爆破扰动下露天矿边坡稳定性控制分析

尹久清

(攀钢集团矿业有限公司石灰石矿， 四川 攀枝花市 617065)

随着我国工业与基建设施的高速发展，露天矿山、高速公路、水利工程等涉及大量的边坡、高陡边坡的安全问题[1-3]。爆破开挖是以上工程施工的有效手段，但也带来一系列的有害影响，尤以爆破振动对周围环境、建构筑物和工程本身的安全性影响最大[4-5]，因此需要针对不同工程的保护对象制定合理的爆破振动安全判据来指导爆破作业[6-8]。本文以布沼坝露天矿为例，针对西帮边坡受荷出现垮塌事故，进行爆破清方减载作业，为保证既有高边坡的稳定性，需对爆破施工过程进行爆破振动监测与计算，通过边坡的稳定性系数计算值对比选定该边坡的振动速度安全判据，为类似露天矿山到界高边坡开采稳定性控制提供参考方法。

1 工程地质概况

布沼坝露天煤矿现已形成150～180 m深的大采场，台阶状边坡的总体坡角18°～26°，采场周围各方向已基本到界，但已形成的西帮边坡有F3、F6、F7三条构造断裂，其中F3断层呈舒缓波状，沿西帮边坡近南北向展布，向西倾角50°，破碎带宽25～28 m，主要由褐红、褐黄色粘性土和灰岩构造角砾岩、碎裂岩组成，部分为粘土岩、炭质粘土岩，胶结不紧密，属松散岩体类别，该边坡岩体物理力学指标见表1。

表1 西帮边坡岩体物理力学指标

2 爆破方案设计

结合西帮边坡成型台阶高度、施工进度要求、最终标高控制要求以及地形条件等因素综合考虑，本次爆破台阶高度确定为H=10 m。国内矿山超深h=0.5～3.6 m，这里前排取1.0 m，后排取0.5 m。各爆破参数按式（1）～式（5）进行计算：

式中，L为垂直深孔孔深，m；H为台阶高度，m；h为孔超深。

式中，W1为底盘抵抗线，m；α为台阶坡面角，本工程一般为 65°～75°；B为从钻孔中心到坡顶线的安全距离，本工程取B≥1.2 m，计算得到W1=4.0 m。

式中，a为炮孔间距，m；m指炮孔密集系数，这里取1.1；可得，a=4.5 m，多排孔起爆的排距b与孔网布置和起爆顺序等因素有关，本工程取 b=4.0 m。

式中，l2为填塞长度，m；则l2=3.0 m。

单位炸药消耗量受炸药特性、岩石可爆性、自由面条件、起爆方式和块度影响，可按岩石坚固性系数参照表2选取[9]。本工程考虑循环爆破效应，岩石较松软破碎，取q=0.35 kg/m3。

单孔装药量按 Q=q·a·W1·H （5）

则Q=63 kg。

表2 单位炸药消耗量q值

采用毫秒延时起爆网路降低爆破振动对边坡稳定的扰动，选用非电导爆管起爆系统，导爆管、塑料反射四通套管连接元件和导爆管雷管连接见图1。为保证孔内2#岩石乳化炸药可靠起爆及稳定爆轰，每个炮孔放两个起爆雷管。孔内采用9段310 ms、排间采用3段50 ms延期雷管，逐排起爆，网络连接示意见图2。主要爆破参数见表3。

图1 导爆管-塑料四通连接示意

3 爆破振动监测分析

爆破振动测试仪器采用TC-4850爆破测振仪及配套的速度传感器，监测时各测点须固定在基岩上[10]。

1#、2#、3#、4#、5#测点沿边坡走向布置在不同平台上，如图3所示，由于篇幅有限，仅列出其中的8次爆破、3个测点的测试数据，爆破水平均为1150 m水平，见表4，爆源位置见图3。

表4 爆破振动测试数据

图3 西帮剖面振动测试点布置示意图

爆破振动速度根据《爆破安全规程》（GB6722-2014）中萨道夫斯基经验公式计算：

式中，V为测点处的爆破振动速度；Q为最大一段起爆药量，kg；R为测点至起爆中心距离，m；K、α均为与地形、地质条件有关的衰减系数。

利用上式对表3中数据回归分析计算得到：相关系数γ=0.89；衰减系数与指数K=238，α=1.93；边坡质点振动速度计算式为V=238(Q1/3/R)1.93，这里忽略了高程放大效应。

4 边坡爆破振动安全控制标准

边坡体或其他建构筑物对爆破振动的响应受诸多因素有关，不同保护对象对爆破振动速度的安全阈值仍以学者实践与统计分析获得的经验值为主，目前国内外多以质点振动速度作为边坡抗扰动能力的衡量标准。陈明、卢文波等[11]研究建议的爆破损伤质点峰值振动速度判据如表5所示；韩光博士总结国内外学者的研究成果，将矿山边坡为斑岩、页岩、石英质中长岩结构的质点峰值振动速度临界值列于表6。

本文研究选择安全振动速度法评价爆破振动对边坡稳定性的影响，前期有关设计研究机构分别用 Ordinary、Bishop、Janbu、Morgenstern-Price四种方法对西帮现状边坡的稳定性系数进行了计算，结果列于表7。

表5 岩体爆破损伤质点振动速度

表6 矿山边坡质点峰值振动速度临界值 /(cm/s)

表8 现状边坡的稳定系数计算

结合表6和表7，考虑爆破的累积损伤效应，确定本论文所监测以及计算剖面所对应的坡脚处的最大允许振速是12 cm/s。从表3中的监测数据来看，质点爆破振动速度均小于边坡允许振速 12 cm/s，说明目前采用的爆破方案是可行的，按照该安全判据，可根据不同爆心距离反算一次爆破最大药量，调整优化爆破方案。

5 结 论

围绕某矿山西帮的地形地质特点，包括已经出现的滑移带、岩层结构以及岩体强度特性，进行了爆破方案设计，并对爆破振动数据进行监测及统计分析。

（1）利用萨道夫斯基公式回归分析得到布沼坝西帮边坡质点的爆破振动速度预测计算式为V=238(Q1/3/R)1.93。

（2）根据现有研究成果和矿山稳定性系数确定了边坡的安全允许振速12 cm/s，以此可优化爆破方案，为类似矿山高边坡稳定性治理提供参考。