TD854+.2

A

1009－3842(2011)06－0015－03

2011－09－04

高天榮(1969－)，男，云南昭通市人，工程師，研究方向?yàn)榈V山井巷工程建設(shè)管理和質(zhì)量監(jiān)督。E－mail:kmgtr@sina.com