邻近高陡边坡采矿爆破振动规律及边坡稳定性分析

吴礼军，徐文彬

(1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083)

随着某铜矿露天开采深度的增加，可开采的范围越来越小，其生产能力受到较大制约，稳定产量难以得到保证，势必影响矿山的经济效益。为保证稳定的矿石产量和最大限度回收资源，急需对邻近高陡边坡的矿产资源进行回采。但是，随着矿山开采深度的增加和工程地质条件的改变，且高陡边坡的稳定性变弱；此外，陡帮上仍需要保留矿石运输公路、防洪设施以及生产相关的建筑物等，在此条件下，要确保开采扰动对高陡边坡及边坡建筑物的稳定性产生最小的影响[1-3]。因此，及时对矿山爆破振动进行监测以及对边坡进行稳定性分析具有重要意义。根据爆破振动监测数据与回归分析，能推导出爆破振速衰减规律，进而调整现场的爆破参数；通过Geo-Studio软件进行边坡稳定性分析，对边坡不稳定区域进行加固，使得矿山生产更加安全[4-10]。

本文以某铜矿邻近高陡边坡的矿产资源回采为背景，对高陡边坡重要设施进行爆破振动监测，以此来评估采场爆破振动对高陡边坡重要设施的危害程度，同时对现场爆破振动实测数据进行回归分析，得到表征该矿质点振动速度衰减规律，对类似高陡边坡爆破开采提供参考。此外，使用Geo-studio软件对高陡边坡下矿体开采对边坡的影响进行数值模拟，分析不同开采阶段边坡的稳定性。

1 工程概况

根据勘探线剖面图，建立矿区原始矿体三维立体模型，矿体模型如图1所示。Ⅳ矿体南北方向分布于1～13勘探线之间，走向长度约626 m，矿体厚度最小6.3 m，最大32.48 m，平均14.21 m。矿体走向北偏东，倾向南东，倾角较陡，倾角约51°～72°。

2 爆破振动监测

2.1 振动测点布置

爆破振动测点的布置方法主要取决于测量的目的。为了监测爆破振动效应及其对周围建(构)筑物的影响，可以将测点布置在如下位置：结构物关键部位的基础表面或台阶坡顶、坡脚处。本次共选取10个监测点对爆破振动进行监测，包括砌块建筑物、道路、水沟等建筑设施。实施爆破前，爆破监测设备均预先布置在监测点。

2.2 爆破振动测量系统

爆破振动测试系统主要由振动传感器、振动信号记录仪、笔记本电脑和输出设备(打印机或文件输出)组成。本项目所使用的仪器为Blast-UM型爆破测振仪，量程为0.001～35 cm/s，频率范围为5～300 Hz，具有0.008、0.017、…、14 cm/s等12个触发电频。

2.3 爆破振动回归分析

大量的现场试验和观测表明，爆破振动破坏程度与质点振动速度的大小相关性最好，与传播地震波的岩土性质也有较稳定的关系[11]。爆破振动的质点振动速度随距离的衰减规律常用萨道夫斯基公式来描述

(1)

式中:v为测点处的质点振动速度，cm/s；Q为装药量，kg；R为测点至爆破中心的距离，m；K为与爆破场地条件有关的衰减系数；α为与地质条件有关的衰减指数。

对式(1)两端取对数

(2)

y=mx+b

(3)

对于每一组样本数据，Q、R都是确定的，K、α值，即式(3)中的b、m可按照数理统计中的最小二乘法求出[12]。

3 爆破振动监测结果与分析

在边坡爆破振动监测结束后，选取10个爆破监测点中爆破测振仪数据采集结果较好的三向时程信息。对现场采集数据的振动频率和振动速度进行整理分析，所记录的爆破振动速度和主振频率等实测参数如表1所示。

表1 爆破振动实测参数

从表1中可以发现，爆破振动质点的振动速度与爆心距没有绝对的关系，但总体来说，质点的振动速度随爆心距的增加而减小。其中，y方向(水平切向)的振动速度是3个方向的振动速度峰值中最大的。在10号测点y方向的振动速度最大，为0.687 4 cm/s。振动频率随爆心距的增加大致表现出减小的趋势，3个方向主频范围大多集中在20～50 Hz之间，爆破振动现场监测数据均在建筑物允许振动速度范围内，因此，爆破振动对边坡建筑物不会产生危害。

根据式(3)对表2中的实测数据进行线性回归分析，得到该高陡边坡爆破振动的衰减系数理论值，露天边坡爆破振动拟合如下所示：

(4)

最终确定该高陡边坡爆破振动衰减系数K值为151.978，α值为1.409，数据拟合结果满足《爆破安全规程》(GB 6722-2014)[13]中对于K值和α值的取值要求。

通过萨道夫斯基公式线性回归得到该高陡边坡爆破振动的衰减规律，可用来预测该矿山未来爆破作业产生的爆破振动速度，并进行单段最大药量、延时时间等爆破参数的优化。经过该矿山爆破实践表明，通过线性回归得到的振动衰减公式应用效果较好。

4 边坡稳定性模拟分析

4.1 模型的建立

根据勘探线剖面图分别建立边坡模型，选定边坡的下界为-100 m，上界视剖面而定的区域作为有限元数值模拟Geo-Studio的计算剖面。模型范围内主要岩层结构可以分为上盘、下盘和矿体。结合实际情况及剖面形状对边坡计算模型做适当的简化后建立边坡数值模型，如图2所示。

4.2 参数选择

由于采矿活动破坏了岩体的自然平衡状态，不平衡状态将引起岩体变形以及岩石中应力场的调整和重新分布。因此，在模拟前先做应力重分布模拟。

在应力重分布模拟中，各岩层材料都选用弹塑性本构模型。一般而言，由于大量结构弱面的存在，岩体力学参数远小于岩石力学参数。对于地质与采矿条件极为复杂的矿山，岩体力学参数的选取是非常困难的，一般采用工程折减的办法，将岩石力学参数折算为岩体力学参数。其中弹性模量、泊松比、内摩擦角等参数选自该矿山的地质报告中，相关岩石参数如表2所示。

表2 材料模型参数

4.3 边界条件

应力重分布分析时，只考虑模型的重力作用，在设置边界条件时通常只需要约束研究对象的底边和左右两侧边。因此，在做边坡应力重分布模拟时选用的边界条件是：边坡模型左右两侧固定x方向位移，边坡底部固定x-y方向位移。

4.4 模拟结果与分析

4.4.1 初始边坡安全系数

使用GeoStudio软件，选择SIGMA/W模块分析，在分析类型中选择“应力重分布”分析类型，设置收敛性及时间参数。输入模型材料相关参数，绘制材料模及相应的边界条件，检查、优化模型，求解。在SLOPE/W中建立模型，绘制材料参数，得到滑移面及安全系数。根据以上步骤对不同勘探线剖面进行模拟，得到其边坡的初始安全系数，如图3所示。

不同计算方法对应边坡的安全系数如表3所示，从表4看出，5#勘探线剖面相较于7#勘探线的坡度更大，其稳定性略差于7#勘探线剖面。同时，各个剖面初始边坡安全系数值均在1.3以上，稳定性较好。因此，以剖面5#勘探线剖面经过的W4矿体为例，进行数值模拟研究。

表3 各剖面安全系数计算

4.4.2 矿体开采模型

开采模型稳定性模拟和初始边坡稳定性模拟相同。根据3#、5#、7#勘探线剖面与0 m水平的投影和0 m高程矿体的位置关系，得到每个矿块的剖面图。矿块的宽度由勘探线所截剖面确定，高度为50 m。从0 m中段开始，每个中段以嗣后充填法的顺序进行开采，不同中段从下往上开采。在此以W4矿体为例，得到的模拟结果如图4所示。

不同计算方法对应边坡的安全系数汇总如表4所示。以W4矿体为例，向上开采时，0、50、100、150 m中段安全系数分别为1.383、1.348、1.256、1.214，即越向上开采，边坡的安全系数越低。

表4 W4矿体各中段安全系数

根据安全系数F对矿山采场边坡稳定性进行风险分级，将边坡滑坡风险等级分为4级，等级越高，滑坡风险越小，露天边坡越稳定(见表5)。非正常工况是指在考虑爆破振动或地震、暴雨等荷载下边坡的安全系数。一般将边坡安全等级分为3级，滑坡风险等级指数为1时为危险，滑坡风险等级指数为2时为安全Ⅱ级，滑坡风险等级指数为3、4时为安全Ⅰ级。根据边坡稳定性模拟的结果，对开采矿块进行安全等级划分。W4矿体0 m中段和50 m中段开采边坡安全系数F值均大于1.3，50 m以上中段F值均大于1.2，因此W4矿体开采过程中边坡均为安全Ⅰ级。安全结果分级表明，高陡边坡下矿体开采过程中边坡均为稳定状态，可使用现有采矿工艺开采。

表5 采场边坡滑坡风险等级

5 结论

1)根据该高陡边坡现场爆破振动监测结果可知，该矿爆破振动主频范围大多集中在20～50 Hz，最大振速为0.687 4 cm/s，与《爆破安全规程》(GB 6700-2014)规定的爆破振动安全允许标准进行对比分析，所有振速均在安全范围内，对边坡上的建筑设施无破坏性影响。

2)爆破振动质点的振动速度与爆心距没有绝对的关系，但总体来说，质点的振动速度随爆心距的增加而减小。其中，y方向(水平切向)的振动速度是3个方向的峰值振动速度中最大的。对收集数据进行线性回归，得到适合该矿的爆破振动衰减系数，K值为151.978，α值为1.409。

3)以W4矿体为例，向上开采时， 0、50、100、150 m开采阶段安全系数分别为1.383、1.348、1.256、1.214，即越向上开采，边坡的安全系数越低。安全结果分级表明矿体开采过程中边坡均为安全Ⅰ级，均处在稳定状态，可使用现有采矿工艺对该高陡边坡下矿体进行开采。