爆破震动对露天矿边坡稳定性的影响分析

1、DOI:10.13235/ki.ltcm.2014.07.003爆破震动对露天矿边坡稳定性的影响分析宋景辉，吴建圻，何以剑（昆明煤炭设计研究院，云南 昆明 650011）摘要：分析了露天生产过程中矿爆破动载荷对边坡岩体的影响机理，从多方面分别阐述了影响爆破震动效应的因素，揭示了爆破过程中炮孔装药量、传播介质以及起爆条件等对爆破动载荷的影响。采用边坡稳定性分析软件，以哈尔乌素露天矿边帮为工程实例建立工程地质模型，并且将爆破动载荷以峰值加速度形式纳入稳定性分析过程，对不同峰值加速度下的边坡稳定系数进行 求解分析。分析结果表明：边帮岩体在未受到爆破作用扰动时处于稳定状态，随着爆破作用引起 的峰值加速

2、度从 0 增加到 0.4g 的过程中，边坡稳定性系数逐渐从原始状态下 1.155 降至 0.634， 边坡处于失稳状态，爆破震动对边坡稳定性影响显著；峰值加速度 a 与边坡稳定性系数 Fs 之间存在显著的线性关系，随着峰值加速度增加，Fs 呈线性下降，两者线性拟合度 R2 为 0.99。关键词：爆破震动；动载荷；稳定性；峰值加速度中图分类号：TD824.7文献标志码：B文章编号：1671 9816（2014）07 0010 04The effect of blasting vibration on slope stability in open-pit mineSONG Jinghui, WU

3、 Jianqi, HE Yijian(Kunming Coal Design and Research Institute，Kunming 650011, China)Abstract: The article analyzes the impact mechanism of blasting dynamic load on rock slope in the open -pit mine production process illustrates the factors of influencing blasting vibration effect in many aspects, ra

4、nd reveals the influence of hole loading, propagation medium and detonating conditions etc on blasting dynamic load. Using slope stability analysis software, engineering geology model is established taking Haerwusu surface mine slope as an example, and the peak acceleration is considered into the an

5、alysis of slope stability. The slope stability coefficients under different peak acceleration are solved and analyzed. The results show that: the slope rock keeps in a stable state initially, as the peak acceleration rises from 0 to 0.4g, the coefficient of slope stability drops from 1.155 to 0.634,

6、 and the slope starts instability. The blasting vibration has obvious influence on slope stability, and peak acceleration a and slope stability coefficient Fs have an obvious linear relationship. As the peak acceleration ascends, Fs decreases in a linear fashion, and the R2 between them is 0.99.Key

7、words: blasting vibration; dynamic load; stability; peak acceleration爆破作为露天矿生产中的重要环节，对采矿工程活动起到至关重要的作用。爆破可以松散硬度较 大的岩石，大大提高采掘机械的工作效率。同时，爆破产生的冲击波在岩石中传递，以爆破动载荷的形式作用于露天矿采场中其他围岩中，引起岩体中应 力结构的变化，从而造成结构面的损伤和岩体抗剪强度明显下降。炮孔周围岩体在爆破瞬间受到的压力可达 5 × 103 5 × 104 MPa，远超 过岩体的极限 抗压强度，岩体受到挤压破碎，而后残余大量能力以地震波形式向岩体外

8、围传播，并通过对岩体施加动载荷引起岩体横向和纵向震动1。露天矿采矿工程活 动是时间和空间交互的过程，边坡岩体随着采剥工 程的进行逐渐形成。从边坡岩体遭到开挖，其内部原始地应力遭到破坏，随着采矿活动的逐渐进行，边坡 岩体在地应力、重力及外部载荷作用下，通过应力重 新分布向临空面进行应力释放，在此过程中结构面 逐渐形成一个相对稳定的状态。随着爆破动载荷的影响，存在于边坡岩体内部的结构面受到附加应力 作用，使结构面裂隙扩张，结构面抗剪强度大大降 低。当边坡岩体距离爆破点距离较近时，爆破产生的 附加应力甚至会使边坡沿着软弱结构面产生直接滑动，严重影响边坡工程稳定性。因此，研究爆破震动收稿日期：2014

9、-02-22作者简介：宋景辉（1970-），女，内蒙古赤峰人，高级工程 师，1991 年毕业于中国矿业大学采矿系，任昆明煤炭设计研究院露采副总工程师、露天所副所长兼主任工程师。露天采矿技术2014 年第 7 期·11·效应对岩体边坡稳定性间的相互影响关系，对保证露天矿边坡稳定具有重要意义2。将爆破产生的震动荷载考虑进入边坡稳定性计 算方法，通过工程实例，研究在不同爆破震动载荷规 模下边坡稳定性系数变化规律，为露天矿山边坡理 论体系的进一步完善及不同岩体条件下爆破技术方案选择提供理论参考。数，与岩石特性有关； 为震波衰减系数。3）传播介质。根据结构动力学理论，当爆破震动 通过

10、不同的传播介质时，由于传播介质原有的结构 特性的不同 将会导致其动态响应 在响应持续时间 、 频率、响应的衰减等特征方面发生较大差异7。露天采矿过程中，实施爆破和爆破震动传输多在岩体或土体等无限介质中，其岩土介质结构特性主要体现 在岩土力学性能方面，如抗剪强度、弹性模量等。4）起爆条件。包括爆破技术方案中起爆顺序、孔网参数、微差爆破间隔时间等。根据现场工程经验，采 用齐发爆破方式相对于微差爆破来说，所产生的爆破 震动频率较小，在设计起爆顺序时，尽量采用 V 型掏槽或者对角交叉起爆，可以使爆区内的震动波相互叠加，减小对外部岩体的动载荷作用。在设置孔网参数 时，尽量加大孔距，缩小排距，减小底盘抵抗

11、线长度。采用微差爆破方式时，毫秒延迟爆破相比于齐发爆破，其振幅较小，频率较高，并且作用时间短。在微差 爆破中，如果爆破震动波 2 个波形相互叠加，其相位 差为 0.5 T 或者（n + 0.5）T 时，叠加后的振幅最小，而当相位时差为 T 或 nT（n = 0，1，2，3，n）时，波叠加 后振幅最大，理论与现场实测数据基本一致。影响爆破震动效应的因素1爆破震动效应对露天矿岩体边坡的稳定性有重要的影响，主要由爆破震动的频率 、振 幅、持续时间 以及结构本身的强度特性决定，且随爆破震动强度 的增大，造成岩体边坡中结构动力响应特征的大幅度改变，对边坡的稳定性程度影响也就越大。从研究边坡稳定性的角度看

12、，确定影响爆破震动效应的因 素并了解影响其频率、幅值及持续时间的主要安全判据，控制露天矿爆破震动效应对边坡稳定性的影响。结合国内外对爆破震动效应的研究，归纳影响爆 破震动效应的主要因素包括3：1）爆破震动速度、频率和作用时间。爆破震动强 度与质点震动速度大小具有明显的相关性，且震动速度与岩土性质关系较为稳定，而与质点的震动位移及加速度之间关系不大4。爆破震动冲击波在岩体中传播时，结构体对于 介质中传递来的震动波具有选择放大作用。这种作用主要体现在结构体对于震动波中与其本身固有频 率相近的波放大最多，因而由于共振的作用，该波在岩体中传播时振幅最大，引起的震动最为强烈，对岩体结构破坏作用最为明显5

13、。作用时间对爆破震动效应的影响主要体现在其 对岩体造成的损害具有累积效应。当爆破震动振幅、 频率一致时，结构应力相应最大值基本相同，但随着作用时间的增长，岩体中结构体产生的塑性变形逐渐增大，对岩体产生渐进破坏作用。2）炮孔装药量与爆心距离。根据萨道夫斯基公 式，炮孔装药量与爆破震动效应之间具有明显的正比关 系 ，炮 孔装药量越大 ，质点震 动峰值速度越大 6； 与爆心距离呈反比关系，距离爆破中心距离越近，爆破所引起的震动效应越明显。爆破震动对边坡稳定性的影响分析22.1 工程实例参数哈尔乌素露天煤矿位于准格尔煤田中部，与黑 岱沟露天煤矿 毗 邻， 地理坐标为东经 111° 10 11

14、1°2230，北纬 39°3945 39°4415。整个煤田 东西宽 21 km，南北长 65 km，面积 1 022 km2。该矿端帮岩层呈近水平分布，厚度均匀，岩体中结构面较 为发育，且在外力影响下表现出明显的扩展性，端帮边 坡的岩性分布如图 1，各个分层岩体力学参数见表 1。煤图 1表 1端帮边坡剖面岩体力学参数岩性密度 （/ t·m-3）内摩擦角 （/ °）粘聚力 C/kPa V = K 姨姨Q 姨3黄土砂质泥岩 粗砂岩 煤1.952.452.241.4029.544.547.038.738.168.056.049.0（1）R式 中 ：

15、V 为质点震动峰 值 速度 ，cm/s；Q 为 炮 孔装药量，kg；R 为 监测点与震源之间 距 离 ，m；K 为 系黄土粗砂岩泥岩采矿工程黄土粗砂岩 煤泥岩1.21.1y = -1.316x + 1.114 7数 1.0R2 = 0.99系定 0.9稳0.80.70.60.00.10.20.30.4峰值加速度 a（/ m·s-2）露天采矿技术2014 年第 7 期·12·2.2算例分析建立边坡稳定性分析模型，采用理想弹塑性模 型，选择摩尔库伦强度准则为屈服准则。在未施加爆破动载荷之前 ， 计 算 此模型的安全系数为 Fs 为1.155，滑面位置如图 2。大幅度减

16、弱，因此在边坡设计中必须考虑地震作用的影响8。为了进一步研究爆破动载荷作用和边坡稳定系 数之间具体关系，将表 2 中的数据拟合成边坡稳定 系数与峰值加速度关系曲线为：y = -1.316x + 1.114 7，R2 = 0.99（2）式中：y 为拟合边坡稳 定 系数 ；x 为 爆 破 震 动 峰值加速度，m/s2。随着峰值加速度逐渐增大，边坡稳定性系数逐 渐降低，并且峰值加速度 x 与边坡稳定系数 y 之间 存在明显的线性关系，从拟合曲线可以看出两者线 性拟合度较高。图 2 滑面位置及稳定系数从图 2 中可以看出，在原始状态下，边坡处于一个相对稳定的状态，但局部也有可能发生滑落。随后 给此地质

17、模型加载爆破动载荷，将动载荷转化为地 震峰值加速度，以 0.05g 为步长，从 0 0.4g 逐渐加 载，并计算出在不同峰值加速度下边坡的稳定系数，结果见表 2。表 2 不同峰值加速度下边坡稳定系数峰值加速度 a稳定系数 Fs0.00 g0.05 g0.10 g0.15 g0.20 g0.25 g0.30 g0.35 g0.40 g1.1551.1141.0040.9250.8640.8110.7630.6910.634图 3 峰值加速度与稳定系数关系曲线结 论31）露天矿生产过程中爆破动载荷对边坡工程稳定性影响显著，爆破动载荷可以通过破坏岩体内部 结构面，引起边坡岩体中应力重新分布，从而对改

18、变原始稳定应力状态，对露天矿边坡工程稳定性极为不利。2）影响爆破震动效应的因素主要包括爆破震动 的速度、频率、作用时间 3 要素，炮孔装药量，传播介质与起爆条件。爆破震动效应与炮孔装药量呈正比 关系，并且随着距离爆源距离的增大，震动效应明显 下降。爆破震动效应在不同传播介质中变化范围很大，主要与介质本身的岩体特性联系密切。通过优化爆破方案中起爆条件，调整孔网参数和起爆顺序，采 用微差爆破方式，可以有效减小爆破震动效应对边坡岩体稳定性的影响。3）随着爆破动载荷作用 的增大，即震动峰值 加 速度增加，边坡稳定性系数从初始状态下的 1.155降低至峰值加速 度 为 0.4g 下 的 0.634，爆

19、破 动 载 荷（下转第 16 页）从表 2 中可以得出，随着震动峰值加速度的增大，边坡稳定性逐渐降低。较小爆破动载荷动作用 下，当加速度峰值为 0.05g 的动荷载作用后，边坡稳 定性系数从 1.155 降至 1.114，此时边坡的安全系数 虽有所降低，但仍处于稳定状态。当动载荷强度稍大时，滑坡在加速度峰值为 0.10g 的动荷载作用后，边坡 的 稳 定 性 进一步 削弱， 滑坡安全系数 降 低为 1.004，边坡处于极限平衡状态。当加速度峰值逐渐 增 至 0.15g 时 ，此 时 稳 定 系 数 为 0.925，边 坡 已 经 处于失稳状态。当边坡在加速度峰值为 0.4g 的动载荷 作用后，

20、稳定系数已经 低至 0.634，此时边坡已 经 处 于完全失稳状态。这表明在爆破动荷载对边坡稳定性影响显著，在爆破动载荷作用下边坡的稳定性将采矿工程露天采矿技术2014 年第 7 期·16·大幅度缩短。故优化方案的投资费和运营费均较原方案 2 有优势。另外，达产当年运营费 和购置费共节省 3 087万元，按达产前 6 年计算，共节省 6 027 万元。经综合研究分析认为，优化方案具有较好的经 济优势，故推荐优化后的带式输送机布置方案。中应考虑多种因素，研究最优带式输送机的布置方案，使投资费用和运营费用大大降低，给企业带来巨 大的经济效益。参考文献：1李树学，袁金祥.半连续工艺在伊敏露天矿的应用J.露天采矿技术，2011（1）：5- 8.GB501972005 煤炭工业露天矿设计规范S.宋 伟 刚 .散装物料带式输送机设 计M.沈 阳 ：东 北 大 学出版社，2000.宋 伟 刚 .通用带式输送机设 计M.北 京 ：机 械 工 业 出版社，2006梁 庚 煌 . 运 输 机 械 手 册M. 北 京 ：化 学 工 业 出 版 社 ，1983.杨荣新.露天 采 矿 学（下 册）M.徐 州 ：中 国 矿 业 大 学 出版社，1990：66- 69.23结 语3随着带式输送机技术的不断改进和突破