露天矿预裂爆破对边坡的损伤研究

高天荣

(昆钢工程投资管理部，云南安宁 650302)

露天矿预裂爆破对边坡的损伤研究

高天荣

(昆钢工程投资管理部，云南安宁 650302)

基于质点振速对岩体损伤的判据，利用Tc－4850爆破振动测试仪，对某大型露天铜矿的预裂爆破荷载作用下产生的边坡损伤效应进行了现场试验研究。研究表明:预裂爆破对高陡边坡的影响深度为0.45－0.75m;随着与爆源距离的增大，岩体爆破损伤程度减小，累积损伤效应逐渐变得不明显;水平和垂直方向测试结果存在着较大的差异，说明爆破作用下岩体损伤具有各向异性的特征。测试结果为进一步进行岩体力学参数的研究和高陡边坡的稳定性分析提供了参考依据。

预裂爆破;边坡开挖;岩体损伤;损伤判据;计算方法

1 引言

露天矿场频繁的爆破作业，使边坡经常受到动荷载的作用，地震波会给潜在的破坏面施以额外动应力，从而使岩石节理面张开，甚至导致岩石破碎，促使边坡破坏。因此，边坡开挖爆破对边坡岩体的损伤程度直接关系到边坡的稳定，而损伤层的厚度是评价爆破破坏作用的一个重要指标［1－2］。在某大型露天铜矿采矿区对6次预裂爆破参数进行了收集与整理，并通过对爆破振动的监测结果，分析了边坡围岩的损伤情况。

2 损伤判定标准

目前国外普遍采用PPV判据来作为岩体损伤的判据，质点峰值振动速度判据的理论依据是一维应力波理论［3］:

式中，Vp为岩体纵波速度;［ε］为岩体极限拉应变;E为岩石弹模;［σt］、［στ］分别为岩石的抗拉强度和抗压强度;kt为［σt］和［στ］的关系系数，一般为1/8～1/16。

采用PPV判据可以事先通过理论计算预测爆破振动所引起的岩体损伤范围，为调整爆破参数和爆破方法，控制爆破作业对保留岩体的损伤具有指导作用［4］。

Bauer、Calder、Mojitabai、Beattie和Save1y建议的爆破损伤质点峰值振动速度判据分别如表1、表2和表3所示［5］。这些安全判据往往是通过比对爆破前后岩体中的新增裂隙数量、声波对比测试等方法确定的。

表1 岩石爆破损伤的质点峰值振动速度临界值(Bauer和Calder)

表2 岩石爆破损伤的质点峰值振动速度临界值(Mojitabai和Beatti)

表3 岩石爆破损伤的质点峰值振动速度临界值(Savely)

3 损伤判定计算方法

质点峰值PPV的损伤计算:

卢文波和Hustrulid基于对柱面波理论、长柱状装药中的子波理论以及短柱状药包激发的应力波场Heelan解的分析，推导了岩石爆破中爆源近区的质点峰值振动速度衰减公式［6］。

式中:V为质点峰值振动速度;k为群孔爆破影响系数，在爆源近区k≈l，在爆源远区k为同段起爆的炮孔数;R为爆心距;b为炮孔半径;β为衰减指数; Vo为在炮孔壁上的质点峰值振动速度，Vo为:

式中:P0为炮孔内爆生气体的初始压力;ρ为岩石密度。

在C－J爆轰条件下，炸药的平均爆轰压力为:

式中:Pe为炸药爆轰平均初始压力;ρe为炸药密度;D为炸药爆轰速度;γ为炸药的等熵指数。假设爆生气体为多方气体，则其状态方程为:

式中:P为某一状态下的爆生气体压力;ρ为某一状态下爆生气体的密度;A为常数;vo为爆生气体的等熵指数。当P≥Pk时，取vo=γ=3.0;当P＜Pk时，取vo=γ=1.4;Pk为炸药的临界压力。

对耦合装药条件，有:

对不耦合装药条件，若装药的不耦合系数b/a值较小(a为装药半径)，则爆生气体的膨胀只经过P＞Pk一种状态，此时由式(6)得炮孔初始平均压力几为:

若装药的不耦合系数值较大，爆生气体的膨胀需经历P≥Pk和P＜Pk两个阶段，则由式(7)，得:

确定了P0后，则可由式(4)确定炮孔壁上的质点峰值振动速度Vo。

在具体的工程实践中，根据以上所介绍的岩体爆破损伤的质点峰值振动速度安全判据，可以确定岩石爆破损伤的质点峰值振动速度临界值［V］，根据炸药种类，炸药特性、钻孔孔径、装药结构及岩性参数等因素，可以确定b，β和k，由前面的推导可以确定炮孔壁上的质点峰值振动速度Vo，则由式(5)得:

式中:［R］为爆破引起的岩体损伤范围。

由式(9)可以预报设计方案的岩体爆破损伤范围。这样，就可以事先确定最后一排主爆孔离设计轮廓面的最小距离(预留保护层的厚度)，指导需要严格控制振动速度的预留保护层的爆破开挖，以控制岩体的损伤范围［7－8］。

4 岩体损伤效应分析

参考表1－3的爆破损伤质点峰值振动速度判据，并根据露天矿边坡泥板岩、灰岩的抗压强度等岩性及力学参数，可以确定该弱风化至新鲜泥板岩、灰岩的爆破损伤质点峰值振动速度安全上限约为25～60cm/s之间。

根据露天矿边坡岩体的条件及实际采用的钻孔直径、爆破器材性能参数，在设计计算中选取的光面和预裂爆破基本参数如下:

钻孔直径为140mm，散装乳化炸药填满药孔;

因防地下水的影响，爆速D=4200m/s，炸药密度ρe=1150kg/m3，对P＞100Mpa，γ=3.0，对P＜100Mpa，γ=1.4;

对边坡岩石密度ρ=2760kg/m3，纵波速度Vp= 5913m/s，预裂爆破群孔爆破系数k=10，衰减指数β=1.74;

根据确定的不同风化程度岩石的爆破损伤质点峰值振动速度安全判据，由萨道夫斯基公式可以预报爆破开挖对保留岩体的损伤影响范围。通过上述计算，可以得到采用上述爆破参数的情况下，对保留岩体的损伤范围见表4。

表4 对围岩爆破损伤范围的理论预测

5 结论

在露天矿高陡边坡进行了预裂爆破的现场试验。通过对爆破振动波的监测和爆后边坡围岩的超声波检测，对预裂爆破方法引起的围岩内部损伤进行了研究。其结论如下:

基于波动理论的爆破振动质点峰值振动速度衰减公式和国际通用的岩体爆破损伤的质点峰值振动速度安全判据，计算得出岩体损伤范围，仅仅只是代表由预裂爆破所引起的损伤，对于爆破设计有指导意义。

［1］蒲传金，张志呈，郭学彬.不耦合装药爆破对孔壁岩石损伤破坏的声波分析［J］.中国钨业，2006，21(1):19－22.

［2］蒲传金，张志呈，郭学彬.边坡开挖光面爆破对岩体损伤的影响研究［J］.矿业研究与开发，2005，25(5):68－70.

［3］Adhikari G R，Rajian Babu A，Balachander R.On the application of rock mass quality for blasting in large undergroud chambers［J］.Tunnelling and Undergroud Space Technology，1999，14(3): 367－375.

［4］戴俊.深埋岩石隧道的周边控制爆破方法与参数确定［J］.爆炸与冲击，2004，24(6):493－498.

［5］Jonson D，Rundqvist G，Standards.Environmental regulations and consequences for tunnel blasting projects in urban areas in Sweden［J］.On Explosives and Blasting，2001(2):293－308.

［6］王汉鹏.分岔式隧道设计施工的关键技术研究［D］.济南:山东大学，2007:113－121.

［7］卢文波，董振华，赖世骧.确定周边控制爆破围岩影响深度的动力损伤计算方法［J］.工程爆破，1996，33(4):400－404.

［8］Chakraborty A K，Pal R P，Jethwa J L.Blast performance in small tunnels－a critical evaluation in undergroud metal mine［J］.Tunnelling and Undergroud Space Technology，1998，13(3):331－339.

Study on Pre－Splitting Blasting on Slope Damage of Strip Mine

GAO Tian－rong

(Project Investment Department，Kunming Iron＆Steel(Group)Co.Ltd.，Anning 650302，Yunnan，China)

Based on the rock mass damage criterion of particle velocity，slope damage effect is studied under pre－splitting blasting load by experiment in situ in a large copper mine by using the Tc－4850 blasting vibration tester.The study results indicate that the pre－splitting blasting of effect depth on high－steep slope is 0.45－0.75 meter;the blasting damage degree of rock mass decrease with the increase of distance between blasting source and particle.And the cumulative damage effect gradually becomes invisible.The test results of the horizontal direction are different from that of the vertical direction.The above result indicates that rock mass has an anisotropic character.The result provides reference for study of rock mass mechanical parameter and analysis of the high－steep slope stability.

pre－splitting blasting;slope excavation;damage of rock mass;damage criterion;computing method

TD824.7;TD854+.2

A

1009－3842(2011)06－0015－03

2011－09－04

高天荣(1969－)，男，云南昭通市人，工程师，研究方向为矿山井巷工程建设管理和质量监督。E－mail:kmgtr@sina.com