孟慶浩，歐陽天云，李愛陳

（保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽550002）

我國賦存的露天礦產(chǎn)資源非常豐富，開采總量也逐年上升，露天礦產(chǎn)資源開采最直接、最簡單、最有效的方式便是爆破開挖。隨著爆破開采規(guī)模的逐步擴(kuò)大以及開采深度的不斷加深，開采過程中形成了大量的露天巖質(zhì)邊坡，受地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)類型、地層巖性、地形地貌、天然地下水等多方面因素的影響，邊坡的穩(wěn)定性受到影響。同時(shí)，爆破開采過程中產(chǎn)生的爆破地震波[1-5]也加重了邊坡的不穩(wěn)定性，尤其對(duì)鄰近邊坡的影響更為嚴(yán)重。 其影響體現(xiàn)在2 個(gè)方面[6-7]：①爆破荷載反復(fù)作用不同程度的多次削弱邊坡抗剪強(qiáng)度，不斷降低邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；②爆破地震產(chǎn)生的慣性力尤其徑向慣性力致使邊坡下滑力增加，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)性趨強(qiáng)[8]。

研究爆破荷載作用下邊坡的動(dòng)力響應(yīng)特征，對(duì)防止邊坡失穩(wěn)具有重要的意義。

1 巖石的物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)

為了提高巖石物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，主要針對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)邊坡巖體的力學(xué)條件進(jìn)行著重研究，標(biāo)準(zhǔn)試樣取自同一砂巖巖塊，并做好標(biāo)記。

根據(jù)巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)規(guī)程要求，將巖石單軸抗壓試驗(yàn)試件制備成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度的試件，按照要求采用直徑為50 mm，高為25～50 mm（高度為直徑的0.5～1.0 倍）的標(biāo)準(zhǔn)圓盤。經(jīng)過磨石機(jī)磨平后使試件達(dá)到試驗(yàn)要求，并在制樣過程中剔除已發(fā)生變形破壞和不規(guī)整、不符合要求的巖樣。

對(duì)砂巖試件進(jìn)行抗壓、抗拉變形試驗(yàn)后，試件的破壞形態(tài)主要以2 種形態(tài)呈現(xiàn)，即剪切破壞和柱狀劈裂破壞。通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，并借助現(xiàn)有的地質(zhì)勘測(cè)資料取樣進(jìn)行室內(nèi)巖石物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，采用單軸壓縮試驗(yàn)，抗拉試驗(yàn)得出砂巖的破壞特征：砂巖在發(fā)生破壞前沒有明顯的變形，達(dá)到破壞荷載時(shí)突然破壞，破壞后，變形和位移屬于永久位移和永久變形。砂巖物理力學(xué)參數(shù)如下：密度2.5 t/m3；黏聚力0.32 MPa；內(nèi)摩擦角30°；抗壓強(qiáng)度43.5 MPa；抗拉強(qiáng)度6.5 MPa；彈性模量34.8 GPa；泊松比0.23；切線模量0.43 GPa；屈服應(yīng)力35 MPa。

2 計(jì)算模型及數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 材料模型與參數(shù)

1）邊坡巖體本構(gòu)模型。本次模擬采用了與應(yīng)變率相關(guān)的塑性隨動(dòng)模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 來模擬巖石材料，此材料模型不僅可以很好的表現(xiàn)巖體塑性、剪脹性等特征，適用于破壞后的巖體，還可以通過調(diào)整硬化參數(shù)來選擇各向同性或隨動(dòng)硬化[9-11]。應(yīng)變率可以用Cowper-Symonds 模型來考慮。臺(tái)階邊坡巖體參數(shù)通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)獲得，臺(tái)階邊坡巖體參數(shù)如下：密度2.5 t/m3；彈性模量34.8 GPa；泊松比0.23；切線模量0.43 GPa；屈服應(yīng)力35 MPa。

2）炸藥材料參數(shù)及其狀態(tài)方程。炸藥密度1 100 kg/m3，爆速為4 100 m/s，炸藥起爆后，爆轟波產(chǎn)生拉應(yīng)力使巖石破碎，爆轟產(chǎn)物的壓力-體積關(guān)系用JWL狀態(tài)方程來確定。

2.2 模型及邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際爆破情況建立模型?，F(xiàn)場臺(tái)階要素與爆破參數(shù)為：臺(tái)階高度12 m、臺(tái)階坡面傾角75 °、炮孔直徑120 mm、孔距5.5 m、排距4 m、超深1.2 m、裝藥長度9.5 m、填塞長度3.7 m；炮孔布置形式：垂直孔，每排5 個(gè)孔，4 排共20 個(gè)孔；采用孔間、排間微差爆破，孔間延時(shí)25 ms，排間延時(shí)50 ms。

為了簡化計(jì)算，選取了5 個(gè)臺(tái)階邊坡為研究對(duì)象。第1 臺(tái)階寬36 m，布置4 排炮孔，孔距5.5 m、排距4 m，最后1 排孔距第2 個(gè)臺(tái)階坡腳線20 m；第2個(gè)臺(tái)階寬40 m；第3 個(gè)臺(tái)階寬30 m；第4 個(gè)臺(tái)階寬20 m；第5 個(gè)臺(tái)階寬20 m；臺(tái)階坡面傾角75°。

采用數(shù)值模擬軟件，建立1/2 對(duì)稱邊坡爆破模型，在對(duì)稱面上施加垂直約束，模型兩側(cè)面和底面施加無反射邊界體條件以模擬無限介質(zhì)，其他定義為自由邊界[9-10]。建模時(shí)采用的是Solid-164 單元和流固耦合算法，采用六面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。邊坡幾何模型示意圖如圖1。

圖1 邊坡幾何模型示意圖

2.3 模擬過程及結(jié)果

以爆源上部和水平巖體為研究對(duì)象，分析振動(dòng)波在巖體介質(zhì)中的傳播衰減規(guī)律。由于受到最大單響藥量、爆心距、地質(zhì)條件以及人為干擾等眾多因素的影響，每次測(cè)試的爆破振動(dòng)強(qiáng)度都存在差異。因此，根據(jù)每次爆破最大單響藥量的不同，選取了前3 次爆破對(duì)露天礦邊坡的影響，分別建立3 組模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)現(xiàn)場每組設(shè)定的4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)設(shè)置模型的4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，模擬爆破后提取這4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線圖進(jìn)行分析。

以第1 次爆破振動(dòng)數(shù)值模擬分析為例，模擬爆破最大單響藥量81 kg，測(cè)點(diǎn)選取A、B、C、D，模擬爆破結(jié)束后提取這4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度在三軸方向的速度峰值。模型測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置布置示意圖如圖2，爆破振動(dòng)傳播至4 個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，臺(tái)階邊坡振動(dòng)速度云圖如圖3。

圖2 模型測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置布置示意圖

圖3 臺(tái)階邊坡振動(dòng)速度云圖

由數(shù)值模擬結(jié)果得出，測(cè)點(diǎn)A 的水平徑向最大振動(dòng)速度為3.11 cm/s，水平切向最大振動(dòng)速度為2.95 cm/s，垂直方向最大振動(dòng)速度為2.85 cm/s；測(cè)點(diǎn)B 的水平徑向最大振動(dòng)速度為1.84 cm/s，水平切向最大振動(dòng)速度為1.92 cm/s，垂直方向最大振動(dòng)速度為1.07 cm/s；測(cè)點(diǎn)C 的水平徑向最大振動(dòng)速度為1.46 cm/s，水平切向最大振動(dòng)速度為1.38 cm/s，垂直方向最大振動(dòng)速度為0.82 cm/s；測(cè)點(diǎn)D的水平徑向最大振動(dòng)速度為0.81 cm/s，水平切向最大振動(dòng)速度為2.11 cm/s，垂直方向最大振動(dòng)速度為0.86 cm/s。各測(cè)點(diǎn)x 軸的振動(dòng)時(shí)程曲線如圖4。采用同樣的方式對(duì)第2 次、第3 次的模擬爆破進(jìn)行建模分析，得出各個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與爆破模擬的峰值速度及誤差率對(duì)比見表1。

圖4 各測(cè)點(diǎn)x 軸的振動(dòng)時(shí)程曲線

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與爆破模擬的峰值速度及誤差率對(duì)比

由表1 可知，3 次數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果大致相近，除去個(gè)別較大數(shù)據(jù)外，整體誤差范圍在20 %以內(nèi)，由于模擬過程存在各種假設(shè)、簡化以及忽略了節(jié)理裂隙等細(xì)節(jié)，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定差異；3 次對(duì)比誤差分別在10 %、15 %、20 %范圍以內(nèi)，由于礦山爆破是一個(gè)持續(xù)的過程，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)未考慮前一次爆破對(duì)后一次爆破的影響，忽略了爆破損傷對(duì)巖體原有構(gòu)造的破壞，導(dǎo)致后面爆破數(shù)值計(jì)算誤差較前面誤差大。

3 結(jié) 語

1）結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)勘測(cè)資料，通過礦區(qū)現(xiàn)場實(shí)地取樣、制備標(biāo)準(zhǔn)試樣以及室內(nèi)靜力力學(xué)試驗(yàn)等一系列工作，獲取了邊坡巖體相關(guān)力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)邊坡數(shù)值模擬計(jì)算打下基礎(chǔ)。

2）利用有限元分析軟件對(duì)邊坡爆破振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，得到炸藥在邊坡巖體中爆破后100 ms 內(nèi)邊坡測(cè)點(diǎn)速度時(shí)程曲線，探究了爆破地震波在邊坡巖體中的傳播衰減規(guī)律。

3）數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相近，其誤差可控制在15%以內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬用來預(yù)測(cè)爆破地震波的可行性。