李海港，李仕杰，吳賢振，楊澤元

（1.江西省安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究中心，江西，南昌 330030；2.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

爆破技術(shù)作為一種常規(guī)工程手段被廣泛應(yīng)用于礦山開采、隧道開挖、構(gòu)筑物拆除、大型水利水電設(shè)施建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域，為人類工程建設(shè)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)[1-4]。然而在爆破技術(shù)帶來(lái)巨大便利的同時(shí)也伴生了一些不利因素，爆破活動(dòng)伴生的爆破振動(dòng)往往給附近的建構(gòu)筑物帶來(lái)巨大的安全隱患[5-7]。爆破振動(dòng)響應(yīng)機(jī)制及減少爆破振動(dòng)產(chǎn)生的影響也是眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)課題。

鄒玉君等[8]基于邊坡爆破實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究了爆破振動(dòng)對(duì)臨近構(gòu)筑物的破壞機(jī)制，劃分了爆破振動(dòng)影響區(qū)域。劉超英等[9]通過(guò)監(jiān)測(cè)輸水隧道施工爆破活動(dòng)，分析評(píng)價(jià)了施工爆破活動(dòng)對(duì)大壩穩(wěn)定性影響，研究了微差爆破時(shí)間順序?qū)φ駝?dòng)效應(yīng)的影響。馬沖等[10]基于有限差分軟件FLAC3D建立順層臺(tái)階邊坡數(shù)值模型，研究分析爆破振動(dòng)劣化作用對(duì)順層邊坡的安全性影響。以上研究均從不同角度研究不同領(lǐng)域下爆破振動(dòng)對(duì)不同臨近構(gòu)筑物的影響，確定了爆心距、振動(dòng)強(qiáng)度、臨近建構(gòu)筑物的抗震能力等是影響爆破活動(dòng)安全性的重點(diǎn)，即爆破振動(dòng)對(duì)附近構(gòu)筑物響應(yīng)情況是決定爆破活動(dòng)危害的關(guān)鍵。

露天礦山開采中爆破作業(yè)是開采過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，具有爆破周期長(zhǎng)、爆破頻次高、爆破藥量大的特點(diǎn)，易對(duì)附近構(gòu)筑物帶來(lái)不利影響。而尾礦庫(kù)作為礦山建構(gòu)筑物中的重大危險(xiǎn)源，由于其自身的高危性，研究爆破作業(yè)伴生的爆破振動(dòng)對(duì)臨近尾礦庫(kù)穩(wěn)定性影響具有極為重要的意義。

本文進(jìn)行了不同平臺(tái)不同爆破藥量的爆破測(cè)振試驗(yàn)，研究了爆破地震波傳播演化規(guī)律，對(duì)爆破活動(dòng)的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并通過(guò)有限差分軟件FLAC3D模擬爆破振動(dòng)對(duì)運(yùn)行至設(shè)計(jì)標(biāo)高的尾礦壩產(chǎn)生的影響。

1 工程概況

彭山錫礦尾礦庫(kù)位于德安縣聶橋鎮(zhèn)劉家山村（地理位置圖如圖1所示），屬于傍山型尾礦庫(kù)，壩高29米，為五等庫(kù)，初期壩設(shè)計(jì)總庫(kù)容86×104m3。尾礦庫(kù)與某露天采場(chǎng)相鄰（最短距離約500m），露天采場(chǎng)采用深孔毫秒微差爆破，炸藥使用2#巖石乳化炸藥。采石爆破作業(yè)過(guò)程中會(huì)伴生地震波、噪音等不利因素，其中爆破作業(yè)伴生的爆破振動(dòng)對(duì)鄰近尾礦庫(kù)安全性影響不容小覷，是爆破活動(dòng)需考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 試驗(yàn)方案

圖2 爆破測(cè)振試驗(yàn)示意圖

為研究露天爆破開采對(duì)尾礦庫(kù)穩(wěn)定性的影響，本次測(cè)試在尾礦庫(kù)庫(kù)頂不同區(qū)域選定了四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在四個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Blastmate-III 爆破測(cè)振儀（測(cè)振儀觸發(fā)值設(shè)置為0.051cm/s），對(duì)不同平臺(tái)不同藥量的三組爆破試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（試驗(yàn)示意圖如圖1-2所示）。三組爆破試驗(yàn)的爆破方式與實(shí)際爆破作業(yè)一致，均采用主孔深孔毫秒微差間隔爆破，炮孔孔徑90mm，孔深L=8m，具體方案如下：

（1）試驗(yàn)1：+130m平臺(tái)144kg藥量爆破測(cè)振試驗(yàn)

試驗(yàn)1爆破地點(diǎn)選定于露天采石場(chǎng)+130m平臺(tái)，采用深孔毫秒微差爆破，炸藥為2#巖石乳化炸藥，單次 爆破藥量為144kg。

此次測(cè)振試驗(yàn)在尾礦庫(kù)庫(kù)頂布置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)1位于壩頂左側(cè)邊緣22m處，測(cè)點(diǎn)2，3，4與測(cè)點(diǎn)1的距離分別為30m，60m，90m。三次試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)選定均一致（具體測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)示意圖見圖2）。

（2）試驗(yàn)2：+130m平臺(tái)192kg藥量爆破測(cè)振試驗(yàn)

試驗(yàn)2爆破地點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)位置及起爆方式均與測(cè)試1相同，采用2#巖石乳化炸藥，僅單次爆破藥量由144kg提高至192kg。

（3）試驗(yàn)3：+230m平臺(tái)216kg藥量測(cè)振試驗(yàn)

試驗(yàn)3爆破地點(diǎn)選定于230m平臺(tái)，采用深孔毫秒微差爆破，炸藥為2#巖石乳化炸藥，單次爆破藥量為216kg。測(cè)試點(diǎn)布置與測(cè)試1，2一致。

3 測(cè)試結(jié)果及穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

3.1 測(cè)試結(jié)果

三次測(cè)振試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 某露天礦山爆破測(cè)振試驗(yàn)結(jié)果匯總

（1）試驗(yàn)1：+130m平臺(tái)采場(chǎng)爆破振動(dòng)

試驗(yàn)1單次爆破藥量為144 Kg，爆源與測(cè)點(diǎn)1，2，3，4的水平距離分別為510m、540m、570m、600m，垂距為24m。根據(jù)表1可得：測(cè)點(diǎn)1，2最大合振速分別為0.730 mm/s與0.524mm/s，測(cè)點(diǎn)3，4由于合振速度較小，測(cè)振儀未有數(shù)據(jù)記錄。

（2）試驗(yàn)2：+130m平臺(tái)采場(chǎng)爆破振動(dòng)

試驗(yàn)2爆破藥量為192 Kg。試驗(yàn)2爆源位置與試驗(yàn)1一致。根據(jù)表1可知：測(cè)點(diǎn)1、2、3最大合振速分別為0.830 mm/s、0.791 mm/s、0.756 mm/s，測(cè)點(diǎn)4未有數(shù)據(jù)記錄。

（3）試驗(yàn)3：+230m平臺(tái)采場(chǎng)爆破振動(dòng)

+230m平臺(tái)采場(chǎng)爆破藥量為216 Kg，爆源與測(cè)點(diǎn)1，2，3，4的水平距離分別為560m、588m、617m、647m，垂距為124m。根據(jù)表1可知：測(cè)點(diǎn)1、2、3最大合振速分別為0.925 mm/s、0.834 mm/s與0.741mm/s，測(cè)點(diǎn)4未有數(shù)據(jù)記錄。

3.2 爆破測(cè)振試驗(yàn)結(jié)果分析

三次爆破測(cè)振試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)峰值合振速度結(jié)果如表2所示。通過(guò)對(duì)比三組試驗(yàn)：當(dāng)藥量為定值時(shí)，爆心距越大，測(cè)點(diǎn)的合振速度越?。划?dāng)爆心距一定時(shí)，爆破藥量增大，測(cè)點(diǎn)合振速度增大。爆心距及爆破藥量是影響測(cè)點(diǎn)合振速度的重要因素。

利用三組爆破測(cè)試所得數(shù)據(jù)，基于數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB進(jìn)行線性擬合，最終計(jì)算得出薩道夫斯基公式參數(shù)：K=4.5963，α=0.8843（擬合結(jié)果如圖3所示）。

3.3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

該建壩址區(qū)域?qū)儆陂L(zhǎng)江中下游地震亞區(qū)，參考《中國(guó)地震烈度表》確定壩址地震烈度為VI，振速在0.05-0.09m/s之間。《爆破安全規(guī)程》對(duì)不同建構(gòu)筑物爆破振動(dòng)安全范圍進(jìn)行了劃分，但未對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行規(guī)定，本文參考“非抗震大型砌塊”標(biāo)準(zhǔn)，尾礦庫(kù)最大允許振速小于23mm/s。

參照以上標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比三組爆破測(cè)振試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，三組測(cè)振試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)峰值振速均處于標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍之內(nèi)，符合相應(yīng)安全規(guī)范。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型的建立

本文以彭山錫礦爆破活動(dòng)為研究背景，以尾礦庫(kù)擴(kuò)容作為研究重點(diǎn)，依據(jù)尾礦庫(kù)實(shí)際情況，建立尾礦庫(kù)模型，并將其導(dǎo)入FLAC3D有限差分軟件，通過(guò)相關(guān)參數(shù)選定，邊界條件設(shè)定及相關(guān)靜動(dòng)力學(xué)計(jì)算（尾礦庫(kù)模型見圖4-5），分析研究尾礦庫(kù)運(yùn)行至最終標(biāo)高119m后爆破振動(dòng)對(duì)尾礦庫(kù)穩(wěn)定性影響。

計(jì)算模型的相關(guān)材料力學(xué)參數(shù)選取是決定數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的重要過(guò)程，本文通過(guò)參考相關(guān)尾礦庫(kù)文獻(xiàn)資料[11-13]，對(duì)模型材料相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行選定，具體參數(shù)設(shè)定如表3所示。

表2 爆破測(cè)振試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)峰值合振速度

圖3 薩道夫斯基公式擬合圖

圖4 尾礦壩體圖

圖5 尾礦壩體側(cè)視圖

表3 尾礦壩壩體相關(guān)模擬參數(shù)

4.2 數(shù)值模擬計(jì)算及分析

（1）動(dòng)力計(jì)算模型

動(dòng)力計(jì)算部分選定應(yīng)用較為廣泛的修正黏彈性模型進(jìn)行相關(guān)動(dòng)力計(jì)算，具體公式如下：

整理（1）（2）（3）式可得 ：

式中：Pa為尾礦庫(kù)周邊大氣壓；δm為尾礦庫(kù)平均有效應(yīng)力；γc為剪切應(yīng)變；k1、k2、n和λmax為輸入?yún)?shù)；為等效的剪應(yīng)變。

（2）FLAC3D動(dòng)力計(jì)算

通過(guò)邊界條件設(shè)定、施加自重應(yīng)力場(chǎng)等靜力學(xué)計(jì)算后，基于前文中的三組爆破測(cè)振試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于試驗(yàn)3中測(cè)點(diǎn)1監(jiān)測(cè)到的測(cè)點(diǎn)合振速度最大，因此本次動(dòng)力計(jì)算中將試驗(yàn)3中測(cè)點(diǎn)1的振動(dòng)信號(hào)作為動(dòng)荷載信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。動(dòng)力計(jì)算圖如圖6-7所示。

（2）計(jì)算結(jié)果分析

考慮數(shù)值模擬與測(cè)振試驗(yàn)的可比性，數(shù)值模擬中測(cè)點(diǎn)選定與原試驗(yàn)3測(cè)點(diǎn)布置一致，4個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)波形曲線如圖8-11所示。

由圖8-11可知，測(cè)點(diǎn)1、2、3、4的振速峰值分別為1.3mm/s，1.1mm/s，0.3mm/s，0.28mm/s。對(duì)比試驗(yàn)3中4個(gè)測(cè)點(diǎn)的振速峰值，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中測(cè)點(diǎn)1，2振速峰值略大于試驗(yàn)3中所測(cè)數(shù)值。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中4個(gè)測(cè)點(diǎn)的速度均遠(yuǎn)小于爆破震動(dòng)安全規(guī)定值和VI度地震抗震安全規(guī)定值，符合爆破震動(dòng)安全規(guī)定。尾礦庫(kù)運(yùn)行至最終標(biāo)高119m后，采場(chǎng)爆破藥量為216kg情況下，尾礦庫(kù)所受爆破振動(dòng)影響符合相關(guān)爆破安全規(guī)定。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)分析三組爆破測(cè)振試驗(yàn)結(jié)果得出爆心距及總藥量是影響測(cè)點(diǎn)合振速度的重要因素，在實(shí)際爆破活動(dòng)可通過(guò)控制總藥量以達(dá)到減震目的。

圖6 尾礦壩動(dòng)力計(jì)算圖（側(cè)視圖）

圖7 尾礦壩動(dòng)力計(jì)算圖（左視圖）

圖8 測(cè)點(diǎn)1振速時(shí)間曲線

圖9 測(cè)點(diǎn)2振速時(shí)間曲線

圖10 測(cè)點(diǎn)3振速時(shí)間曲線

圖11 測(cè)點(diǎn)4振速時(shí)間曲線

（2）通過(guò)對(duì)爆破測(cè)振試驗(yàn)結(jié)果線性擬合得到薩道夫斯基公式的k、α值，K＝4.5963，α＝0.8843，本次計(jì)算結(jié)果可為露天采場(chǎng)爆破活動(dòng)爆破振動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)及藥量控制提供理論依據(jù)。

（3）FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果表明，尾礦庫(kù)運(yùn)行至設(shè)計(jì)最終標(biāo)高119m后，露天采場(chǎng)日常爆破活動(dòng)對(duì)尾礦庫(kù)穩(wěn)定性影響符合相關(guān)安全規(guī)范。

（4）實(shí)際生產(chǎn)中爆破活動(dòng)對(duì)尾礦庫(kù)的損傷作用存在累加效應(yīng)，即便單次爆破振動(dòng)對(duì)尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性影響不大，但多次爆破振動(dòng)對(duì)尾礦庫(kù)的損傷疊加效應(yīng)不容忽視，對(duì)尾礦庫(kù)的定期檢查評(píng)測(cè)仍是日常生產(chǎn)的重要流程。