某鐵礦露天爆破振動對鄰近尾礦壩穩定性影響研究

鄭小龍，李海港*

(1. 江西省安全科學研究院，330000，南昌；2. 江西省安全生產科學技術研究中心，330000，南昌)

0 引言

爆破工程技術廣泛應用于露天礦山的剝離和開采中，但爆破所產生的爆破振動會影響采場四周鄰近建構筑物的穩定性[1-3]。當露天爆破開采活動逐漸逼近尾礦庫時，尾礦庫的穩定性必然要考慮爆破振動的影響，通過對爆破振動進行監測、統計與分析，從而得到爆破振動的強度和地震波的傳播規律，有效探究爆破振動對尾礦庫穩定性的影響，進而制定有效控制措施，減輕其帶來的危害，對礦山生產安全具有十分重要的工程意義。

近年來，不少學者就工程爆破對周邊建構筑物穩定性的影響進行了研究，陳江[4]等研究了大跨度公路隧道爆破振動對臨近高邊坡穩定性的影響；鄒玉君[5]等通過長期爆破振動監測，評價了爆破振動對周邊民房的影響，提出了降低房屋開裂風險的措施；宗琦[6]等通過對礦山深孔爆破和臨近建筑物巖石基坑開挖控制爆破進行爆破振動測試，對爆破振動衰減規律進行了探究，提出爆破優化方案指導工程爆破施工；鄭明新[7]等通過現場爆破振動測試和數值計算結合分析，探討了鐵路隧道的救援通道爆破開挖對臨近高鐵隧道襯砌結構的影響；曹蘭柱[8]等以理論分析與數學計算相結合，研究爆破振動邊坡損傷模型，確定邊坡多次爆破振動作用下的邊坡破壞時間和最危險區域；李蕭翰[9]等運用數值模擬，探究了炮孔周邊遠、近處質點振動效應的規律；張平[10]等通過數值模擬，對隧道穿越煤層爆破振動影響圍巖穩定性進行了研究；費鴻祿[11]等通過實際工況模擬爆破試驗研究爆破振動衰減系數，為現場施工提出指導意見；汪日生[12]等對采空區爆破過程的振動規律進行分析，研究爆破振動對周邊建筑物穩定性的影響；趙學龍[13]等對采場正常生產爆破進行爆破振動監測，與利用預測公式計算爆破振動的速度進行對比分析，為采場擴大爆破規模提供依據；傅倬[14]等對核電站臺階爆破進行爆破振動監測，得出水平方向爆破振動和垂直方向的關系，為后期施工提供參考。由上述研究可知，爆破振動對建構筑物的影響得到廣泛研究，但露天爆破振動對臨近尾礦庫穩定性的影響研究成果相對較少。因此，探究露天礦開采爆破對一定區域范圍內尾礦庫穩定性的影響，具有重要的工程指導意義。

本文對臨近尾礦壩露天開采爆破進行振動監測，統計監測數據并與國內相關標準對比分析，判斷現有爆破對尾礦庫穩定性的影響；利用薩道夫斯基公式對爆破振動現場監測結果進行預測，得出不同振速控制標準的距離與允許最大段藥量關系，從而提出爆破施工安全控制措施。在此基礎上，對爆破振動作用下尾礦庫穩定性影響進行液化分析，為爆破工程實踐提供參考依據。

1 工程概況

某礦山尾礦初期壩與采礦爆破區域高程基本一致。評估區為該礦3號尾礦庫壩體，初期壩采用粘土堆砌，后期壩體采用土石壩。尾礦庫主壩曾經過一次加高工程，加高工程采用廢石加高壩體，同時在壩前迎水面采用粘土斜墻防滲。

尾礦壩的壩頂高程為140.0 m，該尾礦壩在132.0 m及126.0 m高程上各設一級馬道，132.0 m高程上馬道寬2.5 m，126.0 m高程上的馬道寬10.0 m，126.0 m以下廢石壩坡為1:1.75。此尾礦庫主壩經過一次加高工程，高程由132.0 m加高到140.0 m，加高工程采用廢石加高壩體，同時在壩前迎水面采用粘土斜墻防滲。粘土斜墻頂寬5.0 m，上游坡度1:2.5，斜墻與廢石壩體之間設置反濾層一道，由斜墻至廢石壩體反濾層為400 g/m2無紡土工布一層、粗砂層厚度15 cm、碎石層厚度15 cm。廢石壩體頂寬3.0 m，廢石壩體上游坡1:1.6，下游坡1:2.0。

如圖1所示，爆破點與尾礦壩之間水平距離大約在250～360 m范圍內，且采空區已經形成，露采區距離尾礦壩體最近距離在250 m左右。采空區形成了低洼的谷，給爆破振動波的傳遞也起到減緩效果的作用。目前尾礦壩體抗震速度暫無單獨規程要求。因此，本次爆破振動分析參考相關規定多方因素考慮，進行最優化處理。

(a)爆破現場 (b)各生產區布局

2 測試方法

爆破振動現場監測選用加拿大Instantel系列振動監測儀，型號為輕便的MiniMate Plus型主機+ISEE型標準三向速度傳感器。每次爆破振動測試的傳感器按直線布置，一條沿著尾礦壩的高程呈直線布置，分別布置在馬道上，另一條直線按照沿著尾礦壩體的走向布置在同一級馬道上。此次監測過程共進行了5次爆破，10個爆破測試點均勻布置在尾礦庫主壩的三級馬道上，每個測點安置一個三向速度傳感器，用石膏固定在馬道每級較為平整、穩固的地方，以減小實驗誤差使得試驗結果更準確。布置方式如圖2所示。

圖2 試驗設備與現場測試

3 測試結果及分析

3.1 測試數據統計分析

目前，我國關于尾礦壩在爆破振動作用下的安全評價問題尚沒有明確規定，沒有完全符合的標準或者規范可以遵循。結合《爆破安全規程GB6722—2014》中地面建筑物的爆破振動安全允許標準和《水電水利工程爆破安全監測規程》中的開挖爆破振動控制標準進行安全評判。如表1為爆破振動監測數據。

1)根據《爆破安全規程GB6722—2014》中地面建筑物的爆破振動安全允許標準，安全允許振動主頻參考在10～50 Hz范圍之內的標準值。由現場實測的數據可知，水平向、豎向及剪切方向的主頻平均值分別為10.95 Hz、11.4 Hz、13.75 Hz，最大主頻為41 Hz，其平均值都是分布在10～50 Hz范圍之內。根據經驗，該礦3#尾礦庫主壩體介于“一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物”和“鋼筋混凝土結構房屋”的安全允許振速之間，即2.3～4.5 cm/s，現場實測質點振動峰值速度最大值為0.432 cm/s，遠小于此標準。因此，可初步判定此次爆破振動對測試尾礦壩體穩定性的影響在允許的范圍內。

表1 爆破振動監測數據統計表

2)根據《水電水利工程爆破安全監測規程》中的開挖爆破振動控制標準進行安全評判。標準中尾礦壩可歸于“二灘大壩及廠房”范圍之內，其標準速度為0.5 cm/s。通過對比，本次爆破振動對測試尾礦壩穩定性的影響在允許的范圍內。

綜上，該尾礦庫正常安全生產爆破過程中所產生的爆破振動對測試尾礦壩體穩定性的影響都在允許范圍之內，對尾礦壩的穩定性無顯著影響。

3.2 爆破振動現場檢測結果預測

炸藥爆炸引起巖石內部質點振動有垂直、徑向和切向3個速度分量，一般切向振速較小，垂直和徑向振速較大。據研究，在高差不大、近距離范圍的情況下，一般是垂直速度分量對爆破地震起控制作用[15]，不過在此次振動測試中，由于爆破區域與尾礦壩體測試點布置區域中間有部分采空區，因此水平徑向和水平切向的影響較垂直振速對尾礦壩體穩定性的影響甚小，而且此次現場測試的振動速度數據數值本身較小，在此振動監測工作中采用垂直振速作為擬測定的振速，對最大振速的計算采用薩道夫斯基公式：

(1)

式中：V為計算點所在地質點振動速度(cm/s)；Q為爆破單響最大炸藥量(kg)，齊發爆破取總藥量，微差爆破取最大段藥量；K為相關系數；a為衰減指數；R為測點距爆心的距離(m)。

根據位于直線上的各振動監測點振動幅值變化采用最小二乘法進行回歸分析，計算出表征爆破振動衰減規律的K、a值。通過對表1數據進行處理，剔除其中部分離散型較大的數據，進行回歸分析，得到K、a的回歸值分別為245和1.95，相關系數為0.48。因此，正常生產過程中爆破地震波衰減規律為：

(2)

利用該公式對礦山正常安全生產過程中爆破振動強度進行預測，預測結果見表2和表3。為便于直觀對比，作圖3和圖4。

表2 不同振速控制標準的齊爆藥量與安全距離關系預測表

表3 不同振速控制標準的距離與允許最大齊爆藥量估算表

圖3 不同振速控制標準的齊爆藥量與最小安全距離關系

圖4 不同振速控制標準的距離與允許最大齊爆藥量的關系

從圖3可以看出，振速控制標準在0.1～0.5 cm/s范圍內，同一振速控制標準時最小安全距離隨著齊爆藥量的增加而增大，最小安全距離變化曲線呈現上凸型。當振速控制標準為0.1 cm/s、0.2 cm/s、0.3 cm/s、0.4 cm/s、0.5 cm/s，起爆藥量由100 kg增加至550 kg時，最小安全距離分別增大了194.3 m、136.17 m、110.61 m、95.44 m、85.11 m，說明振速控制標準越大，當齊爆藥量增加時其最小安全距離增幅越小。當齊爆藥量不變，振動速度控制標準由0.2 cm/s增大至0.5 cm/s時，其安全距離增大的幅度較小，當振速標準控制在0.1 cm/s范圍內時，其安全距離增幅明顯增大，說明振速控制標準越小，需要的安全距離越大，特別是當振速控制標準小于0.1 cm/s時，振速控制標準對安全距離的影響越明顯。

從圖4可以看出，最大齊爆藥量曲線呈上凹型，當距離較小時振速控制標準在0.1～0.5 cm/s內對應的最大齊爆藥量較小且相差不大，當爆破距離由200 m增大到380 m時，其振速控制標準為0.1 cm/s、0.2 cm/s、0.3 cm/s、0.4 cm/s、0.5 cm/s最大齊爆藥量增量分別為286.3 kg、831.64 kg、1 551.83 kg、2 415.78 kg、3 405.26 kg，反映出允許的最大齊爆藥量隨著爆破距離的增大明顯增加，且振速控制標準越大其增加趨勢越明顯。

通過以上分析可以發現，在臨近尾礦庫進行爆破作業時，對爆破藥量的控制是非常嚴格的，特別在靠近尾礦壩爆破工作區進行爆破作業時應更加注意振動影響。工程中在標準規定Vmax不超過0.5 cm/s情況下，一定的爆破藥量對應著一個最小安全距離，生產過程中應根據起爆炸藥量嚴格控制安全距離；此礦區爆破與尾礦壩距離在250～380 m范圍內，根據最大齊爆藥量的預測值嚴格控制生產過程中一次起爆的藥量，使礦區在正常生產過程中足夠安全，減小爆破振動對尾礦壩體穩定性的影響。

4 爆破振動液化有限元分析

4.1 液化分析方法

根據筑壩材料以及巖體的風化卸荷特性，尾礦壩的巖土體按高程從下到上可依次概化為微風化千枚巖、中風化千枚巖、強風化千枚巖、含礫粉質粘土、機械碾壓土壩、碾壓廢石以及斜墻抗滲粘土(圖5)。

圖5 壩體剖面圖

地震動力反應分析采用有效應力法。采用有限元分析軟件GeoStudio中的QUAKE模塊對尾礦庫中、初級壩體做爆破振動液化分析，判斷土體液化則采用Seed-Idriss應力分析對比法[15]，其表達式如式(3)：

(3)

處于飽程狀態的土體單元，當式(3)具有一定的安全系數(通常為1.5)時，通常認為土體沒有液化危險；反之，則判定土體可能發生液化。表4為爆破振動液化有限元計算中需要用到的參數。

表4 物理參數表

4.2 液化分析結果

圖6為爆破振動波作用下尾礦庫的液化結果，結果顯示幾乎沒有出現振動引起的液化區，整個壩體內部也未發現液化區域。圖7和圖8分別為尾礦庫浸潤線在爆破振動作用下的變化情況和爆破前實測浸潤線位置，通過對比可以發現，經過振動荷載作用后，浸潤線基本保持在原來的位置。由上述可以發現，爆破振動對尾礦壩的穩定性不構成威脅性影響。

圖6 爆破振動后壩內液化區域分布圖

圖7 爆破振動后壩內浸潤線的變化分布圖

圖8 尾礦庫實測浸潤線位置圖

5 結論

1)對爆破振動監測數據統計分析表明，該露天礦開采正常安全生產爆破過程中產生的爆破振動對尾礦壩體的穩定性無顯著影響。

2)振速控制標準在0.1～0.5 cm/s范圍內，同一振速控制標準時最小安全距離隨著齊爆藥量的增加而增大，振速控制標準越大，當齊爆藥量增加時其最小安全距離增幅越小；當齊爆藥量不變，振速控制標準越小，需要的安全距離越大，特別是當振速控制標準小于0.1 cm/s時，振速控制標準對安全距離的影響越明顯。

3)當距離較小時振速控制標準在0.1～0.5 cm/s內對應的最大齊爆藥量較小且相差不大；當爆破距離由200 m增大到380 m時，允許的最大齊爆藥量隨著爆破距離的增大明顯增加，且振速控制標準越大其增加趨勢越明顯。

4)通過對尾礦庫爆破振動液化分析，壩體內部無液化區域，經過振動荷載作用后，浸潤線也基本保持不變。