鄰近高陡邊坡采礦爆破振動規律及邊坡穩定性分析

吳禮軍，徐文彬

(1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.中國礦業大學(北京)能源與礦業學院，北京 100083)

隨著某銅礦露天開采深度的增加，可開采的范圍越來越小，其生產能力受到較大制約，穩定產量難以得到保證，勢必影響礦山的經濟效益。為保證穩定的礦石產量和最大限度回收資源，急需對鄰近高陡邊坡的礦產資源進行回采。但是，隨著礦山開采深度的增加和工程地質條件的改變，且高陡邊坡的穩定性變弱；此外，陡幫上仍需要保留礦石運輸公路、防洪設施以及生產相關的建筑物等，在此條件下，要確保開采擾動對高陡邊坡及邊坡建筑物的穩定性產生最小的影響[1-3]。因此，及時對礦山爆破振動進行監測以及對邊坡進行穩定性分析具有重要意義。根據爆破振動監測數據與回歸分析，能推導出爆破振速衰減規律，進而調整現場的爆破參數；通過Geo-Studio軟件進行邊坡穩定性分析，對邊坡不穩定區域進行加固，使得礦山生產更加安全[4-10]。

本文以某銅礦鄰近高陡邊坡的礦產資源回采為背景，對高陡邊坡重要設施進行爆破振動監測，以此來評估采場爆破振動對高陡邊坡重要設施的危害程度，同時對現場爆破振動實測數據進行回歸分析，得到表征該礦質點振動速度衰減規律，對類似高陡邊坡爆破開采提供參考。此外，使用Geo-studio軟件對高陡邊坡下礦體開采對邊坡的影響進行數值模擬，分析不同開采階段邊坡的穩定性。

1 工程概況

根據勘探線剖面圖，建立礦區原始礦體三維立體模型，礦體模型如圖1所示。Ⅳ礦體南北方向分布于1～13勘探線之間，走向長度約626 m，礦體厚度最小6.3 m，最大32.48 m，平均14.21 m。礦體走向北偏東，傾向南東，傾角較陡，傾角約51°～72°。

2 爆破振動監測

2.1 振動測點布置

爆破振動測點的布置方法主要取決于測量的目的。為了監測爆破振動效應及其對周圍建(構)筑物的影響，可以將測點布置在如下位置：結構物關鍵部位的基礎表面或臺階坡頂、坡腳處。本次共選取10個監測點對爆破振動進行監測，包括砌塊建筑物、道路、水溝等建筑設施。實施爆破前，爆破監測設備均預先布置在監測點。

2.2 爆破振動測量系統

爆破振動測試系統主要由振動傳感器、振動信號記錄儀、筆記本電腦和輸出設備(打印機或文件輸出)組成。本項目所使用的儀器為Blast-UM型爆破測振儀，量程為0.001～35 cm/s，頻率范圍為5～300 Hz，具有0.008、0.017、…、14 cm/s等12個觸發電頻。

2.3 爆破振動回歸分析

大量的現場試驗和觀測表明，爆破振動破壞程度與質點振動速度的大小相關性最好，與傳播地震波的巖土性質也有較穩定的關系[11]。爆破振動的質點振動速度隨距離的衰減規律常用薩道夫斯基公式來描述

(1)

式中:v為測點處的質點振動速度，cm/s；Q為裝藥量，kg；R為測點至爆破中心的距離，m；K為與爆破場地條件有關的衰減系數；α為與地質條件有關的衰減指數。

對式(1)兩端取對數

(2)

y=mx+b

(3)

對于每一組樣本數據，Q、R都是確定的，K、α值，即式(3)中的b、m可按照數理統計中的最小二乘法求出[12]。

3 爆破振動監測結果與分析

在邊坡爆破振動監測結束后，選取10個爆破監測點中爆破測振儀數據采集結果較好的三向時程信息。對現場采集數據的振動頻率和振動速度進行整理分析，所記錄的爆破振動速度和主振頻率等實測參數如表1所示。

表1 爆破振動實測參數

從表1中可以發現，爆破振動質點的振動速度與爆心距沒有絕對的關系，但總體來說，質點的振動速度隨爆心距的增加而減小。其中，y方向(水平切向)的振動速度是3個方向的振動速度峰值中最大的。在10號測點y方向的振動速度最大，為0.687 4 cm/s。振動頻率隨爆心距的增加大致表現出減小的趨勢，3個方向主頻范圍大多集中在20～50 Hz之間，爆破振動現場監測數據均在建筑物允許振動速度范圍內，因此，爆破振動對邊坡建筑物不會產生危害。

根據式(3)對表2中的實測數據進行線性回歸分析，得到該高陡邊坡爆破振動的衰減系數理論值，露天邊坡爆破振動擬合如下所示：

(4)

最終確定該高陡邊坡爆破振動衰減系數K值為151.978，α值為1.409，數據擬合結果滿足《爆破安全規程》(GB 6722-2014)[13]中對于K值和α值的取值要求。

通過薩道夫斯基公式線性回歸得到該高陡邊坡爆破振動的衰減規律，可用來預測該礦山未來爆破作業產生的爆破振動速度，并進行單段最大藥量、延時時間等爆破參數的優化。經過該礦山爆破實踐表明，通過線性回歸得到的振動衰減公式應用效果較好。

4 邊坡穩定性模擬分析

4.1 模型的建立

根據勘探線剖面圖分別建立邊坡模型，選定邊坡的下界為-100 m，上界視剖面而定的區域作為有限元數值模擬Geo-Studio的計算剖面。模型范圍內主要巖層結構可以分為上盤、下盤和礦體。結合實際情況及剖面形狀對邊坡計算模型做適當的簡化后建立邊坡數值模型，如圖2所示。

4.2 參數選擇

由于采礦活動破壞了巖體的自然平衡狀態，不平衡狀態將引起巖體變形以及巖石中應力場的調整和重新分布。因此，在模擬前先做應力重分布模擬。

在應力重分布模擬中，各巖層材料都選用彈塑性本構模型。一般而言，由于大量結構弱面的存在，巖體力學參數遠小于巖石力學參數。對于地質與采礦條件極為復雜的礦山，巖體力學參數的選取是非常困難的，一般采用工程折減的辦法，將巖石力學參數折算為巖體力學參數。其中彈性模量、泊松比、內摩擦角等參數選自該礦山的地質報告中，相關巖石參數如表2所示。

表2 材料模型參數

4.3 邊界條件

應力重分布分析時，只考慮模型的重力作用，在設置邊界條件時通常只需要約束研究對象的底邊和左右兩側邊。因此，在做邊坡應力重分布模擬時選用的邊界條件是：邊坡模型左右兩側固定x方向位移，邊坡底部固定x-y方向位移。

4.4 模擬結果與分析

4.4.1 初始邊坡安全系數

使用GeoStudio軟件，選擇SIGMA/W模塊分析，在分析類型中選擇“應力重分布”分析類型，設置收斂性及時間參數。輸入模型材料相關參數，繪制材料模及相應的邊界條件，檢查、優化模型，求解。在SLOPE/W中建立模型，繪制材料參數，得到滑移面及安全系數。根據以上步驟對不同勘探線剖面進行模擬，得到其邊坡的初始安全系數，如圖3所示。

不同計算方法對應邊坡的安全系數如表3所示，從表4看出，5#勘探線剖面相較于7#勘探線的坡度更大，其穩定性略差于7#勘探線剖面。同時，各個剖面初始邊坡安全系數值均在1.3以上，穩定性較好。因此，以剖面5#勘探線剖面經過的W4礦體為例，進行數值模擬研究。

表3 各剖面安全系數計算

4.4.2 礦體開采模型

開采模型穩定性模擬和初始邊坡穩定性模擬相同。根據3#、5#、7#勘探線剖面與0 m水平的投影和0 m高程礦體的位置關系，得到每個礦塊的剖面圖。礦塊的寬度由勘探線所截剖面確定，高度為50 m。從0 m中段開始，每個中段以嗣后充填法的順序進行開采，不同中段從下往上開采。在此以W4礦體為例，得到的模擬結果如圖4所示。

不同計算方法對應邊坡的安全系數匯總如表4所示。以W4礦體為例，向上開采時，0、50、100、150 m中段安全系數分別為1.383、1.348、1.256、1.214，即越向上開采，邊坡的安全系數越低。

表4 W4礦體各中段安全系數

根據安全系數F對礦山采場邊坡穩定性進行風險分級，將邊坡滑坡風險等級分為4級，等級越高，滑坡風險越小，露天邊坡越穩定(見表5)。非正常工況是指在考慮爆破振動或地震、暴雨等荷載下邊坡的安全系數。一般將邊坡安全等級分為3級，滑坡風險等級指數為1時為危險，滑坡風險等級指數為2時為安全Ⅱ級，滑坡風險等級指數為3、4時為安全Ⅰ級。根據邊坡穩定性模擬的結果，對開采礦塊進行安全等級劃分。W4礦體0 m中段和50 m中段開采邊坡安全系數F值均大于1.3，50 m以上中段F值均大于1.2，因此W4礦體開采過程中邊坡均為安全Ⅰ級。安全結果分級表明，高陡邊坡下礦體開采過程中邊坡均為穩定狀態，可使用現有采礦工藝開采。

表5 采場邊坡滑坡風險等級

5 結論

1)根據該高陡邊坡現場爆破振動監測結果可知，該礦爆破振動主頻范圍大多集中在20～50 Hz，最大振速為0.687 4 cm/s，與《爆破安全規程》(GB 6700-2014)規定的爆破振動安全允許標準進行對比分析，所有振速均在安全范圍內，對邊坡上的建筑設施無破壞性影響。

2)爆破振動質點的振動速度與爆心距沒有絕對的關系，但總體來說，質點的振動速度隨爆心距的增加而減小。其中，y方向(水平切向)的振動速度是3個方向的峰值振動速度中最大的。對收集數據進行線性回歸，得到適合該礦的爆破振動衰減系數，K值為151.978，α值為1.409。

3)以W4礦體為例，向上開采時， 0、50、100、150 m開采階段安全系數分別為1.383、1.348、1.256、1.214，即越向上開采，邊坡的安全系數越低。安全結果分級表明礦體開采過程中邊坡均為安全Ⅰ級，均處在穩定狀態，可使用現有采礦工藝對該高陡邊坡下礦體進行開采。