羅濤， 石文芳， 何文， 許楊東， 陳承

（江西理工大學,a.資源與環(huán)境工程學院；b.礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州341000）

某礦露天殘采爆破振動對臨近尾礦壩穩(wěn)定性的影響分析

羅濤a，b， 石文芳a，b， 何文a，b， 許楊東a，b， 陳承a，b

（江西理工大學,a.資源與環(huán)境工程學院；b.礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州341000）

某礦尾礦壩正準備二期擴容工程，附近有露天殘采爆破作業(yè)，為分析該爆破振動對現(xiàn)階段及二期擴容后尾礦壩穩(wěn)定性的影響，根據(jù)現(xiàn)場爆破測振結果，擬合庫區(qū)間爆破振動最大振速公式，計算分析庫區(qū)距震源最近處的最大振速是否滿足《爆破安全規(guī)程》要求，并采用Geo-Studio巖土軟件中Quake/W和Slope/W模塊，分別對現(xiàn)階段及二期擴容后尾礦壩動力穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬計算.計算結果表明：該尾礦庫庫區(qū)距爆源最近處的最大振速2.344 cm/s，小于《爆破安全規(guī)程》中允許的標準值，滿足安全規(guī)程要求；現(xiàn)階段尾礦庫剖面1、2在爆破振動下的最小安全系數(shù)分別為1.273和1.471，二期分別為1.267和1.473，均大于《尾礦庫安全技術規(guī)程》中規(guī)定的最小安全系數(shù)，符合安全規(guī)程，尾礦庫二期擴容工程是可行的.

尾礦壩；二期擴容；爆破振動；Geo-Studio；最小安全系數(shù)

我國是一個礦業(yè)大國，目前每年的尾礦排放量至少在6億t以上，除小部分作為礦山充填或綜合利用外，絕大部分要堆存于尾礦庫.尾礦庫的正常運行，不僅關系到一個礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益，而且與庫區(qū)下游居民的生命財產(chǎn)及周邊環(huán)境息息相關，壩體一旦潰堤，對下游居民的生命財產(chǎn)造成嚴重威脅，也將給企業(yè)帶來不可估量的損失[1].因此，對于尾礦壩的穩(wěn)定性分析有著十分重要的現(xiàn)實意義.

露天殘礦開采在尾礦壩附近的情況較少，其爆破作業(yè)對尾礦壩穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的可能性較大[2-3].在爆破作業(yè)的同時，尾礦庫擴容加高的二期工程，也必須開展尾礦壩的穩(wěn)定性分析.一旦壩體破壞滑裂，將會造成嚴重的損失，影響尾礦庫二期擴容工程的順利進行[4].因此，進行露天殘采爆破振動對臨近尾礦壩穩(wěn)定性的影響研究，對尾礦庫的安全運行和二期擴容工程有著重要的指導意義.

目前，尾礦壩穩(wěn)定性分析計算中常用的方法是有限元極限平衡法[5].此方法能較好地結合有限元應力分析方法和極限平衡法的特點，由彈塑性有限元分析手段，結合整體的應力場的影響，隨后以優(yōu)化搜索方法確定最危險滑動面的位置及其安全系數(shù).有限元極限平衡法理論體系嚴密，計算效率高，是尾礦壩壩體穩(wěn)定性評價的重要手段[6-8].

本文以某尾礦庫為例，在現(xiàn)場爆破振動測試的基礎上，對現(xiàn)階段和二期擴容后尾礦壩進行了動力穩(wěn)定性計算和分析，以驗證其是否符合相關規(guī)程.

1 某礦尾礦庫概況

該尾礦庫初期壩為透水堆石壩，是在水庫大壩基礎上改建而成，外坡及頂面則采用石英片巖鋪面，壩高29.4 m，壩頂標高160 m，壩頂寬度4.0 m，上游坡比1∶1.5，下游坡比1∶1.65.后期堆積壩采用尾礦上游式堆筑而成.現(xiàn)階段堆積壩外坡平均坡比為1∶4.63，每3 m設一級馬道，壩面上鋪設了約0.40 m厚的黏性土層，并種植了植被.庫內(nèi)尾砂灘頂標高為205 m，尾礦堆積壩高45 m.尾礦庫由左右兩條狹長的V字形山谷組成，走向由東向西，地勢從南往北由高變低，溝口高程為152 m左右，左溝位于庫區(qū)南部，溝長約900 m，周圍均是原始林地；右溝位于庫區(qū)北部，溝長約850 m，其北側為該礦露天殘采礦點.

根據(jù)該礦尾礦庫二期擴容工程設計，二期工程的筑壩方式依然采用上游式尾礦堆壩，從堆積標高210 m開始，壩軸線往庫內(nèi)平移10 m，每3 m設置一條馬道，馬道寬2.5 m，平均外坡坡比約1∶4.67，堆積壩外坡覆人工填土0.3～0.5 m厚.右溝最終堆積標高225 m，左溝最終堆積標高240 m.

2 爆破測振試驗

爆破振動測試采用BlastMateⅢ型測振儀，可以采集P、SV及SH 3種振動體波，爆破測振布置見圖1，其中剖面1、剖面2分別代表尾礦庫的右溝和左溝剖面.測振儀布置基本與爆源呈直線，且?guī)靺^(qū)測點布置在2個計算剖面上，以便將相應剖面上的爆破振動信號用于后期尾礦壩穩(wěn)定性數(shù)值計算.

圖1 爆源及測振儀布置平面圖Fig.1 Plan of explosion source and vibrometer layout

本次爆破方式為中深孔爆破，孔深約10 m，每次爆破測試布置5個測點，共進行3次測試.測振儀與爆源及測振儀與測振儀之間間隔一定距離，各個測點的坐標由手持式GPS儀衛(wèi)星定位獲取，并以皮尺測距加以校核.其中4、5測點分別布置在剖面1、剖面2上.

爆破振動測試試驗完成后，導出測振數(shù)據(jù)，得到測點振動最大合成速度，結果見表1.

表1 爆破測振結果Table 1 Blasting vibration results

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011），爆破振動最大振速（薩道夫斯基公式）公式為：

式（1）中：Q為炸藥量（kg），R為爆源至測點間距離（m），K和α為與爆破點地形、地質(zhì)條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù).

利用最小二乘法，采用表1中的測振數(shù)據(jù)擬合式（1）中的待定參數(shù)K和a，結果為K＝107.32，α＝1.376.所以露天殘采爆源至尾礦庫區(qū)間的爆破振動最大振速公式為：

現(xiàn)場調(diào)查可知，露天殘采采礦點距離現(xiàn)階段及二期擴容后尾礦壩最近處約110 m，根據(jù)式（2），計算得到單段藥量最大為332 kg時的爆破，最近處質(zhì)點振速為2.344 cm/s.尾礦壩作為工業(yè)建筑物，查詢《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011），振動主頻在10～50 Hz時爆破振動安全允許標準為3.5～4.5 cm/s.因此計算得到的質(zhì)點振速小于標準值范圍，露天殘采爆破滿足安全規(guī)程要求.

3 爆破振動對尾礦壩穩(wěn)定性的影響

根據(jù)現(xiàn)場爆破測振試驗，進一步結合數(shù)值模擬方法開展爆破振動對尾礦壩壩體穩(wěn)定性的影響模擬與分析.

3.1 計算模型

3.1.1 物理力學參數(shù)

根據(jù)該礦尾礦庫勘察報告，選取的物理力學參數(shù)見表2.

表2 物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters

3.1.2 邊界條件

該尾礦庫模型的邊界條件包括位移邊界條件和水位邊界條件.其中位移邊界條件為模型兩側的水平位移約束和底部的黏滯約束；水位邊界條件為壩體浸潤線[9-11]位置.為了解壩體內(nèi)浸潤線的位置和變化情況，設置了浸潤線人工觀測孔進行定期觀測，根據(jù)長期觀測數(shù)據(jù)資料以及人工觀測孔與剖面的相對位置，從而確定剖面的浸潤線埋深，見表3.

表3 不同標高處的浸潤線埋深Table 3 Depth of phreatic line

3.1.3 模型建立

根據(jù)計算剖面、邊界條件與材料物理力學參數(shù)，應用巖土軟件Geo-Studio建立的現(xiàn)階段尾礦壩穩(wěn)定性計算模型見圖2、圖3.

圖2 剖面1計算模型Fig.2 Computational model of section 1

圖3 剖面2計算模型Fig.3 Computational model of section 2

根據(jù)該礦尾礦庫二期擴容工程設計資料，建立的二期擴容后尾礦壩穩(wěn)定性計算模型見圖4、圖5.

圖4 二期剖面1計算模型Fig.4 Computational model of section 1 in stageⅡ

圖5 二期剖面2計算模型Fig.5 Computational model of section 2 in stageⅡ

3.2 爆破振動信號

數(shù)值計算采用Geo-studio有限元軟件的動力學Quake/W模塊.計算時由于爆源在剖面線的正北方，第1次爆破的單段炸藥量最大，因此，主要考慮第1次爆破測得的SH波（方向垂直于壩體）和SV波（方向平行于壩體）對壩體的影響[12-15].

其中兩剖面測振點處的爆破振動信號用于現(xiàn)階段和二期擴容后尾礦壩穩(wěn)定性計算.其露天爆破在2個剖面測振點處的振動波形見圖6、圖7.

圖6 剖面1處SH、SV波振動波形Fig.6 Vibration waveform of SH and SV wave in section 1

圖7 剖面2處SH、SV波振動波形Fig.7 Vibration waveform of SH and SV wave in section 2

3.3 爆破振動對現(xiàn)階段尾礦壩穩(wěn)定性的影響分析

圖6、圖7中的爆破振動波形以不同速度的形式加載至現(xiàn)階段尾礦庫剖面1、剖面2處.當Quake/W動力學模塊完成尾礦壩振動計算后，將計算結果導入Geo-studio軟件的 Slope/W 模塊，采用 Newmark Deformation方法計算分析尾礦壩的穩(wěn)定性，得到現(xiàn)階段尾礦壩振動安全系數(shù)隨時間的變化見圖8、圖9.

圖8 剖面1安全系數(shù)隨時間的變化Fig.8 Changes of safety factor of section 1 vs time

圖9 剖面2振動安全系數(shù)隨時間的變化Fig.9 Changes of safety factor of section 2 vs time

由圖8、圖9可知，在爆破振動情況下，現(xiàn)階段尾礦庫剖面1的最小安全系數(shù)為1.273，剖面2的最小安全系數(shù)為1.471.

3.4 爆破振動對二期擴容后尾礦壩穩(wěn)定性的影響分析

同樣以圖6～圖7中的爆破振動波形以不同速度的形式加載至二期擴容后尾礦庫剖面1、剖面2處.模擬計算方法與現(xiàn)階段尾礦壩穩(wěn)定性分析一致，得到二期擴容后尾礦壩振動安全系數(shù)隨時間的變化見圖10、圖11.

圖10 二期剖面1振動安全系數(shù)隨時間的變化Fig.10 Changes of safety factor of section 1 vs time in stageⅡ

圖11 二期剖面2振動安全系數(shù)隨時間的變化Fig.11 Changes of safety factor of section 2 vs time in stageⅡ

由圖10、圖11可知，在爆破振動情況下，二期擴容后尾礦壩剖面1的最小安全系數(shù)為1.267，剖面2的最小安全系數(shù)為1.473.

由上述剖面安全系數(shù)隨時間變化圖可知，尾礦庫的安全系數(shù)隨爆破振動時間發(fā)生明顯變化；剖面2比剖面1距爆源較遠，其安全系數(shù)隨爆破振動時間的變化趨勢逐漸趨于穩(wěn)定.因此，爆破振動對尾礦庫的穩(wěn)定性有著顯著的影響；爆破振動對尾礦庫的影響時間與距爆源的距離有關，距離越遠，影響時間越短.

3.5 計算結果分析

通過該礦尾礦庫相關資料可知，現(xiàn)階段尾礦壩屬于三級壩，二期擴容尾礦壩屬于二級壩.參考《尾礦庫安全技術規(guī)程》[16]（AQ2006-2005），按瑞典圓弧法計算尾礦壩抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)不應小于表4規(guī)定的數(shù)值.

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)Table 4 Minimum safety factor of stable dam against sliding

計算結果可知，在爆破振動情況下，現(xiàn)階段尾礦庫右溝1剖面和左溝2剖面的最小安全系數(shù)分別為1.273和1.471，二期擴容后尾礦庫右溝1剖面和左溝2剖面的最小安全系數(shù)為1.267和1.473，均大于《尾礦庫安全技術規(guī)程》中規(guī)定的最小安全系數(shù)，符合安全規(guī)程.

4 結 論

1）根據(jù)現(xiàn)場爆破測試結果，利用薩道夫斯基公式回歸得到相應的K和α，計算得到爆源距尾礦壩最近處質(zhì)點最大振速為2.344 cm/s，小于《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011）中相應該尾礦庫的爆破振動安全允許標準范圍3.5～4.5 cm/s，露天殘采爆破滿足規(guī)程要求.

2）爆破振動對尾礦庫的穩(wěn)定性有著顯著的影響；爆破振動對尾礦庫的影響時間與距爆源的距離有關，距離越遠，影響時間越短.

3）露天殘采爆破振動對現(xiàn)階段尾礦壩穩(wěn)定性的影響分析表明，尾礦壩穩(wěn)定性最小安全系數(shù)大于《尾礦庫安全技術規(guī)程》中規(guī)定的最小安全系數(shù)，符合安全規(guī)程，尾礦庫可以安全運行.

4）露天殘采爆破振動對二期擴容后尾礦壩穩(wěn)定性的影響分析表明，尾礦壩穩(wěn)定性最小安全系數(shù)大于《尾礦庫安全技術規(guī)程》中規(guī)定的最小安全系數(shù)，符合安全規(guī)程.說明該尾礦庫二期的擴容工程是可行的.

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Effect of open-pit blasting vibration on the stability of a vicinal tailings dam

LUO Taoa,b,SHI Wenfanga,b,HE Wena,b,XU Yangdonga,b,CHEN Chenga,b
（a.School of Resources and Environment Engineering；b.Key Laboratory of Mining Engineering，Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

This paper studies the effect of the open-pit blasting vibration on the stability of a vicinal tailings dam,whose capacity is to be expanded by calculating the largest range of blasting vibration velocity vibration library formula according to the site blasting vibration measurement results.We calculated and analyzed the largest velocity in the closest point to the explosive source to determine whether it satisfied the blasting safety regulations.The Quake/W and Slope/W module of geotechnical software Geo-Studio were applied to simulate the dynamic stability of the tailings dam at the present stage and the second phase expansion stage. Calculation results show that the maximum velocity at the closest point to the explosive source is 2.344 cm/s，which is lower than the allowed values in blasting safety regulations.The minimum safety factors of tailings dam at the present stage under blasting vibration are 1.273 and 1.471.The minimum safety factors of the second stage are 1.267 and 1.473.They are greater than the specified minimum safety factor in the tailings safety technical regulations.This paper illustrates that the open-pit blasting vibration has no effect on the stability of near tailings dam,and the second phase expansion project is feasible.

tailings dam;the second phase expansion;blasting vibration;Geo-Studio;minimum safety factors

TD325.4

A

1674-9669（2015）05-0102-06

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.05.019

2015-03-31

江西省科技支撐計劃重點項目（20141BBG70097）；江西省工業(yè)安全工程技術研究中心開放基金項目（2013GGY001）

羅濤（1990- ），男，碩士研究生，主要從事巖石力學與工程方面的研究，E-mail：1064430029@qq.com.

何文（1981- ），男，博士，副教授，主要從事礦山巖土工程測試技術及巖體穩(wěn)定性分析方面的研究，E-mail：herman3@163.com.