爆破振動對尾礦庫穩定性影響分析研究

李海港，李仕杰，吳賢振，楊澤元

（1.江西省安全生產科學技術研究中心，江西，南昌 330030；2.江西理工大學 資源與環境工程學院，江西 贛州 341000）

爆破技術作為一種常規工程手段被廣泛應用于礦山開采、隧道開挖、構筑物拆除、大型水利水電設施建設等各個領域，為人類工程建設發展做出了巨大貢獻[1-4]。然而在爆破技術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筑物帶來巨大的安全隱患[5-7]。爆破振動響應機制及減少爆破振動產生的影響也是眾多學者研究的重點課題。

鄒玉君等[8]基于邊坡爆破實測數據分析研究了爆破振動對臨近構筑物的破壞機制，劃分了爆破振動影響區域。劉超英等[9]通過監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定性影響，研究了微差爆破時間順序對振動效應的影響。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域下爆破振動對不同臨近構筑物的影響，確定了爆心距、振動強度、臨近建構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筑物響應情況是決定爆破活動危害的關鍵。

露天礦山開采中爆破作業是開采過程的重要環節，具有爆破周期長、爆破頻次高、爆破藥量大的特點，易對附近構筑物帶來不利影響。而尾礦庫作為礦山建構筑物中的重大危險源，由于其自身的高危性，研究爆破作業伴生的爆破振動對臨近尾礦庫穩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計標高的尾礦壩產生的影響。

1 工程概況

彭山錫礦尾礦庫位于德安縣聶橋鎮劉家山村（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。采石爆破作業過程中會伴生地震波、噪音等不利因素，其中爆破作業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定性的影響，本次測試在尾礦庫庫頂不同區域選定了四個監測點，并在四個測點布設Blastmate-III 爆破測振儀（測振儀觸發值設置為0.051cm/s），對不同平臺不同藥量的三組爆破試驗進行監測（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 測試結果及穩定性分析評價

3.1 測試結果

三次測振試驗結果如表1所示。

表1 某露天礦山爆破測振試驗結果匯總

（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，測振儀未有數據記錄。

（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未有數據記錄。

（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未有數據記錄。

3.2 爆破測振試驗結果分析

三次爆破測振試驗測點峰值合振速度結果如表2所示。通過對比三組試驗：當藥量為定值時，爆心距越大，測點的合振速度越小；當爆心距一定時，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據，基于數值計算軟件MATLAB進行線性擬合，最終計算得出薩道夫斯基公式參數：K=4.5963，α=0.8843（擬合結果如圖3所示）。

3.3 穩定性評價

該建壩址區域屬于長江中下游地震亞區，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。《爆破安全規程》對不同建構筑物爆破振動安全范圍進行了劃分，但未對尾礦庫進行規定，本文參考“非抗震大型砌塊”標準，尾礦庫最大允許振速小于23mm/s。

參照以上標準對比三組爆破測振試驗數據結果，三組測振試驗測點峰值振速均處于標準允許的范圍之內，符合相應安全規范。

4 數值模擬

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，依據尾礦庫實際情況，建立尾礦庫模型，并將其導入FLAC3D有限差分軟件，通過相關參數選定，邊界條件設定及相關靜動力學計算（尾礦庫模型見圖4-5），分析研究尾礦庫運行至最終標高119m后爆破振動對尾礦庫穩定性影響。

計算模型的相關材料力學參數選取是決定數值模擬準確性的重要過程，本文通過參考相關尾礦庫文獻資料[11-13]，對模型材料相關物理力學參數進行選定，具體參數設定如表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 尾礦壩體側視圖

表3 尾礦壩壩體相關模擬參數

4.2 數值模擬計算及分析

（1）動力計算模型

動力計算部分選定應用較為廣泛的修正黏彈性模型進行相關動力計算，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力；γc為剪切應變；k1、k2、n和λmax為輸入參數；為等效的剪應變。

（2）FLAC3D動力計算

通過邊界條件設定、施加自重應力場等靜力學計算后，基于前文中的三組爆破測振試驗數據，由于試驗3中測點1監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）計算結果分析

考慮數值模擬與測振試驗的可比性，數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，數值模擬計算結果中測點1，2振速峰值略大于試驗3中所測數值。

數值模擬計算結果中4個測點的速度均遠小于爆破震動安全規定值和VI度地震抗震安全規定值，符合爆破震動安全規定。尾礦庫運行至最終標高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爆破安全規定。

5 結論

（1）通過分析三組爆破測振試驗結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，本次計算結果可為露天采場爆破活動爆破振動強度預測及藥量控制提供理論依據。

（3）FLAC3D數值模擬結果表明，尾礦庫運行至設計最終標高119m后，露天采場日常爆破活動對尾礦庫穩定性影響符合相關安全規范。

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