某铁矿露天爆破振动对邻近尾矿坝稳定性影响研究

郑小龙，李海港*

(1. 江西省安全科学研究院，330000，南昌；2. 江西省安全生产科学技术研究中心，330000，南昌)

0 引言

爆破工程技术广泛应用于露天矿山的剥离和开采中，但爆破所产生的爆破振动会影响采场四周邻近建构筑物的稳定性[1-3]。当露天爆破开采活动逐渐逼近尾矿库时，尾矿库的稳定性必然要考虑爆破振动的影响，通过对爆破振动进行监测、统计与分析，从而得到爆破振动的强度和地震波的传播规律，有效探究爆破振动对尾矿库稳定性的影响，进而制定有效控制措施，减轻其带来的危害，对矿山生产安全具有十分重要的工程意义。

近年来，不少学者就工程爆破对周边建构筑物稳定性的影响进行了研究，陈江[4]等研究了大跨度公路隧道爆破振动对临近高边坡稳定性的影响；邹玉君[5]等通过长期爆破振动监测，评价了爆破振动对周边民房的影响，提出了降低房屋开裂风险的措施；宗琦[6]等通过对矿山深孔爆破和临近建筑物岩石基坑开挖控制爆破进行爆破振动测试，对爆破振动衰减规律进行了探究，提出爆破优化方案指导工程爆破施工；郑明新[7]等通过现场爆破振动测试和数值计算结合分析，探讨了铁路隧道的救援通道爆破开挖对临近高铁隧道衬砌结构的影响；曹兰柱[8]等以理论分析与数学计算相结合，研究爆破振动边坡损伤模型，确定边坡多次爆破振动作用下的边坡破坏时间和最危险区域；李萧翰[9]等运用数值模拟，探究了炮孔周边远、近处质点振动效应的规律；张平[10]等通过数值模拟，对隧道穿越煤层爆破振动影响围岩稳定性进行了研究；费鸿禄[11]等通过实际工况模拟爆破试验研究爆破振动衰减系数，为现场施工提出指导意见；汪日生[12]等对采空区爆破过程的振动规律进行分析，研究爆破振动对周边建筑物稳定性的影响；赵学龙[13]等对采场正常生产爆破进行爆破振动监测，与利用预测公式计算爆破振动的速度进行对比分析，为采场扩大爆破规模提供依据；傅倬[14]等对核电站台阶爆破进行爆破振动监测，得出水平方向爆破振动和垂直方向的关系，为后期施工提供参考。由上述研究可知，爆破振动对建构筑物的影响得到广泛研究，但露天爆破振动对临近尾矿库稳定性的影响研究成果相对较少。因此，探究露天矿开采爆破对一定区域范围内尾矿库稳定性的影响，具有重要的工程指导意义。

本文对临近尾矿坝露天开采爆破进行振动监测，统计监测数据并与国内相关标准对比分析，判断现有爆破对尾矿库稳定性的影响；利用萨道夫斯基公式对爆破振动现场监测结果进行预测，得出不同振速控制标准的距离与允许最大段药量关系，从而提出爆破施工安全控制措施。在此基础上，对爆破振动作用下尾矿库稳定性影响进行液化分析，为爆破工程实践提供参考依据。

1 工程概况

某矿山尾矿初期坝与采矿爆破区域高程基本一致。评估区为该矿3号尾矿库坝体，初期坝采用粘土堆砌，后期坝体采用土石坝。尾矿库主坝曾经过一次加高工程，加高工程采用废石加高坝体，同时在坝前迎水面采用粘土斜墙防渗。

尾矿坝的坝顶高程为140.0 m，该尾矿坝在132.0 m及126.0 m高程上各设一级马道，132.0 m高程上马道宽2.5 m，126.0 m高程上的马道宽10.0 m，126.0 m以下废石坝坡为1:1.75。此尾矿库主坝经过一次加高工程，高程由132.0 m加高到140.0 m，加高工程采用废石加高坝体，同时在坝前迎水面采用粘土斜墙防渗。粘土斜墙顶宽5.0 m，上游坡度1:2.5，斜墙与废石坝体之间设置反滤层一道，由斜墙至废石坝体反滤层为400 g/m2无纺土工布一层、粗砂层厚度15 cm、碎石层厚度15 cm。废石坝体顶宽3.0 m，废石坝体上游坡1:1.6，下游坡1:2.0。

如图1所示，爆破点与尾矿坝之间水平距离大约在250～360 m范围内，且采空区已经形成，露采区距离尾矿坝体最近距离在250 m左右。采空区形成了低洼的谷，给爆破振动波的传递也起到减缓效果的作用。目前尾矿坝体抗震速度暂无单独规程要求。因此，本次爆破振动分析参考相关规定多方因素考虑，进行最优化处理。

(a)爆破现场 (b)各生产区布局

2 测试方法

爆破振动现场监测选用加拿大Instantel系列振动监测仪，型号为轻便的MiniMate Plus型主机+ISEE型标准三向速度传感器。每次爆破振动测试的传感器按直线布置，一条沿着尾矿坝的高程呈直线布置，分别布置在马道上，另一条直线按照沿着尾矿坝体的走向布置在同一级马道上。此次监测过程共进行了5次爆破，10个爆破测试点均匀布置在尾矿库主坝的三级马道上，每个测点安置一个三向速度传感器，用石膏固定在马道每级较为平整、稳固的地方，以减小实验误差使得试验结果更准确。布置方式如图2所示。

图2 试验设备与现场测试

3 测试结果及分析

3.1 测试数据统计分析

目前，我国关于尾矿坝在爆破振动作用下的安全评价问题尚没有明确规定，没有完全符合的标准或者规范可以遵循。结合《爆破安全规程GB6722—2014》中地面建筑物的爆破振动安全允许标准和《水电水利工程爆破安全监测规程》中的开挖爆破振动控制标准进行安全评判。如表1为爆破振动监测数据。

1)根据《爆破安全规程GB6722—2014》中地面建筑物的爆破振动安全允许标准，安全允许振动主频参考在10～50 Hz范围之内的标准值。由现场实测的数据可知，水平向、竖向及剪切方向的主频平均值分别为10.95 Hz、11.4 Hz、13.75 Hz，最大主频为41 Hz，其平均值都是分布在10～50 Hz范围之内。根据经验，该矿3#尾矿库主坝体介于“一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物”和“钢筋混凝土结构房屋”的安全允许振速之间，即2.3～4.5 cm/s，现场实测质点振动峰值速度最大值为0.432 cm/s，远小于此标准。因此，可初步判定此次爆破振动对测试尾矿坝体稳定性的影响在允许的范围内。

表1 爆破振动监测数据统计表

2)根据《水电水利工程爆破安全监测规程》中的开挖爆破振动控制标准进行安全评判。标准中尾矿坝可归于“二滩大坝及厂房”范围之内，其标准速度为0.5 cm/s。通过对比，本次爆破振动对测试尾矿坝稳定性的影响在允许的范围内。

综上，该尾矿库正常安全生产爆破过程中所产生的爆破振动对测试尾矿坝体稳定性的影响都在允许范围之内，对尾矿坝的稳定性无显著影响。

3.2 爆破振动现场检测结果预测

炸药爆炸引起岩石内部质点振动有垂直、径向和切向3个速度分量，一般切向振速较小，垂直和径向振速较大。据研究，在高差不大、近距离范围的情况下，一般是垂直速度分量对爆破地震起控制作用[15]，不过在此次振动测试中，由于爆破区域与尾矿坝体测试点布置区域中间有部分采空区，因此水平径向和水平切向的影响较垂直振速对尾矿坝体稳定性的影响甚小，而且此次现场测试的振动速度数据数值本身较小，在此振动监测工作中采用垂直振速作为拟测定的振速，对最大振速的计算采用萨道夫斯基公式：

(1)

式中：V为计算点所在地质点振动速度(cm/s)；Q为爆破单响最大炸药量(kg)，齐发爆破取总药量，微差爆破取最大段药量；K为相关系数；a为衰减指数；R为测点距爆心的距离(m)。

根据位于直线上的各振动监测点振动幅值变化采用最小二乘法进行回归分析，计算出表征爆破振动衰减规律的K、a值。通过对表1数据进行处理，剔除其中部分离散型较大的数据，进行回归分析，得到K、a的回归值分别为245和1.95，相关系数为0.48。因此，正常生产过程中爆破地震波衰减规律为：

(2)

利用该公式对矿山正常安全生产过程中爆破振动强度进行预测，预测结果见表2和表3。为便于直观对比，作图3和图4。

表2 不同振速控制标准的齐爆药量与安全距离关系预测表

表3 不同振速控制标准的距离与允许最大齐爆药量估算表

图3 不同振速控制标准的齐爆药量与最小安全距离关系

图4 不同振速控制标准的距离与允许最大齐爆药量的关系

从图3可以看出，振速控制标准在0.1～0.5 cm/s范围内，同一振速控制标准时最小安全距离随着齐爆药量的增加而增大，最小安全距离变化曲线呈现上凸型。当振速控制标准为0.1 cm/s、0.2 cm/s、0.3 cm/s、0.4 cm/s、0.5 cm/s，起爆药量由100 kg增加至550 kg时，最小安全距离分别增大了194.3 m、136.17 m、110.61 m、95.44 m、85.11 m，说明振速控制标准越大，当齐爆药量增加时其最小安全距离增幅越小。当齐爆药量不变，振动速度控制标准由0.2 cm/s增大至0.5 cm/s时，其安全距离增大的幅度较小，当振速标准控制在0.1 cm/s范围内时，其安全距离增幅明显增大，说明振速控制标准越小，需要的安全距离越大，特别是当振速控制标准小于0.1 cm/s时，振速控制标准对安全距离的影响越明显。

从图4可以看出，最大齐爆药量曲线呈上凹型，当距离较小时振速控制标准在0.1～0.5 cm/s内对应的最大齐爆药量较小且相差不大，当爆破距离由200 m增大到380 m时，其振速控制标准为0.1 cm/s、0.2 cm/s、0.3 cm/s、0.4 cm/s、0.5 cm/s最大齐爆药量增量分别为286.3 kg、831.64 kg、1 551.83 kg、2 415.78 kg、3 405.26 kg，反映出允许的最大齐爆药量随着爆破距离的增大明显增加，且振速控制标准越大其增加趋势越明显。

通过以上分析可以发现，在临近尾矿库进行爆破作业时，对爆破药量的控制是非常严格的，特别在靠近尾矿坝爆破工作区进行爆破作业时应更加注意振动影响。工程中在标准规定Vmax不超过0.5 cm/s情况下，一定的爆破药量对应着一个最小安全距离，生产过程中应根据起爆炸药量严格控制安全距离；此矿区爆破与尾矿坝距离在250～380 m范围内，根据最大齐爆药量的预测值严格控制生产过程中一次起爆的药量，使矿区在正常生产过程中足够安全，减小爆破振动对尾矿坝体稳定性的影响。

4 爆破振动液化有限元分析

4.1 液化分析方法

根据筑坝材料以及岩体的风化卸荷特性，尾矿坝的岩土体按高程从下到上可依次概化为微风化千枚岩、中风化千枚岩、强风化千枚岩、含砾粉质粘土、机械碾压土坝、碾压废石以及斜墙抗渗粘土(图5)。

图5 坝体剖面图

地震动力反应分析采用有效应力法。采用有限元分析软件GeoStudio中的QUAKE模块对尾矿库中、初级坝体做爆破振动液化分析，判断土体液化则采用Seed-Idriss应力分析对比法[15]，其表达式如式(3)：

(3)

处于饱程状态的土体单元，当式(3)具有一定的安全系数(通常为1.5)时，通常认为土体没有液化危险；反之，则判定土体可能发生液化。表4为爆破振动液化有限元计算中需要用到的参数。

表4 物理参数表

4.2 液化分析结果

图6为爆破振动波作用下尾矿库的液化结果，结果显示几乎没有出现振动引起的液化区，整个坝体内部也未发现液化区域。图7和图8分别为尾矿库浸润线在爆破振动作用下的变化情况和爆破前实测浸润线位置，通过对比可以发现，经过振动荷载作用后，浸润线基本保持在原来的位置。由上述可以发现，爆破振动对尾矿坝的稳定性不构成威胁性影响。

图6 爆破振动后坝内液化区域分布图

图7 爆破振动后坝内浸润线的变化分布图

图8 尾矿库实测浸润线位置图

5 结论

1)对爆破振动监测数据统计分析表明，该露天矿开采正常安全生产爆破过程中产生的爆破振动对尾矿坝体的稳定性无显著影响。

2)振速控制标准在0.1～0.5 cm/s范围内，同一振速控制标准时最小安全距离随着齐爆药量的增加而增大，振速控制标准越大，当齐爆药量增加时其最小安全距离增幅越小；当齐爆药量不变，振速控制标准越小，需要的安全距离越大，特别是当振速控制标准小于0.1 cm/s时，振速控制标准对安全距离的影响越明显。

3)当距离较小时振速控制标准在0.1～0.5 cm/s内对应的最大齐爆药量较小且相差不大；当爆破距离由200 m增大到380 m时，允许的最大齐爆药量随着爆破距离的增大明显增加，且振速控制标准越大其增加趋势越明显。

4)通过对尾矿库爆破振动液化分析，坝体内部无液化区域，经过振动荷载作用后，浸润线也基本保持不变。