爆破振動對上游式尾礦壩安全的影響*

呂淑然 王冀飛

(首都經濟貿易大學安全與環境工程學院)

尾礦庫是礦山重要生產設施，同樣也是人造具有高勢能的危險源，當庫容或壩高達到一定級別時則成為重大危險源。尾礦庫的安全運行直接關系到下游的工礦企業、居民人身財產的安全［1］。由于種種原因礦山尾礦庫緊鄰礦山采場而建，爆破振動對尾礦庫的安全是否存在不利影響，如何評估爆破振動影響，在實際生產中如何控制爆破振動規模和爆破振動強度，目前，我國《爆破安全規程》和《尾礦庫安全技術規程》中均無相應規定。因而，這一問題一直困擾著礦山企業和安全生產監管部門，同時也是礦山科技工作者十分關心的熱點難點問題。

振動用于處理砂土地基以及軟土地基基礎，防止砂土在地震作用下產生液化，這方面取得了大量研究成果［2-3］。對于尾礦庫抵抗天然地震研究資料十分豐富［4］，在《尾礦庫安全技術規程》中也有相應標準可循。然而，對礦山采場爆破振動對尾礦壩安全影響的研究十分少見。

1987年，金堆城鉬業公司與中國水利水電科學研究院協作，采用拋擲爆破加固該公司木子溝尾礦壩，爆破加固設計爆破振動速度安全標準為9 cm/s，而實測右壩肩、壩頂和坡腳處垂直振動速度達到21.87、11.3和19.72 cm/s，相當于自然地震7度以上。尾礦庫灘面質點振動速度為3.22～3.93 cm/s。從宏觀看，尾礦壩未出現垮塌、明顯位移和沉降，尾礦庫灘面未出現冒砂、噴砂等液化現象［5］。王安民、任生林［6］認為，對于堆石壩，爆破振動垂直質點速度安全控制標準為6～8 cm/s，對于尾礦堆積壩，爆破振動垂直質點速度安全控制標準應為3～4 cm/s比較合適。

本研究通過實測承德市某礦業公司采場爆破在其尾礦庫基礎壩處的振動加速度，并以相關技術處理，以期得到爆破振動對尾礦壩影響的安全判據。

1 尾礦庫及礦山采場簡介

承德市某礦業公司尾礦庫堆積壩高度為70.0 m，總壩高為88.0 m，尾礦堆積壩壩頂長約750 m，呈不規則折線形。尾礦庫全庫容為1 300萬m3。尾礦庫初級壩壩高18.0 m，壩頂寬約6.0 m，壩頂全長約166.0 m，外壩坡坡比1∶2.5，內壩坡坡比1∶2.0。初期壩上下游坡腳處設置排滲棱體，壩基底部通過排滲盲溝將其連通。尾礦堆積壩的外壩坡比見表1。

礦山經多年開采現已進入封閉圈以下開采，采場南邦距尾礦庫初級壩最近距離為130 m。礦山采礦方式為露天臺階式開采，中深孔爆破，爆破規模在10～20 t，爆破方式為逐孔爆破技術，礦山采規模為1 500萬t/a。

表1 某礦業公司尾礦庫現狀尾礦堆積壩體外壩坡比

2 尾礦庫有限元模型

選取尾礦庫與采場距離最近且壩體的坡比最大的剖面，作為尾礦庫壩體穩定最不利斷面，即只要此斷面滿足安全要求，則可認為整個尾礦庫都處于安全狀態。為了較少計算負荷，且保證計算結果的準確性，模型長度為尾礦壩外坡面投影長的3倍長度，尾礦庫有限元幾何模型示見圖1。模型材料參數見表2。

圖1 尾礦庫有限元幾何模型

表2 模型材料參數

3 采場爆破振動測試

有限元計算采用的爆破振動波來自實際爆破作業過程中，在尾礦庫初期壩測得的最大垂直質點振動加速度信號的記錄數據如圖2所示，其幅值達到了0.067g，對應的振動速度為3.4 cm/s。

實測爆破振動時對三向振動加速度同時進行了監測。實測表明:采場爆破垂直振動方向的振動加速度遠大于其他兩向振動加速度，從量值上垂直振動強度完全可表征整個爆破振動強度。此外，《爆破安全規程》也以垂直質點振動速度作為安全判據。因此，將以垂直振動加速度作為爆破振動載荷進行加載。計算將實際爆破振動波變幅后作為激勵加載到模型中，研究尾礦壩在不同爆破振動強度下的動力響應。輸入爆破振動激勵幅值為實測爆破振動加速度最大幅值的1～8倍。

圖2 初級壩處加速度波形

4 有限元計算結果

4.1 安全系數分析

將實際爆破振動波變幅后作為激勵加載到模型中，爆破振動作用下尾礦壩動力響應首先反映在尾礦壩的抗滑穩定性上，圖3為典型尾礦壩抗滑穩定系數計算圖。圖4為爆破振動幅值與尾礦壩抗滑穩定系數間關系曲線。

圖3 尾礦壩抗滑穩定系數典型剖面

圖4 爆破振動幅值變化與尾礦壩抗滑穩定系數間關系曲線

當振動加速度=0時，相當于靜態情況下的安全穩定系數，即無爆破振動作用。由圖4可以看出，隨著振動強度的加強，尾礦壩的安全穩定系數呈現出先緩慢增大，當爆破振動幅值超過0.335g后，安全穩定系數迅速降低。此時輸入5倍振動強度時即加速度為0.335g，安全穩定系數可達1.84，較無爆破振動作用時安全穩定系數增加了13%。而當輸入振動幅值達到0.53g時，安全穩定系數降低到0.9，遠低于《尾礦庫安全技術規程》規定安全系數1.2。說明這樣的振動速度尾礦庫則出現垮壩危險。

由此可以認為，較弱的爆破振動，將有利于尾礦壩砂體排水、固結，使其抗滑穩定系數提高。當較強的爆破振動作用尾礦壩時，尾礦壩抗滑穩定系數降低，同時會出現液化或壩體出現垮塌、裂縫等破壞現象。

4.2 孔隙水壓力分析

爆破振動作用下的尾礦壩動力響應還表現在砂體液化上，表征液化的主要參數為孔隙水壓。圖5為典型孔隙水壓力計算等值面云圖。

圖5 孔隙水壓力計算等值面云圖(單位:kPa)

圖6 為爆破振動幅值與孔隙水壓力變化曲線。當振動加速度=0時是靜態情況下的最小孔隙水壓力。由圖4可以看出，整個曲線出現2個拐點。第1個拐點是由靜態轉為動態時的孔隙水壓力迅速增加。當振動加速度由0.067g增加到0.268g時，即4倍加速度時，孔隙水壓力僅增加了0.1 kPa，孔隙水壓力變化不大。當振動加速度大于0.333g后，孔隙水壓力曲線變化顯著，當達到8倍加速度即0.536g時，孔隙水壓力達到－202 kPa，相對1倍加速度時的空隙水壓力增加0.44%，相對加速度0.333g時，即5倍加速度時，孔隙水壓力增加0.7 kPa，增長率為0.35%。

圖6 孔隙水壓力的變化

4.3 剪切應力分析

與液化對應的是砂體的剪切力，圖7為典型最大剪切應力計算等值面云圖。圖8為振動加速度與最大剪切力關系曲線。

圖7 典型最大剪切應力計算等值面云圖(單位:k Pa)

圖8 振動加速度與最大剪切力關系曲線

由圖8可以發現，剪切力是隨著振動強度的加強而呈現先增大，而后逐漸減小的變化關系。拐點發生在4倍加速度，即0.266g，相應振動速度為13.6 cm/s。由孔隙水壓力與砂體剪切力關系可判斷液化是否發生，當超孔隙水壓力與平均有效固結應力之比大于0.8時，可認為尾礦砂達到了初始液化的標準。由此可見，剪切力的減小，對尾礦砂的穩定性是不利的。

綜上所述，爆破振動對尾礦壩安全影響是存在的，并且存在臨界值，當振動強度小于臨界值時，振動對尾礦壩穩定是有益的，當振動強度大于臨界值時，振動對尾礦壩的穩定和安全將構成一定威脅。以承德市某尾礦庫為研究背景，通過有限元計算，綜合安全穩定系數、孔隙水壓力和最大剪切應力的變化，爆破振動臨界加速度為0.266g，對應的振動速度為13.6 cm/s。若考慮應留有3倍以上安全儲備量，則安全允許振動加速度為0.089g，振動速度為4.5 cm/s。

5 結論

(1)隨著振動加速度的幅值不斷加大，尾礦壩的安全系數和尾礦砂剪切應力均服從先增大后減小的變化趨勢?？够€定系數拐點出現在加速度0.333g，而最大剪切應力出現在0.266g，對應質點垂直振動速度分別為13.6和17 cm/s時。對應的孔隙水壓力也在加速度達到0.333g時開始快速增大。

(2)爆破振動對尾礦壩安全影響存在臨界值，當振動強度小于臨界值時，振動對尾礦壩穩定是有益的，當振動強度大于臨界值時，振動對尾礦壩的穩定將是有害的。研究表明尾礦壩基礎壩處的爆破振動臨界加速度為0.266g，對應的振動速度為13.6 cm/s。若留有3倍以上安全儲備量，則安全允許振動加速度為0.089g，振動速度為4.5 cm/s。這一爆破振動允許安全速度判據對于類似尾礦庫也具有參考意義。

［1］ 王國華，段希祥，廟延鋼，等.國內外尾礦庫事故及經驗教訓［J］.科技咨詢，2008(1):23-24.

［2］ 龔曉南.地基處理手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［3］ 俊 童，周 健，李進軍.爆炸法加固飽和粉細砂地基的試驗研究［J］.地下空間與工程學報，2005，1(3):390-396.

［4］ 潘建平.尾礦壩抗震設計方法及抗震措施研究［D］.大連:大連理工大學，2007.

［5］ 劉浩元，王安民.爆破法固壩的震動及液化反應［J］.工程爆破，1997，3(3):65-68.

［6］ 劉浩元，任生林.爆破法加固高險尾礦壩［J］.金屬礦山，1990(4):33-37.