某露天鐵礦爆破振動對邊坡的動態響應特征研究

張耿城，郭連軍，賈建軍，梁爾祝，董英健

(1.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870；3.鞍鋼礦業爆破有限公司，遼寧 鞍山 114046)

0 引 言

隨著國家基礎建設和能源的大量需求，爆破技術由于效率高及經濟效益可觀而被廣泛應用于巖土、礦上開挖、水利水電等工程當中。但是，在礦山開采過程中，爆破振動過程中產生的地震波對邊坡的效應日趨明顯[1]。針對爆破振動對邊坡的穩定性，學者們從多個角度展開了研究。徐金貴等[3]通過設計邊坡振動監測實驗，表明了邊坡形態、坡面角對地震波在邊坡上傳播具有較大的影響；吳超等[4]通過對高陡邊坡的爆破振動監測，從信號分析角度分析爆破振動信號能量以及優勢頻率的分布特征。針對沿節理裂隙結構面滑動的巖體，LING等[5]采用擬靜力的方法進行了穩定性分析，得到巖石邊坡損傷演化規律。因此，有效地保證邊坡的穩定性顯得尤其重要，特別對露天礦邊坡穩定性的研究和控制具有重要的實際意義。

1 工程背景

鞍鋼礦業某露天礦是生產能力較大的礦山，年生產力達到750萬t，并利用臺階深孔爆破來實現開挖，根據生產計劃在+505平臺進行爆破，但考慮到距離爆區107.8 m的邊坡安全性，開展了對邊坡的穩定性監測與研究工作。 該臺階設計高度為15 m，布孔個數達到127個，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、排間延期時間分別為17 ms、42 ms。為了準確評價爆破對邊坡的危害效應以及制定出，本文結合+505平臺爆破開挖，研究爆破振動波在邊坡上傳播的規律，并結合FLAC3D軟件建立邊坡模型，分析巖石邊坡在爆破振動作用下的速度位移的變化規律，對類似工程具有一定的參考意義。

2 邊坡爆破振動監測方案

2.1 測點布置

巖石邊坡的爆破振動監測設備采用中科院成都設計院生產的TC-4850測振儀，該儀器采樣頻率為8 000 fps，測量的頻帶寬度為5～200 Hz，測量的速度范圍為0.001～34 cm/s,采樣時間為2 s，內觸平值為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軸指向爆區方向，邊坡的具體測點布置如圖1所示。

2.2 爆破振動監測數據

本次共布置8個測點，其中，1#測點、3#測點、2#測點布置在+505平臺，7#測點、6#測點、4#測點布置在+520平臺，5#測點、8#測點布置+535平臺，各點的監測數據見表1。

根據表1建立了水平切向、水平徑向、豎直方向峰值振動速度與爆心距的關系。

圖1 測點布置圖Fig.1 Layout of measuring points

表1 測點監測數據Table 1 Monitoring data of blasting vibration

圖2 峰值振動速度隨爆心距的衰減規律曲線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各個測點的三向振動峰值速度與爆心距呈負相關，總體上豎直方向的振動速度大于水平切向、水平徑向的速度，最大峰值振動速度達到4.1 cm/s，即使最小的振動速度也達到了1.5 cm/s，接近于邊坡振動速度的安全允許標準，嚴重影響邊坡的穩定性，且速度衰減相對于其他兩個方向較慢，應進一步將監測的豎直方向速度作為重點研究分析對象。建立靠近坡底、坡頂的2#測點、7#測點、5#測點、遠離坡底、坡頂的1#測點、4#測點、8#測點的峰值振速與高程差的關系。由圖3還可知，三向振動峰值速度隨著高程的增加成衰減趨勢，且坡頂測點的振動峰值速度大于坡底測點的速度，并沒有呈現出高程的放大效應現象[6-7],反而與高程差成負相關，而對于+535平臺測點的振動速度發生顯著性變化，可見正高程差的存在并不一定導致邊坡質點振速的放大效應，說明只有在高程差達到一定值時才可能有放大效應的情況發生。

圖3 峰值振動速度與高程差之間的關系Fig.3 The relationship between peak vibration velocity and elevation difference

3 邊坡監測信號能量的處理與分析

炸藥爆炸時產生了一種必然產物——爆破振動波，隨后以橢球狀的形式向外界傳播[8]。攜帶能量的爆破振動波傳播過程中對周圍介質產生了擾動直至破壞，而爆破振動地震波作為一種信號，認識其本質特征是分析爆破振動危害效應的基礎，同時也是降低爆破振動對邊坡損害的依據。爆破振動持續一定時間，其振動能量作用于爆區附近的邊坡，使得邊坡表現超過最大允許安全位移而發生破壞。因此為了準確評價邊坡爆破振動能量的變化規律，對監測的邊坡爆破振動信號進行Matlab處理，建立爆破振動信號能量與時間、頻率之間的關系,如圖4所示。

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

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

4 邊坡數值模擬計算與驗證

上文主要從試驗角度分析了爆破振動對邊坡的響應特征，為了彌補試驗些許不足之處，展開了邊坡響應的數值模擬研究。FLAC3D軟件被廣泛應用到模擬邊坡對爆破振動的響應特征[9]。為進一步分析邊坡在爆破振動下的響應特征，利用FLAC3D軟件建立邊坡的振動響應模型，分析巖石邊坡對爆破振動響應規律。

根據露天礦開采設計以及現場調研，臺階的坡面角為47°，臺階高度為15 m，表層為全風化花崗巖，并含有散體狀強風化花崗巖，其相關參數見表2。

表2 巖石的計算參數Table 2 Calculating parameters of rocks

根據所監測的現場實際情況，建立邊坡模型(圖5)，其中該模型水平方向為145 m，臺階高度為15 m，豎直方向為45 m，并將邊坡的前后兩側及下部施加約束力，保證其位移為零，考慮邊坡在爆破動載荷作用下的響應特征，將監測的爆破振動原始數據代表性波形作為動力載荷，將其施加到邊坡上，分析邊坡的應力、位移以及速度在爆破振動作用下的變化規律。

屈服準則計算。在對邊坡穩定性開展數值模擬過程中，定義巖石遵循摩爾庫倫強度準則，而屈服函數定義[10]具體見式(1)～(3)。

(1)

ft=σ3-σt

(2)

(3)

式中：σ1為最大主應力；σ3為最小主應力；φ為內摩擦角。

圖5 邊坡模型Fig.5 Slope model

圖6為在爆破動載荷作用下邊坡豎直方向速度的變化云圖。在+505平臺爆破振動速度變化較大，而到了+520平臺坡面上速度卻有衰減的趨勢，說明了當邊坡高度低于爆破振動放大效應臨界高程值時，振動速度受爆心距離影響較大；+535平臺豎直方向的振動速度急劇上升，表明了高程達到特定值時，振動速度受高程影響較大，呈現了放大效應。破壞了高邊坡的穩定性，模擬的結果驗證了檢測爆破振動速度的變化規律，同時說明了正高程差的存

在不一定放大爆破振動危害效應，換言之，當邊坡的高程達到一定值時爆破對邊坡危害放大效應才得以體現。因此，對于爆破近區的高邊坡來說有必要進行實時監測，減少邊坡失穩帶來的一系列工程問題。

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

圖7為邊坡在爆破動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，坡頂的豎直、水平方向的位移相對于坡底來說變化較大，在+520、+535兩個平臺的坡面豎直方向位移變化較為明顯，特別是+535平臺位移達到最大值，說明爆破振動在傳播過程中對于正高程差的邊坡具有破壞放大效應，導致上部平臺發生移動，這與現場監測的振動速度結果變化規律具有較強的相關性，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+520平臺爆破開挖造成極大的安全隱患，同時也證明了該邊坡在爆破振動的作用下穩定性逐漸變小，基于爆區近區邊坡的安全，應該著重考慮相關爆破參數的修正以及對邊坡開展實時監測，以達到降低邊坡失穩帶來安全事故發生的可能性的目的。

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

5 結 論

1) 通過對現場監測數據的處理，爆破振動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平臺振動速度明顯變大，表明了高程差達到一定值時會放大爆破振動對邊坡危害效應。

2) 通過對監測的爆破振動信號處理看，表明了信號能量主要集中頻率0～20 Hz和時間0～0.5 s范圍內，為了降低爆破振動對邊坡的危害效應，應合理設置延期時間，避免能量在0～0.5 s時間的疊加。

3) 從邊坡模擬結果來看，坡底位移變化幅度且集中，這對+520平臺爆破開挖造成極大的安全隱患，導致邊坡在爆破振動的作用下穩定性逐漸降低，應對邊坡進行實時監測。該模擬計算結果可為巖石邊坡的安全性做出準確評價，有利于對爆破參數的及時調整。