爆破荷載下露天礦邊坡動(dòng)力放大效應(yīng)試驗(yàn)研究

王潤(rùn) 孟興濤 曹洋 王永增 劉小剛 孟磊磊

摘要：為研究爆破荷載下巖質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律，以齊大山鐵礦邊坡為研究對(duì)象，建立三維反傾巖質(zhì)邊坡物理模型。采用加速度、速度傳感器采集邊坡各部位加速度、速度分布情況，分析了不同振幅下邊坡巖體質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力放大效應(yīng)。研究結(jié)果表明：邊坡模型對(duì)爆破加速度、速度具有趨表放大效應(yīng)和高程放大效應(yīng)，并且低振幅情況下，加速度和速度放大效應(yīng)更明顯。

關(guān)鍵詞：露天鐵礦;巖質(zhì)邊坡;爆破荷載;模型試驗(yàn);動(dòng)力響應(yīng);動(dòng)力放大效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TD235文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）11-0039-05doi：10.11792/hj20211107

引言

露天礦山爆破開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)波在很大程度上影響著邊坡的穩(wěn)定性[1]，為此，大量學(xué)者利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法研究邊坡的動(dòng)力響應(yīng)，并取得了一系列成果[2-7]。

高艷華等[8]總結(jié)得出巖質(zhì)邊坡的節(jié)理力學(xué)性質(zhì)及分布、爆破應(yīng)力波振速、頻率及其衰減規(guī)律等因素決定著爆破荷載下的邊坡穩(wěn)定性。唐海等[9]采用量綱分析法得出了反應(yīng)高程變化的爆破震動(dòng)公式，此公式在爆破場(chǎng)地地形地貌變化較大情況下依然適用。陳明等[10]基于理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)例分析，研究了爆破荷載作用下邊坡振動(dòng)速度的高程放大效應(yīng)和臺(tái)階部位巖體的“鞭梢效應(yīng)”。歐陽(yáng)建華等[11]對(duì)實(shí)測(cè)爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，總結(jié)得出水平切向和垂直向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)回歸衰減公式，同時(shí)表明凸形邊坡體的質(zhì)點(diǎn)振速較其他坡體的高程放大效應(yīng)更為顯著。吳燕開(kāi)等[12]采用ABAQUS模擬爆破荷載下巖石振動(dòng)效應(yīng)，結(jié)果表明，爆破震動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力是靜力開(kāi)挖的9倍，其造成局部巖體裂隙發(fā)育，是邊坡出現(xiàn)塑性變形的主要原因。

本文以鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司齊大山分公司（下稱“齊大山鐵礦”）反傾巖質(zhì)邊坡為工程背景，基于相似理論開(kāi)展物理模型試驗(yàn)，分析不同振幅下反傾巖質(zhì)邊坡的動(dòng)力放大效應(yīng)，為類似工程提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1物理模型試驗(yàn)相似設(shè)計(jì)

1.1模型概化

齊大山鐵礦位于遼寧省鞍山市，從1914年開(kāi)始開(kāi)采，至今已達(dá)百余年，目前礦坑深度為250余m，采用露天開(kāi)采。該礦山在生產(chǎn)過(guò)程中以汽車—可移動(dòng)式破碎機(jī)—膠帶機(jī)聯(lián)合開(kāi)拓運(yùn)輸為主，采用臺(tái)階邊坡角為55°～65°，臺(tái)階高度為12～15 m的縱、橫、陡幫開(kāi)采法。主要采用45R牙輪鉆機(jī)鉆鑿250 mm的孔，采用高精度導(dǎo)爆管雷管及多孔粒狀銨油炸藥和乳化油炸藥爆破。東幫2500剖面—2800剖面邊坡走向呈直線型，傾角為55°，臺(tái)階最大邊坡角70°。該區(qū)域出露巖石主要為花崗質(zhì)混合巖，巖體構(gòu)造為塊狀構(gòu)造，同時(shí)出露少量石英綠泥片巖和含鐵石英巖。根據(jù)其所處的地形特征、坡體巖性和巖體的構(gòu)造特征，對(duì)邊坡原型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，最終概化為如圖1所示的邊坡物理模型。

1.2相似常數(shù)確定

物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，模型與原型之間需滿足幾何相似、物理相似、質(zhì)量相似等條件，本次試驗(yàn)中還必須滿足動(dòng)力學(xué)相似條件。綜合模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸，本試驗(yàn)研究中選取長(zhǎng)度、密度、加速度作為主控制因素和基本量綱，利用π定理及量綱分析法導(dǎo)出其余物理量，如表1所示。

1.3模型相似材料及配比

相似材料的選取應(yīng)滿足均質(zhì)且各項(xiàng)同性，在試驗(yàn)過(guò)程中材料的力學(xué)性能穩(wěn)定，材料成本低、運(yùn)輸方便且環(huán)保無(wú)毒等條件。基于以上條件，目前的相似材料主要以砂、黏土、鐵粉、云母粉等作為骨料，以水泥、石膏、碳酸鈣、玻璃、樹(shù)脂、液體石蠟油等作為膠結(jié)材料，以云母片、塑料薄膜等作為分層材料，以檸檬酸、酒石酸、磷酸鹽等作為緩凝劑。

最終相似材料選取河砂作為骨料，石灰和石膏作為膠結(jié)材料，檸檬酸作為緩凝劑。根據(jù)原型巖石物理力學(xué)參數(shù)，利用模型與原型之間的相似關(guān)系，確定模型巖石的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

通過(guò)對(duì)不同配比的相似材料進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，最后確定相似模擬試驗(yàn)材料的配比，如表3所示。

2物理模型試驗(yàn)方案

2.1模型邊坡的搭建

目前，物理模型的搭建方法主要有整體澆筑法、分層澆筑法、砌塊砌筑法。綜合研究區(qū)地質(zhì)條件及各種方法的優(yōu)點(diǎn)和適用條件，最終確定采用砌塊砌筑法搭建反傾層狀巖質(zhì)邊坡物理模型，砌塊尺寸為5 cm×5 cm×10 cm。

在邊坡動(dòng)力響應(yīng)的物理模型試驗(yàn)中，模型箱的邊界條件會(huì)影響入射波的折射和反射，為減小邊界條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在試驗(yàn)條件允許的情況下，制作長(zhǎng)×寬×高為130 cm×70 cm×70 cm的模型箱（如圖2所示），模型箱底部采用鋼板約束，鋼板下面設(shè)置彈簧吸收反射波。模型后側(cè)選用鋼板作為剛性固定邊界，內(nèi)襯柔性材料聚苯乙烯泡沫板以減小反射波影響。模型箱兩側(cè)選用鋼化玻璃約束，一方面減少模型箱內(nèi)表面與模型材料的摩擦，另一方面方便觀察試驗(yàn)過(guò)程中模型的位移變化。模型鋼架安置完成后，在底部鋼板之上用花崗質(zhì)混合巖相似材料鋪設(shè)一層厚8 cm的巖層，用以模擬下部基巖。待模擬下部基巖的相似材料干燥后，將已制作好的模型砌塊堆砌起來(lái)，進(jìn)行邊坡模型的搭建（如圖3所示）。

2.2入射波選擇

綜合考慮入射波的振幅、頻率和持續(xù)時(shí)間，最終采用質(zhì)量為2 kg的砂球從不同高度自由下落敲擊鋼板產(chǎn)生入射波。相比于振動(dòng)臺(tái)、離心機(jī)、超聲波等入射波產(chǎn)生方式，此方法具有操作簡(jiǎn)單、所需材料價(jià)格低廉、便于重復(fù)試驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。

2.3測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)采用2A101E壓電式速度傳感器及CF0152壓電式加速度傳感器，傳感器均埋設(shè)在模型中心軸線所在縱剖面兩側(cè)，加速度與速度傳感器相距10 cm，以減小兩側(cè)邊界效應(yīng)的影響。傳感器布置方式如圖4所示，速度傳感器埋設(shè)剖面圖和加速度傳感器相同，加速度傳感器編號(hào)為A，速度傳感器編號(hào)為B。

3物理模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)通過(guò)DH5923N動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到不同入射波產(chǎn)生的加速度與速度時(shí)程曲線。采用砂球從距鋼板20 cm處自由下落，A1與B1傳感器收集的波形如圖5、圖6所示。

各測(cè)點(diǎn)測(cè)得水平方向的加速度與速度峰值如表4所示。

為了更直觀地反映邊坡巖體各質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律，定義各測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)為自身加速度峰值與離臺(tái)面最近的A1加速度峰值的比值，各測(cè)點(diǎn)速度放大系數(shù)為自身速度峰值與離臺(tái)面最近的B1速度峰值的比值。

3.1邊坡加速度放大系數(shù)

根據(jù)表4中砂球不同下落高度情況下不同測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加速度峰值數(shù)據(jù)得到如圖7所示的加速度峰值曲線。由圖7可知：不同砂球下落高度對(duì)應(yīng)的加速度峰值曲線變化趨勢(shì)大致相同，且隨著下落高度的增加，加速度峰值不同程度增加;說(shuō)明振幅越大，加速度峰值越大。

邊坡加速度峰值放大系數(shù)變化規(guī)律如圖8所示。對(duì)比坡內(nèi)同一水平面上的加速度傳感器A1、A2、A3發(fā)現(xiàn)：沿坡面到坡內(nèi)方向，加速度峰值放大系數(shù)均出現(xiàn)減小的趨勢(shì);隨著振幅的增大，邊坡水平方向加速度峰值放大系數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律。

對(duì)比坡內(nèi)豎向的A3、A4、A6發(fā)現(xiàn)：隨著高程的增大，加速度峰值放大系數(shù)出現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在邊坡中下部增長(zhǎng)較緩慢，邊坡中上部增長(zhǎng)速率較大。且隨著振幅的增大，坡內(nèi)豎向水平加速度峰值放大系數(shù)先增大后減小，即低振幅情況下，加速度放大效應(yīng)更明顯。對(duì)比坡面豎向A1、A5、A6發(fā)現(xiàn)，其加速度峰值放大系數(shù)變化規(guī)律與坡內(nèi)豎向大致相同。

3.2邊坡速度放大系數(shù)

根據(jù)表4中砂球不同下落高度情況下不同測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度峰值數(shù)據(jù)得到如圖9所示的速度峰值曲線。對(duì)比圖7和圖9發(fā)現(xiàn)，速度峰值變化規(guī)律和加速度峰值變化規(guī)律一致，隨著振幅的增大，不同測(cè)點(diǎn)的速度峰值也不同程度增加。

邊坡速度峰值放大系數(shù)變化規(guī)律如圖10所示。對(duì)比圖10與圖8發(fā)現(xiàn)：隨著振幅的增大，邊坡速度峰值放大系數(shù)與加速度峰值放大系數(shù)具有相同的變化規(guī)律，但坡內(nèi)豎向的加速度峰值放大系數(shù)整體大于速圖9速度峰值曲線度峰值放大系數(shù)。整體來(lái)看，加速度和速度峰值放大系數(shù)隨著測(cè)點(diǎn)高程的增加呈非線性增長(zhǎng)，可歸結(jié)為邊坡的高程放大效應(yīng);對(duì)比相同高度測(cè)點(diǎn)的加速度和速度放大系數(shù)，越靠近坡面其值越大，可歸結(jié)為邊坡的趨表放大效應(yīng);隨著振幅的增大，坡內(nèi)豎向和坡面豎向的加速度、速度峰值放大系數(shù)先增大后減小，可歸結(jié)為低振幅情況下，加速度和速度放大效應(yīng)更明顯。

4結(jié)論

1）通過(guò)試驗(yàn)確定了研究區(qū)花崗質(zhì)混合巖、石英綠泥片巖和含鐵石英巖的相似材料配比，得到了邊坡各測(cè)點(diǎn)水平方向的加速度與速度峰值。

2）邊坡對(duì)爆破應(yīng)力波存在高程放大效應(yīng)和趨表放大效應(yīng)。隨著振幅的增大，從坡底到坡頂?shù)募铀俣取⑺俣确逯捣糯笙禂?shù)先增大后減小，即低振幅情況下，加速度和速度放大效應(yīng)更明顯。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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Experimental research on dynamic amplification effect

of openpit mine slope under blasting loadWang Run1，Meng Xingtao2，Cao Yang1，Wang Yongzeng1，Liu Xiaogang1，Meng Leilei1

（1.Qidashan Branch，Ansteel Mining Co.，Ltd.; 2.School of Civil Engineering，Liaoning Technical University）

Abstract：In order to study the dynamic response of rock slope under blasting load，this paper took the slope of Qidashan iron mine as the research object，and established a threedimensional antidipping rock slope physical model.The acceleration and velocity sensors were used to collect the acceleration and velocity distribution of each part of the slope，and the dynamic amplification effect of the rock mass points of the slope under different amplitudes was analyzed.The research results show that the slope model has a tendency to magnify effect and elevation magnification effect on blasting acceleration and velocity，and the acceleration and velocity magnification effect is more obvious in the case of low amplitude.

Keywords：openpit iron mine;rock slope;blasting load;model test;dynamic response;dynamic magnification effect

收稿日期：2021-03-09; 修回日期：2021-06-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51774163）;鞍鋼科研基金項(xiàng)目（2019-科A02）

作者簡(jiǎn)介：王潤(rùn)（1988—），男，遼寧鞍山人，工程師，碩士，從事采礦生產(chǎn)管理工作;遼寧省鞍山市千山區(qū)櫻山路26號(hào)，鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司齊大山分公司，114001;Email：99392748@qq.com

*通信作者，Email：a397252273@163.com，18342845342