劉夢(mèng) 王晶晶 蒙萌 史秋波

[關(guān)鍵詞]爆破振動(dòng)；尾礦壩；數(shù)值模擬；穩(wěn)定計(jì)算

0引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，能源需求明顯增加，采礦行業(yè)得到了飛速發(fā)展。露天礦山開(kāi)采利用的規(guī)模也不斷擴(kuò)大。因資源、環(huán)境、征地等因素的影響，采區(qū)面積逐漸擴(kuò)大，爆破振動(dòng)對(duì)臨近尾礦壩帶來(lái)的影響和產(chǎn)生的問(wèn)題也愈加難以忽視。

爆破作業(yè)是露天礦山開(kāi)采過(guò)程中不可或缺的一環(huán)，具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、頻率高、爆破藥量大等特點(diǎn)，但也可能給周?chē)h(huán)境帶來(lái)潛在的危害。而尾礦壩是礦山建（構(gòu)）筑物中的重大危險(xiǎn)源，具有高危性。爆破可能使臨近尾礦壩液化、失穩(wěn)甚至潰壩。因此，深入研究爆破作業(yè)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)附近尾礦壩的影響，對(duì)于確保礦山安全至關(guān)重要。

針對(duì)這一研究課題，許多學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)或數(shù)值模擬的方法做了分析，以此研究爆破振動(dòng)對(duì)尾礦壩的影響。何方維等研究了露天采場(chǎng)爆破與尾礦庫(kù)的交互影響：柴衡山等針對(duì)臨近尾礦壩爆破的現(xiàn)象，根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)不同振速控制標(biāo)準(zhǔn)下的安全距離與允許最大起爆藥量進(jìn)行了估算。

但是，上述研究中也存在一定的不足。首先，因GB6722-2014《爆破安全規(guī)程》中爆破振動(dòng)安全允許質(zhì)點(diǎn)振速中未明確保護(hù)對(duì)象為尾礦壩時(shí)的允許標(biāo)準(zhǔn)值，各學(xué)者選取的最大允許振速并不相同。其次，GB39496-2020《尾礦庫(kù)安全規(guī)程》中對(duì)特殊運(yùn)行工況的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)有相應(yīng)要求，爆破方案設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)尾礦壩進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性計(jì)算。若直接選取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)作為特殊工況的輸入載荷進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，只能判定經(jīng)歷當(dāng)前爆破后的尾礦壩狀態(tài)，無(wú)法在設(shè)計(jì)階段判斷尾礦壩的穩(wěn)定性。

針對(duì)上述不足，本文中，提出薩道夫斯基公式與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析爆破振動(dòng)對(duì)臨近尾礦壩的影響。首先，在臨近尾礦壩附近采用小孔裝藥試驗(yàn)的方式得到相應(yīng)的振速數(shù)據(jù)，并進(jìn)行回歸分析，確定薩道夫斯基公式中的參數(shù)：再利用此公式計(jì)算出爆破設(shè)計(jì)方案中的最大振速：然后，將試驗(yàn)采集的振速信號(hào)進(jìn)行希爾伯特一黃轉(zhuǎn)換（HHT）后得到頻譜，初步判定最大振速是否滿(mǎn)足要求；最后，將振速信號(hào)數(shù)值微分轉(zhuǎn)化成加速度信號(hào)，并作為輸入源輸入到數(shù)值模型中，分析相應(yīng)爆破參數(shù)下的尾礦壩穩(wěn)定性和壩體的振動(dòng)響應(yīng)。通過(guò)尾礦壩穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)，確定尾礦壩安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，并判斷壩體峰值振速是否滿(mǎn)足要求。

1實(shí)例分析

1.1工程簡(jiǎn)介

某公司計(jì)劃對(duì)采區(qū)東北側(cè)的一山梁邊坡進(jìn)行爆破削坡處理。該公司所屬尾礦壩壩腳距待削坡的山梁直線(xiàn)距離為340m，山梁頂部高于壩腳約32m。此區(qū)域主要地層為太古界單塔子群白廟組（Arb）和第四系上更新統(tǒng)（Q3）、全新統(tǒng)（Q4）。主要巖性為角閃斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖，片麻理產(chǎn)狀為：北東傾向，傾角30°-50°。

該尾礦壩壩頂標(biāo)高約為747.2m。初期壩為土石壩，壩高10m；堆積壩為尾砂堆積而成的壩，壩高39m?？倝胃邽?9m，堆存尾砂量約為50萬(wàn)m3，等別為四等庫(kù)。壩內(nèi)已無(wú)水。

在爆破設(shè)計(jì)初步方案中，采用中深孔微差爆破，孔徑250mm，鉆孔深度為12.0m，超深為2.0m，并采用雙排孔交錯(cuò)布置的方式進(jìn)行爆破作業(yè)?？拙W(wǎng)參數(shù)為：孔距6.1m，排距5.3m，炸藥單耗0.79kg/m3，單段最大裝藥量為255kg。采用連續(xù)裝藥，每孔裝藥量255g，炮孔填塞長(zhǎng)度5.5m。采用導(dǎo)爆管雷管分段起爆系統(tǒng)?？變?nèi)外毫秒起爆網(wǎng)路中，孔內(nèi)用高段位雷管，孔外用低段位雷管。臺(tái)階推進(jìn)方向由西至東。

1.2試驗(yàn)方案

為研究爆破振動(dòng)對(duì)臨近尾礦壩的影響，進(jìn)行5組爆破試驗(yàn)，如表1所示。5組爆破試驗(yàn)的爆心距、單段最大裝藥量均不同，其余爆破參數(shù)與采區(qū)爆破方案一致。單段裝藥量分別為10、20、30、40 kg和50kg。采用TC-4850型爆破測(cè)振儀（成都中科測(cè)控公司），使用石膏將傳感器和尾礦壩穩(wěn)定土層接觸部分粘貼牢固。共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中，測(cè)點(diǎn)1#在初期壩腳外約23m處：測(cè)點(diǎn)2#在初期壩壩腳處；測(cè)點(diǎn)3#位于初期壩壩頂：測(cè)點(diǎn)4#位于堆積壩標(biāo)高730m平臺(tái)；測(cè)點(diǎn)5#位于堆積壩壩頂。

1.3試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)得的典型振速（試驗(yàn)I中的測(cè)點(diǎn)1#，尾礦壩主溝的方向）曲線(xiàn)如圖l所示。不同測(cè)點(diǎn)的最大振速結(jié)果見(jiàn)表1。

式中：u為質(zhì)點(diǎn)峰值振速；K為與爆破作用條件、地形地質(zhì)條件有關(guān)的爆破振動(dòng)系數(shù)：a為與爆區(qū)至測(cè)點(diǎn)間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的爆破振動(dòng)衰減指數(shù)；Q為最大單段藥量；R為測(cè)點(diǎn)至爆源的距離。

將表1中的測(cè)試數(shù)據(jù)代人式（1），進(jìn)行線(xiàn)性擬合，最終可得振動(dòng)系數(shù)K=214.93、振動(dòng)衰減指數(shù)a=1.716。擬合結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)擬合出的薩道夫斯基公式計(jì)算，爆破設(shè)計(jì)方案下尾礦壩測(cè)點(diǎn)1#的峰值振速為0.261cm/s、測(cè)點(diǎn)2#的峰值振速為0.232cm/s。

分析各振速的頻譜，得到爆破振動(dòng)主頻f在0～50Hz之間。在GB6722-2014《爆破安全規(guī)程》中，建議露天深孔爆破選取的振動(dòng)主頻在10～60Hz之間，二者基本一致。典型振速曲線(xiàn)的頻譜如圖3所示。

參照GB6722-2014《爆破安全規(guī)程》中規(guī)定的各類(lèi)保護(hù)對(duì)象最小的安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，在振動(dòng)主頻為10Hz

2數(shù)值模擬

2.1計(jì)算模型

采用Midas GTS建立三維模型。計(jì)算模型剖面以初期壩外壩腳為計(jì)算原點(diǎn)（0．0，0）。主溝方向?yàn)閥向，主溝內(nèi)側(cè)為正，y向最小處為測(cè)點(diǎn)1#位置；x向以面向壩外左側(cè)為正，x向最小處距堆積壩右側(cè)壩頂約為13m;z向以向上為正，z向最小處比初期壩壩腳低約24m。初期壩壩高10m，總壩高為49m。庫(kù)內(nèi)浸潤(rùn)線(xiàn)埋深約為5m。模型總長(zhǎng)度為300m，寬度200m，高度373m；共有73944個(gè)單元，188698個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型見(jiàn)圖4。圖4中，給出了尾礦壩各層的巖土情沉。

2.2計(jì)算方法

采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型對(duì)尾礦壩進(jìn)行穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定計(jì)算方法為強(qiáng)度折減法。動(dòng)力計(jì)算中，爆破載荷為放大后的加速度曲線(xiàn)，分析方法為時(shí)程分析法。

壩體抗滑穩(wěn)定系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)是壩體材料進(jìn)入塑性階段，且塑性區(qū)域貫通壩體。

2.3巖體力學(xué)物理指標(biāo)

根據(jù)巖土工程勘察，尾礦壩各層的巖土技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.4邊界條件及爆破振動(dòng)載荷

模型底部為固定邊界，頂部為自由邊界。靜力計(jì)算時(shí)，周邊為彈性邊界，彈性邊界用曲面彈簧定義。動(dòng)力計(jì)算時(shí)，邊界為無(wú)反射邊界，具體系數(shù)計(jì)算公式如下：

5組試驗(yàn)方案與爆破設(shè)計(jì)方案中，除裝藥量和爆心距外，其他參數(shù)（如布孔方式、鉆孔深度、裝藥參數(shù)等）基本一致。將試驗(yàn)方案的振速信號(hào)作為基礎(chǔ)信號(hào)，按比例放大后，可近似模擬分析設(shè)計(jì)爆破方案下的爆破振動(dòng)對(duì)尾礦壩的影響。測(cè)點(diǎn)1#位于模型y向最小處，是數(shù)值模擬時(shí)爆破載荷的輸入位置。因此，選取試驗(yàn)I中的測(cè)點(diǎn)1#的振速信號(hào)進(jìn)行比例放大處理。

根據(jù)薩道夫斯基公式計(jì)算爆破設(shè)計(jì)方案下，尾礦壩測(cè)點(diǎn)1#峰值振速為0.261cm/s;試驗(yàn)I方案下測(cè)點(diǎn)1#的峰值振速為0.041cm/s;放大倍數(shù)為二者比值。經(jīng)計(jì)算，放大了6.37倍。

將Midas GTS非線(xiàn)性動(dòng)力分析中輸入的載荷作為加速度信號(hào)，模擬前需要對(duì)監(jiān)測(cè)得到的速度信號(hào)進(jìn)行微分轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后，放大系數(shù)并未變化，但容易增加噪聲信號(hào)。因此，需要對(duì)轉(zhuǎn)化的加速度信號(hào)進(jìn)行濾波和基線(xiàn)校正處理。處理后的信號(hào)可作為爆破振動(dòng)載荷輸入到模型中進(jìn)行計(jì)算分析。

為分析安全允許質(zhì)點(diǎn)速度與尾礦壩壩體穩(wěn)定安全系數(shù)間的關(guān)系，將輸入載荷最大振速逐步增加并進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，選取2種典型的工況進(jìn)行詳細(xì)分析。其中，設(shè)計(jì)爆破方案下的爆破載荷作為工況a，初期壩壩腳振速閾值達(dá)到8cm/s下對(duì)應(yīng)的爆破載荷為工況b。

工況a中，測(cè)點(diǎn)1#計(jì)算的峰值振速為0.261cm/s，經(jīng)上述轉(zhuǎn)化后輸入的爆破載荷的最大加速度為0.240cm/S2，放大6.37倍。工況b中，測(cè)點(diǎn)1#計(jì)算的峰值振速為8.000cm/s，此載荷最大加速度為7.220cm/S2，放大195.12倍。

3模擬計(jì)算及結(jié)果分析

各工況穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果表明，在工況a下，壩體穩(wěn)定安全系數(shù)Fs為1.33 >1.10;在工況b下，壩體穩(wěn)定安全系數(shù)Fs為1.10 =1.10，均滿(mǎn)足GB 39496-2020《尾礦庫(kù)安全規(guī)程》中關(guān)于四等庫(kù)特殊運(yùn)行工況下的抗滑穩(wěn)定要求。

設(shè)計(jì)爆破方案條件下，貫通壩體的塑性區(qū)域位于堆積壩713.0m標(biāo)高以上，此處為受爆破振動(dòng)影響最大的區(qū)域。建議加強(qiáng)此區(qū)域的壩體檢測(cè)，確保在后續(xù)爆破削坡工程實(shí)施前此區(qū)域無(wú)變形、裂縫、滑坡和滲漏等現(xiàn)象，浸潤(rùn)線(xiàn)埋深、外坡坡比等滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

將各振速閾值對(duì)應(yīng)下的爆破載荷輸入到模型進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，可得到尾礦壩壩體穩(wěn)定安全系數(shù)與安全允許質(zhì)點(diǎn)速度閾值的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖6所示。

分析圖6可知，在速度閾值為0時(shí)（即無(wú)爆破時(shí)），尾礦壩穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.33。隨著輸入載荷速度閾值強(qiáng)度的增加，速度閾值在3cm/s時(shí)，穩(wěn)定性安全系數(shù)由1.33降低至1.30，降低了2%，整體變化不大。速度閾值在8cm/s時(shí)，穩(wěn)定性安全系數(shù)由1.33降低至1.10，降低了17%。此時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到了規(guī)范要求的壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)。

在爆速閾值小于3cm/s時(shí)，壩體安全系數(shù)變化不大；大于3cm/s后，尾礦壩體穩(wěn)定安全系數(shù)驟降。此速度為安全系數(shù)變化的分界，將本尾礦壩安全允許質(zhì)點(diǎn)速度取3cm/s。

在設(shè)計(jì)爆破方案下，初期壩峰值振速出現(xiàn)在0.36s，節(jié)點(diǎn)位于初期壩壩腳處，最大振速為0.220cm/s，滿(mǎn)足安全允許質(zhì)點(diǎn)速度要求，如圖7所示。此節(jié)點(diǎn)處的振速響應(yīng)曲線(xiàn)如圖8所示。

堆積壩峰值振速出現(xiàn)在0.47s，節(jié)點(diǎn)位于初期壩壩頂堆積壩壩腳處，峰值振速為0.157cm/s，如圖9所示。此節(jié)點(diǎn)處的振速響應(yīng)曲線(xiàn)如圖10所示。

在爆破削坡工程實(shí)施過(guò)程中，對(duì)前述測(cè)點(diǎn)的振速進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4中，測(cè)點(diǎn)2#～5#的數(shù)值模擬結(jié)果誤差較小，實(shí)測(cè)值和模擬結(jié)果均小于本尾礦壩的安全允許質(zhì)點(diǎn)速度3cm/s，說(shuō)明本次爆破對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性的影響較小。

4結(jié)論

1）根據(jù)試驗(yàn)方案監(jiān)測(cè)的振動(dòng)波形頻率表明：本次露天深孔爆破振動(dòng)主頻在0～50Hz之間，模擬與《爆破安全規(guī)程》露天深孔爆破的振動(dòng)頻率范圍基本一致。

2）采用薩道夫斯基公式分析試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得到公式中的參數(shù)K和a，將試驗(yàn)得到的振動(dòng)信號(hào)放大作為輸入源，可分析相應(yīng)爆破參數(shù)下的尾礦壩穩(wěn)定性和壩體的振動(dòng)響應(yīng)，能夠預(yù)測(cè)爆破設(shè)計(jì)方案條件下尾礦壩的最大振速。

3）分析尾礦壩在不同速度閾值下對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性，并通過(guò)尾礦壩穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)，可確定尾礦壩安全允許質(zhì)點(diǎn)速度。在壩體峰值振速小于速度閾值時(shí)，可保證尾礦壩穩(wěn)定性不受爆破振動(dòng)影響。