爆破荷载下露天矿高边坡振动速度阈值的确定及控制

朱帅帅,唐海,2*,万文,马谕杰,王建龙,丁安松

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 411201)

随着爆破在开挖方面的广泛应用,由爆破振动诱发的边坡扰动问题已经成为边坡类工程施工中的一大安全难题.对于此领域,已有很多学者通过理论分析、现场试验及理论与实验相结合的方法进行了研究,并取得了一系列的成果.胡英国等[1]通过对现场保留岩体中损伤区进行跨孔声波测试,对基于损伤度确定临界损伤质点峰值振动速度进行了研究和分析;朱传云等[2]通过对爆破前后岩体声波波速的变化率,得到了三峡工程中爆破开挖扰动下中隔墩爆破振速控制的安全标准;李俊如等[3]通过对边坡岩体的声波测试,结合现场爆破振动监测以及工程经验,初步确定边坡振动速度安全阈值.以上对爆破振动控制的研究主要是进行现场实测,根据实测数据结合爆破安全规程确定振动速度安全阈值.但这种爆破后的实测方法不利于前期爆破开挖中对于保留岩体振动的控制,可能造成损伤.

伴随计算机技术的发展,数值模拟成为研究爆破振动对边坡扰动的重要方法.对于数值模拟在这方面的可行性,已有诸多学者对此进行了验证.刘亚群等[4]通过数值模拟分析了岩石边坡坡脚点的振动速度峰值,得出的数值模拟计算结果与工程实测结果基本一致,两者误差在要求范围以内,用数值模拟分析是可行的;马冲等[5]通过数值计算得出在不同岩层倾角下含软弱夹层的边坡所对应的爆破振动速度安全阈值;许名标等[6]将现场爆破振动测试与ANSYS数值模拟时程分析相结合,对爆破作用下的岩质高陡边坡分析,得到模拟速度值与速度实测值较吻合.

综上分析,采用数值模拟对爆破振动作用下露天矿边坡的稳定性研究,这种方法可行且可避免试验爆破对边坡的损伤.现以贵州穿岩洞露天采矿爆破为例,应用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立爆破荷载作用下穿岩洞矿边坡的模拟,结合边坡临界状态的定义,确定边坡振动速度安全阈值的方法,并提出边坡振动速度控制标准,控制最大段药量,保证爆后边坡的安全稳定.

1 工程背景

1.1 地貌概况

贵州穿岩洞露天矿位于黔南布依族苗族自治州,矿山生产规模350万t/a,东侧前期进行部分施工形成的边坡高度达到120 m,如图1所示.目前,矿山开采场地为露天开采,爆区上部有5级台阶,每级台阶高度为24 m,坡面角度约53°,台阶平台宽度10 m,如图2所示.根据前期勘探结果,矿区主要有磷块岩、白云岩等岩石.

图1 矿区现场照片

图2 边坡局部

1.2 爆破方案

根据爆破区域实际情况,爆区岩石主要为白云岩,属坚硬岩石,考虑钻孔能力以及钻孔设备选型,决定采用1250型号深孔凿岩台车,爆破采用2#岩石乳化炸药,一次爆破1排孔,具体爆破参数见表1.

表1 爆破参数

2 数值模拟

2.1 模型建立

根据爆破现场工程地质条件,建立简化的边坡数值计算模型,台阶边坡高度24 m,台阶平台宽度10 m,边坡角拟定53°.选取LS-DYNA软件中的塑性材料以及Cowper- Symonds[7]模型来模拟岩石介质,其参数见表2.为了消除在动力分析中边界处可能造成波的反射,本文采用Lysmer和Kuhlemeyer[8]提出的黏性(无反射)边界,模型底面和右侧面是无反射边界,模型上边界是自由边界,如图3所示.

表2 岩石动态力学参数

2.2 荷载的确定

根据相关文献[9,10],本文采用在粉碎区边界上施加三角形脉冲荷载的爆破加载方法进行数值模拟研究,计算时炸药密度取1 300 kg/m3,炸药爆速取4 500 m/s,三角形脉冲荷载曲线如图4所示.

图3 边坡数值模型

图4 三角形爆破荷载曲线

依据炸药爆轰波的查普曼-朱格特理论为基础[11-13],得到爆破冲击波作用在粉碎区边界岩体的峰值压力计算公式为

(1)

(2)

式中:Pb,Pr分别为冲击波作用在炮孔壁和粉碎区边界岩石上的峰值压力;ρe为炸药密度;D为爆轰波速;γ为炸药等熵指数,取3;d为粉碎区半径与炸药半径之比,取2.

根据式(1)和式(2)计算得Pr=411.33 MPa.

3 边坡振动速度控制标准

爆破振动安全控制标准的确定一直是各个岩石高边坡开挖工程的重点与难题.目前广泛通过实测数据结合爆破安全规程确定边坡振速控制标准,该方法虽然准确但资金成本与时间成本较高[14].本次研究是根据上述计算的荷载值进行多次数值模拟,发现边坡的应力主要集中在靠近爆区的2个台阶,如图5所示.为简化计算,本文选择受爆破扰动影响较大的台阶边坡建立模型进行分析.基于目前广泛采用上层台阶的爆破振动速度阈值作为边坡爆破振动安全标准的现状,分别在爆区上部第一台阶平台和第二台阶平台处设置监测点[15],数值模型如图6所示.

根据同课题组的共同研究[16],运用数值模拟分析多次爆破荷载作用下边坡的位移变化,发现这样的规律:在稳定状态,边坡位移收敛,即边坡关键点位移趋向稳定在某一定值,依据爆破振动速度和位移之间存在对应的关系v=dx/dt,此时关键点速度为0,即在该荷载作用下,关键点振动速度处于峰值状态时边坡也不会破坏;在破坏状态下,边坡出现滑动面滑动破坏,边坡位移不收敛,边坡关键点位移随时间逐渐增大,振动速度也逐渐增大,直到边坡失稳破坏.由此得出当边坡位移介于收敛与不收敛之间时,边坡处于临界状态.因此,取临界状态时关键点峰值速度作为安全阈值,可监控边坡稳定.

图5 边坡应力云图

图6 数值模型

为确定关键点的位置,保持横坐标时间不变,将纵坐标值以荷载值411.33 MPa为标准,依次按1.1倍、1.2倍、1.3倍……逐渐放大,直至边坡破坏.模拟后得到的边坡稳定和破坏时的位移云图分别见图7和图8.从图8中可以看出,当荷载增加到边坡破坏时,第一台阶坡顶出现了滑动面滑动破坏,此时该坡顶距离基坑边1 m位置处位移变化最大,最易破坏,该位置即为关键点.

图7 稳定时边坡整体位移云图

图8 破坏时边坡整体位移云图

逐渐增大输入荷载,当输入荷载为标准荷载的1.8倍时,得到多次爆破作用下边坡关键点的位移曲线图,如图9所示,此时边坡处于稳定状态;当输入荷载为标准荷载的1.9倍时,得到边坡破坏时的边坡关键点的位移曲线图,如图10所示.

图9 稳定时关键点位移曲线

图10 破坏时关键点位移曲线

由此可以看出,当输入荷载介于标准荷载的1.8 ～1.9倍时,边坡在该荷载作用下会达到临界状态.为保证工程安全及应用便捷,取前一级荷载(标准荷载的1.8倍)作用下的边坡为临界状态,此时关键点的最大峰值振动速度15.6 cm/s为安全阈值,取安全系数为1.5[17],得多次爆破荷载下边坡振动速度控制标准为10 cm/s.

目前确定边坡振动速度的控制标准,都需要结合大量的工程经验.长沙矿冶研究院在对国内大量矿山爆破振动速度进行监测的基础上[18],提出我国硬质岩石边坡振动控制标准范围为22～35 cm/s;清江隔河岩工程[19],I类边坡控制标准为22 cm/s;Ⅱ类边坡控制标准为28 cm/s;Ⅲ类边坡控制标准为35 cm/s.综上分析可以看出,若以前人成果为标准运用到本工程多次爆破施工中,可能对边坡的稳定性造成破坏,因此该工程选用本文数值模拟确定的边坡振动速度为控制标准,可避免多次爆破对边坡的损伤.

4 控制标准可行性分析

4.1 理论分析

结合大量工程试验可知,爆破振动主要与最大段药量有关,一般是采用萨道夫斯基公式来确定最大段药量:

(3)

式中:Q为一次起爆最大段药量,kg;R为爆源中心到监测对象的距离,即爆源距,m;V为被保护对象允许的振动速度,cm/s;K,α分别为与爆破条件、岩石特性有关的系数,其取值范围见表3.

表3 爆区不同岩性的K,α值

由于台阶边坡与爆区位置存在高差,用该公式预测最大段药量会存在较大误差.因此,根据文献[20],当高差为正时,在公式中加入高差因子,得到了更精确的计算公式:

(4)

式中:H为测点到爆源中心的高程差,m;β为与高程有关的系数,其取值范围为0.25～0.28.

本工程岩层主要为白云岩,属坚硬岩石,计算时K取100,α取1.4,β取0.26.依据边坡振动速度的控制标准为10 cm/s,由式(4)计算符合允许振动要求的最大段药量为239.39 kg,远小于爆破设计方案中的最大段药量500 kg,因此原设计方案施工可能对边坡稳定性造成扰动.为保证安全施工,需控制最大段药量低于239.39 kg(为便于装药,取230 kg).

为验证该控制标准的准确性,按最大段药量230 kg建立数值分析模型,得到边坡在稳定时整体的位移云图(图11a)和多次爆破荷载作用下边坡关键点的位移曲线图(图11b).由图11可以看出,在多次的爆破荷载作用下,边坡坡面整体位移收敛,关键点位移趋向稳定在某一定值,说明边坡处于稳定状态.

4.2 实测验证

通过工程实测来验证理论确定的控制标准的合理性,现场爆破施工时,现场监测点的布置尽量与模型(图6)中位置接近(其中监测点1布置在关键点处).现场爆破振动监测仪器选用成都中科测控TC-4850智能爆破测振仪,监测各监测点的爆破振动速度.现场仪器的布置如图12a所示,选取其中典型的振动信号波形图如图12b所示.

对现场实测各监测点数据进行处理,现场爆破数据结果见表4.

图11 位移云图及位移曲线

图12 现场仪器布置及振动波形

表4 现场监测点数据

从表4看出,爆破施工时在现场监测到的振动速度最大值为关键点处峰值振动速度(说明选取的关键点位置是合适的),小于边坡振动速度控制标准10 cm/s,同时露天矿边坡岩体没有出现损伤现象.说明目前改进的爆破方案是可行的,确定的边坡振动速度的控制标准也是合适的.

5 结论

1)通过简化模型进行分析,确定了边坡关键点位置,依据临界状态定义,得到多次爆破荷载下边坡振动速度控制标准为10 cm/s.

2)对爆破设计方案中最大段药量进行了改进,并通过数值模拟和现场实测验证了其可行性.