朱俞仿

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

我國是一個名副其實的礦業(yè)大國，每年排放的尾礦量在3億t以上，如此數(shù)量巨大的尾礦量除極少部分進行綜合利用外，絕大部分需要堆存在尾礦庫中。我國目前正在使用的尾礦庫將近6 000多座，建設(shè)尾礦庫需要占用大量的土地資源，為了避免占用農(nóng)田以及耕地，大部分尾礦庫均選址在礦山附近的溝谷或者坡地上，一般距離礦山采場較近；有的尾礦壩甚至在爆破安全距離以內(nèi)，當爆破位置距離壩址較近且爆破方量較大時，采場爆破振動對尾礦壩的安全穩(wěn)定具有較大影響[1-2]。為了充分利用采場周邊合適區(qū)域堆存尾礦，同時保證尾礦壩的安全穩(wěn)定，因此，有必要對尾礦壩鄰近采場的爆破振動影響進行分析，并提出合理控制措施。

1 采場與尾礦庫的位置關(guān)系

某鉛鋅礦尾礦庫位于采場北面山谷中，尾礦庫與采場以分水嶺相隔，分水嶺最低處標高約為160 m。尾礦庫于1998年設(shè)計最終使用標高173 m，由于分水嶺處標高不夠，因此在分水嶺處設(shè)計建設(shè)一座副壩。原設(shè)計副壩采用粘土斜墻土石壩，上游壩坡采用粘土斜墻與土工膜進行聯(lián)合防滲，但是只有壩體進行防滲，壩基未進行防滲處理。在副壩工程建設(shè)過程中，由于施工進度太慢，為了防止尾礦庫水倒灌至采場造成安全事故，副壩采用排土場廢石碾壓成壩。 尾礦庫與采場的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 某鉛鋅礦采場與尾礦庫的平面位置

2013年，礦山對尾礦庫進行了加高擴容設(shè)計，同時對副壩進行加固，即在副壩上游壩坡(尾礦庫側(cè))采用0.5 m厚砂礫料與土工布進行反濾，副壩下游壩坡(采場側(cè))采用碾壓廢石進行壓坡加固。加固后副壩壩頂寬為4.0 m，上游壩坡(尾礦庫側(cè))為1∶1.75，每隔5 m高加設(shè)2 m寬馬道一條；副壩下游壩坡(采場側(cè))為1∶1.75，每隔5 m高加設(shè)2 m寬馬道一條。副壩加固剖面如圖2所示。

圖2 尾礦庫副壩加固剖面圖

2 爆破振動的安全控制標準

在采場爆破開采過程中，除對爆破開挖區(qū)的巖石產(chǎn)生破碎、拋擲外，開挖爆破所產(chǎn)生的能量很大一部分以地震波的形式向周圍傳播，會引起地表附近介質(zhì)形成質(zhì)點振動，這種地面振動稱為爆破地震。爆破地震波的傳播，一般會引起地面建筑物、構(gòu)筑物和一些敏感設(shè)施的振動響應(yīng)，當爆破振動達到一定強度后，會對設(shè)施的安全穩(wěn)定造成危害，在工程中應(yīng)盡量避免這種危害，并采用有效措施對其進行防護處理。因此，在實際工程中，為了保證工程設(shè)施安全，爆破振動安全標準的選取就顯得尤為重要。

在實際工程中，一般采用質(zhì)點振動位移、質(zhì)點振動速度、質(zhì)點振動加速度及頻率等物理參數(shù)衡量爆破振動的強度。大量工程實踐和一些理論研究成果表明，在爆破振動作用下，地面工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)點峰值振動速度與結(jié)構(gòu)的破壞程度間的相關(guān)性較好，因此，國內(nèi)外通常采用質(zhì)點峰值振動速度作為爆破振動安全控制標準[3]。

2.1 按相關(guān)安全規(guī)程取值

爆破安全規(guī)程[4]對工程中常見的建(構(gòu))筑物和設(shè)施的安全允許質(zhì)點峰值振動速度作了具體的規(guī)定，其中與土石壩最為接近的結(jié)構(gòu)就是永久性巖石高邊坡。由于土石壩的爆破振動安全問題本身具有較大的復(fù)雜性，在該規(guī)程中沒有對由土石料構(gòu)筑的土石壩的安全質(zhì)點振動速度進行明確規(guī)定。但是與土石壩最為接近的永久性巖石高邊坡，其安全允許質(zhì)點振動速度為5～9 cm/s。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，就其結(jié)構(gòu)型式來看，巖石高邊坡結(jié)構(gòu)對爆破振動速度更為敏感，土石壩能夠承受的質(zhì)點振動速度要高于巖石高邊坡安全允許質(zhì)點振動速度，因此，尾礦庫副壩安全允許質(zhì)點振動速度至少應(yīng)在5 cm/s以上。

2.2 參照地震烈度取值

一些工程對于各類建筑物爆破振動安全控制標準的取值方法和經(jīng)驗，是在分析特定建筑物的基本抗震特性和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，按照天然地震條件下的建筑物抗震設(shè)防烈度的方法，來取值確定。

由于爆破地震頻率相對于天然地震的震動頻率要高，作用時間較短，在同樣峰值振動速度條件下，爆破振動的危險相對要小，即只要爆破振動不超出抗震設(shè)防要求，爆破將不會對需保護的對象產(chǎn)生危害。我國目前采用的是12個烈度等級劃分表[5]。該地區(qū)地震設(shè)防烈度為6度，因此可以確定需保護的建筑物基礎(chǔ)允許的爆破峰值質(zhì)點振動速度為5～6 cm/s。相對于天然地震的作用特點，爆破振動強度按該標準控制，對于副壩來說應(yīng)是偏安全保守的。

綜合上述分析，尾礦庫副壩采用爆破質(zhì)點峰值振動速度5～6 cm/s進行分析是安全合理的。

3 爆破振動的計算分析

爆破地震效應(yīng)及質(zhì)點振動速度衰減規(guī)律是一個比較復(fù)雜的力學(xué)問題，它受多種因素的影響，如爆破的基本方式、爆源的部位、單響藥量、爆破規(guī)模和傳播地層的地形地質(zhì)條件等，要從理論上準確估算是相當困難的。具體到爆破地震作用于附近建(構(gòu))筑物時，建筑物的抗震性能及施工質(zhì)量、地基特性和約束條件等因素是影響和評價其振動安全的重要方面。

3.1 薩道夫斯基經(jīng)驗公式

目前，爆破震動速度的計算主要采用的是薩道夫斯基經(jīng)驗公式，其表達了質(zhì)點震動速度與相關(guān)影響因素的關(guān)系：

(1)

式中：V——被保護對象所在位置的質(zhì)點振動速度，cm/s；

Q——爆破炸藥量(齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大單響藥量)， kg；

R——爆破中心點與被保護對象之間的距離， m；

K——爆破中心點與被保護對象間的地形、地質(zhì)條件相關(guān)的場地系數(shù)；

α——爆破中心點與被保護對象之間地震波衰減系數(shù)。

對于K、α值，針對一些比較重要的爆破工程，一般提倡或要求采取現(xiàn)場觀測試驗的方法，通過實測數(shù)據(jù)的回歸計算來確定；在沒有現(xiàn)場試驗資料的情況下，才可根據(jù)不同的巖石類型參考有關(guān)經(jīng)驗值確定。

3.2 質(zhì)點振動速度

3.2.1 質(zhì)點振動速度與振強的擬合曲線

針對本工程項目采場爆破振動對尾礦庫副壩的影響，在現(xiàn)場開展了爆破振動觀測試驗，獲取了大量數(shù)據(jù)，將試驗數(shù)據(jù)按線性回歸的方法進行計算，得到水平徑向和垂直向的質(zhì)點振動速度V與振強(Q1/3/R)的擬合曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 水平徑向質(zhì)點振動速度V與(Q1/3/R)的線性擬合

圖4 垂直向質(zhì)點振動速度V與(Q1/3/R)的線性擬合

根據(jù)圖3和圖4的擬合曲線，K分別為172(即e5.146)和206(即e5.326)；α分別為1.66和1.74。將數(shù)據(jù)帶入式(1)得到適用于該采場尾礦庫副壩的爆破振動速度預(yù)測公式：

1)水平徑向質(zhì)點振動速

(2)

垂直向質(zhì)點振動速度

(3)

3.2.2 質(zhì)點振動速度的計算值與實測值

由于副壩壩體在其體量、高度和材料上不同于一般的建(構(gòu))筑物，爆破地震波作用在其不同部位的振動響應(yīng)特性需要關(guān)注，也是進行爆破振動安全分析的基本前提。按本采場爆破振動衰減規(guī)律經(jīng)驗公式(2)和(3)對壩體質(zhì)點振動速度進行計算，并將計算值與實測值進行對比，對比結(jié)果見表1。

表1 壩體振動實測值與經(jīng)驗公式計算值的對比結(jié)果

從表1可以看出，按實測回歸得到的經(jīng)驗公式計算所得到的振動速度值遠遠大于副壩壩體各高程測點的實測值。這是因為副壩主要由松散石渣和土類材料堆積而成，松散堆積體對于爆破振動能量具有較強的消散和吸收作用，爆破地震波沿著壩高同樣具有明顯的衰減效應(yīng)，不同于高聳剛性建筑物所具有的隨高度而振動放大的特性。根據(jù)表1對比結(jié)果，采用經(jīng)驗公式計算得到的結(jié)果偏于安全保守，可以在實際工程中使用。

3.3 爆破振動的安全距離

從爆源到被保護對象的距離應(yīng)保證被保護對象不受到爆破震動作用的破壞，這段距離稱為爆破震動安全距離。在需要保護對象的安全震動速度已知的條件下，可根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式(1)反推出計算爆破震動安全距離的公式：

(4)

對于相對較近的采區(qū)，可根據(jù)公式(2)和(3)，在采場標高125 m的開挖區(qū)域，嚴格按照單孔藥量100 kg并采取單孔單響的微差起爆網(wǎng)路，允許爆破質(zhì)點震動速度為5～6 cm/s，按照公式(4)計算，劃定采場與副壩(坡腳點)的爆破安全距離為40 m。當?shù)V體采挖標高進入到更下一個梯段時，安全開挖邊界應(yīng)考慮留有馬道，并且要確保巖體穩(wěn)定的邊坡坡度。

3.4 爆破振動的單響最大藥量

對于相對較遠的采區(qū)，可依照實際的爆心距和震動速度控制標準進行核算，確定需要控制的單響最大藥量。根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式(1)反推出計算爆破震動的單響最大藥量的公式(根據(jù)爆破區(qū)工程地質(zhì)條件選取K、α經(jīng)驗參數(shù)值)：

(5)

4 結(jié)論

本文通過某工程項目采場爆破振動對鄰近尾礦庫副壩的影響分析，得出如下結(jié)論：

1)一般情況下，在實際工程中，尾礦壩安全允許質(zhì)點峰值振動速度可以按照5～6 cm/s進行控制。

2)在爆破點距離尾礦壩較遠的情況下，可采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式，并根據(jù)爆破區(qū)工程地質(zhì)條件選取K、α經(jīng)驗參數(shù)值，對爆破振動安全距離與單響最大藥量進行計算和控制。

3)在爆破點距離尾礦壩較近的情況下，可采取現(xiàn)場觀測試驗的方法，通過實測數(shù)據(jù)的回歸計算來確定K、α值，并通過薩道夫斯基經(jīng)驗公式對爆破振動安全距離與單響最大藥量進行計算和控制。