吳健康 李小龍

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.北方爆破科技有限公司）

國(guó)民經(jīng)濟(jì)依靠實(shí)業(yè)才能持續(xù)繁榮，而采掘業(yè)作為實(shí)體經(jīng)濟(jì)中的基石，為各個(gè)行業(yè)提供生產(chǎn)所必需的原料，其發(fā)展不容忽視。邁進(jìn)21世紀(jì)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)也走向新常態(tài)，礦業(yè)的發(fā)展也取得了一些可喜的成果。爆破作為礦山首要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，礦山的經(jīng)濟(jì)效益與邊坡的安全穩(wěn)定和爆破的綜合效果緊密相連。

在邊坡穩(wěn)定性研究上，張?jiān)辏?］得出爆破振動(dòng)峰值振速的衰減規(guī)律與爆心距有關(guān)，并且符合能量的衰減趨勢(shì)。目前金堆城礦山北幫已開采至礦界邊線，南幫也已完成剝離計(jì)劃，并作為主要生產(chǎn)區(qū)域，隨著礦山開采深度不斷延伸、地下水改道等因素，南幫觀禮臺(tái)山頭的高陡邊坡在爆破擾動(dòng)條件下，安全得不到保障?？紤]到礦山經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)安全等因素，有必要對(duì)金堆城臨近邊幫爆破下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 金堆城露天礦邊坡現(xiàn)狀及巖體參數(shù)

1.1 邊坡現(xiàn)狀

根據(jù)礦區(qū)開采設(shè)計(jì)等相關(guān)資料，最終境界需要在現(xiàn)有境界的基礎(chǔ)上往北幫和西幫外擴(kuò)約200 m、東幫外擴(kuò)約240 m、南幫外擴(kuò)約350 m。該露天礦1958年籌建，隨著開采深度的增加，采場(chǎng)邊坡多次失穩(wěn)。從邊坡方位來看，工作幫失穩(wěn)和破壞的情況居多，這主要是生產(chǎn)爆破擾動(dòng)所導(dǎo)致的。爆破產(chǎn)生的振動(dòng)慣性力增加了邊坡的滑動(dòng)機(jī)率，在爆破震動(dòng)不斷作用下，使其中剪應(yīng)力始終處于增加態(tài)勢(shì)，原生結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面不斷擴(kuò)大和延長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)新的裂紋和裂隙，使原有的物理力學(xué)指標(biāo)大幅度減弱，危及邊坡的整體穩(wěn)定性［2］。

1.2 邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算

作為邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用準(zhǔn)巖體強(qiáng)度估算法，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行巖體強(qiáng)度參數(shù)取值。準(zhǔn)巖體強(qiáng)度法實(shí)質(zhì)是將巖石力學(xué)試驗(yàn)所得參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的修正，然后作為巖體強(qiáng)度的估算值［3］。這種計(jì)算方法是為了考慮節(jié)理裂隙等弱面對(duì)巖體的影響，將彈性縱波在巖體與巖塊中的傳播速度作為比值，來作為判斷巖體的完整系數(shù)，具體表示如下。

其中，vml為彈性波縱波于巖體中的傳播速度，m/s；vcl為彈性波縱波于巖塊中的傳播速度，m/s。

在沒有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件下，通常采用體積節(jié)理數(shù)JV來確定相對(duì)應(yīng)的KV值。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)波速測(cè)試，劈理化安山玢巖巖組KV值平均為0.40，壓扭性角礫巖巖組KV值平均為0.20。

另外根據(jù)邊坡工程地質(zhì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，準(zhǔn)巖體抗壓強(qiáng)度為

準(zhǔn)巖體抗拉強(qiáng)度為

由公式計(jì)算得各巖組在飽和與天然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

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2 基于模糊層次分析法分析邊坡穩(wěn)定性影響因素

2.1 邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

近年來大量學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素做了研究。研究表明，影響邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性的因素大致可以分為與環(huán)境有關(guān)的自然因素、與邊坡自身相關(guān)的地質(zhì)因素和與人類活動(dòng)有關(guān)的人為因素3個(gè)方面，前兩者均可稱為影響邊坡穩(wěn)定的內(nèi)因，后者可稱為外因，內(nèi)因無法改變，或者改變的難度巨大，而外因則可采取相應(yīng)措施進(jìn)行控制［4］。自然因素和地質(zhì)因素又可以細(xì)分為當(dāng)?shù)靥鞖猸h(huán)境、邊坡的地形地貌、巖性構(gòu)造以及水文情況。人為因素主要為生產(chǎn)爆破、人為的改變水文地質(zhì)條件等。

2.2 模糊層次分析法模型的構(gòu)建

模糊層次分析法（AHP）的主要步驟：首先確定指標(biāo)層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層，并劃分好每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則，然后邀請(qǐng)有豐富經(jīng)驗(yàn)的行業(yè)專家依次對(duì)指標(biāo)層、準(zhǔn)則層各因素的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較后評(píng)估打分，構(gòu)造判斷矩陣［5］，最后根據(jù)構(gòu)造的判斷矩陣依次計(jì)算指標(biāo)層、準(zhǔn)則層所得權(quán)重，并以準(zhǔn)則層權(quán)重加權(quán)附于指標(biāo)層，得到指標(biāo)層最終的權(quán)重系數(shù)［6］。

影響金堆城邊坡穩(wěn)定性有9大因素（指標(biāo)），各指標(biāo)設(shè)定：工作面推進(jìn)方向?yàn)镻1，開采作業(yè)爆破擾動(dòng)為P2，最終邊坡角為P3，工作面與坡體相對(duì)位置為P4，地震為P5，降雨為P6，邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)為P7，地下水改道為P8，邊坡水文地質(zhì)條件為P9。

根據(jù)所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)模型，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素的重要性進(jìn)行排序計(jì)算。

2.2.1 準(zhǔn)則層各指標(biāo)的權(quán)重向量確定

經(jīng)調(diào)查，匯集邊坡防護(hù)治理資料，邀請(qǐng)2位金堆城的權(quán)威專家對(duì)準(zhǔn)則層的指標(biāo)兩兩進(jìn)行比較，然后對(duì)其打分，由此確定各影響因素的相對(duì)重要程度。其中有一個(gè)是一位金堆城行業(yè)專家給出的模糊互補(bǔ)判斷矩陣。

2.2.2 一致性檢驗(yàn)

根據(jù)權(quán)重模糊互補(bǔ)判斷矩陣，利用公式

求出相應(yīng)的反對(duì)稱傳遞矩陣。再利用公式

求出對(duì)應(yīng)的最優(yōu)傳遞矩陣，并利用公式

計(jì)算可得W1=［0.371，0.346，0.283］，W2=［0.371，0.321，0.308］，由此可知W*1=W1，W*2=W2。說明原始判斷矩陣具有足夠的一致性。

由于準(zhǔn)則層是2位專家給出的評(píng)分，綜合2位專家意見后計(jì)算可得W=［0.371，0.333，0.296］。

2.2.3 指標(biāo)層各影響因素權(quán)重單個(gè)向量排序計(jì)算

對(duì)指標(biāo)層建立模糊互補(bǔ)判斷矩陣，依舊是由金堆城行業(yè)專家進(jìn)行打分，得出模糊矩陣R。

人為因素A1給出的模糊判斷矩陣為[P1P2P3P4]。

自然因素A2給出的模糊判斷矩陣為[P5P6]。

地質(zhì)因素A3給出的模糊判斷矩陣為[P7P8P9]。

由上述得到的3個(gè)模糊判斷矩陣，對(duì)3個(gè)準(zhǔn)則層的各個(gè)指標(biāo)因素進(jìn)行計(jì)算，分別得到權(quán)重單排序向量X1，X2，X3為

綜合指標(biāo)層和準(zhǔn)則層計(jì)算影響權(quán)重總排序，得到最終的結(jié)果為

按最大隸屬度原則，指標(biāo)層重要性排序：地震P5＞降雨P(guān)6＞邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)P7＞開采作業(yè)爆破擾動(dòng)P2＞最終邊坡角P3＞地下水改道P8＞邊坡水文地質(zhì)條件P9=工作面與坡體相對(duì)位置P4＞工作面推進(jìn)方向P1。

2.3 模糊層次分析法對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素評(píng)價(jià)

本次研究并未采用傳統(tǒng)的計(jì)算方法來確定權(quán)重，而是對(duì)判斷矩陣進(jìn)行改進(jìn)后來求解權(quán)重，這樣避免了繁瑣的一致性檢驗(yàn)工作［7］，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，無論自然因素還是人為因素，邊坡在受外界擾動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定性最易受到威脅，自然因素人為不可控制，但是爆破作業(yè)中所帶來的擾動(dòng)，卻是人為可控的。這樣更加確定需要降低爆破振動(dòng)，減少邊坡所受的外界擾動(dòng)。通過優(yōu)化爆破施工，保證邊坡質(zhì)量和安全，也要確保生產(chǎn)計(jì)劃的照常進(jìn)行。

3 爆破荷載作用下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 理論分析

邊坡穩(wěn)定性分析與計(jì)算是邊坡治理過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一般理論研究都是基于邊坡自重力條件下所得安全系數(shù)，但在實(shí)際工況中，爆破作為開挖的主要方式，對(duì)邊坡的擾動(dòng)影響尤為重要。因此，應(yīng)考慮爆破振動(dòng)這一因素。

應(yīng)力波遇到自由面后，一部分反彈形成拉破壞，而另一部分則以波的形式傳播至地面，造成地表振動(dòng)。通常在爆炸近區(qū)，傳播的是沖擊波，在中區(qū)為應(yīng)力波，再遠(yuǎn)處則衰減為地震波，地震波屬于彈性波類型，它包含在巖體內(nèi)傳播的體波和沿地面?zhèn)鞑サ拿娌ǎ?］。若爆心震源處能量為100%，則體波占33%，面波占67%，爆破過程中，地表構(gòu)筑物的破壞主要是面波導(dǎo)致的，而巖石破裂則主要由體波作用而為。

3.2 基于擬動(dòng)力法和瑞典條分法的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

考慮地震波在坡體內(nèi)的傳播特征，基于擬動(dòng)力法瑞典條分法，對(duì)金堆城露天礦邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，雖然該方法是一種比較傳統(tǒng)的極限平衡分析法，但它已經(jīng)發(fā)展成熟，條間力假設(shè)簡(jiǎn)單實(shí)用，已被廣泛理解和接受，并且換用擬動(dòng)力法，能夠切實(shí)地探究爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的波動(dòng)效應(yīng)和影響規(guī)律［9］。

選用瑞典條分法推導(dǎo)邊坡在爆破地震情況下的安全系數(shù)，根據(jù)極限平衡理論，可以得出徑向力平衡公式：

根據(jù)滑面上的平衡條件，則有

考慮到滑體整體力矩的平衡條件，則有

上述各式中，Ni為條塊i所受支承力，kN；Wi和Ti分別為條塊i自重力和剪切力，kN；ci為土體黏聚力，kPa；θi，φi分別為條塊i滑面傾斜角和土體摩擦角，（°）；Tfi為土體的抗剪強(qiáng)度，kPa；li為條塊i滑面長(zhǎng)度，m；Fs為安全系數(shù)。

整理后得出安全系數(shù)計(jì)算公式：

根據(jù)安全系數(shù)Fs計(jì)算公式，借助MATLAB軟件編寫計(jì)算程序，得出程序所必要參數(shù)，具體如表2所示。將數(shù)據(jù)寫入程序，可得出北幫和南幫靜力安全系數(shù)和擬動(dòng)力安全系數(shù)，即在工況Ⅰ（靜態(tài)）與工況Ⅱ（靜態(tài)+爆破擾動(dòng)）條件下的穩(wěn)定性系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

3.3 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)邊坡穩(wěn)定系數(shù)大小，可確定邊坡所處的穩(wěn)定狀態(tài)，其劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

由上述標(biāo)準(zhǔn)劃分，可以得到金堆城北幫和南幫2個(gè)工作幫的穩(wěn)定性情況，如表4所示。可以清楚地看出金堆城北幫邊坡的穩(wěn)定性不如南幫，在爆破條件下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)都明顯降低，尤其是北幫邊坡在爆破荷載作用下，屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)，必須引起重視?？拷_采區(qū)域的階段性永久邊坡由于距離爆源較近，受到爆破擾動(dòng)，邊坡穩(wěn)定性均有所下降，表明生產(chǎn)爆破對(duì)邊幫穩(wěn)定存在著一定影響，必須對(duì)現(xiàn)有爆破采取優(yōu)化措施，并對(duì)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保生產(chǎn)安全地開展。

4 結(jié)論

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（1）影響金堆城邊坡穩(wěn)定性有9大因素，影響因素重要性排序：地震＞降雨＞邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)＞開采作業(yè)爆破擾動(dòng)＞最終邊坡角＞地下水改道＞邊坡水文地質(zhì)條件＞工作面與坡體相對(duì)位置＞工作面推進(jìn)方向。

（2）金堆城北幫穩(wěn)定性不如南幫，北幫與南幫在自重力條件下均為安全狀態(tài)，而在自重力和爆破擾動(dòng)條件下，北幫大部為基本穩(wěn)定狀態(tài)，局部欠穩(wěn)定。