大南湖二矿爆破振动影响分析及边坡稳定性研究
时间：2022-02-23 来源：中国煤炭杂志官网 分享：大南湖二矿爆破振动影响分析及边坡稳定性研究
露天矿边坡是采矿形成的人工边坡,部分露天矿 采用爆破作业,而边坡影响区域的爆破振动是边坡失稳破坏的重要外部因素。爆破振动对边坡的影响范围、爆破作用下边坡如何响应以及振动作用下边坡稳定性变化规律,是一系列复杂的工程问题。露天矿生产中单次爆破面积、爆源位置、装药结构、药量大小等变化,产生的爆破振动波强度不同。爆破振动波在不同介质中传递,由于传播介质的波阻抗特性,以及地形、地质条件等因素的不同,其振动强度将会发生改变。因此,输入边坡的爆破振动波强度,爆破对边坡岩体的影响范围,及爆破作用下边坡稳定性变化规律等是边坡安全评价关注内容。
1 大南湖二矿爆破工程简介
大南湖二矿采用延时爆破,矿区爆破振动速度经验公式:
式中:V——安全质点振动速度,《爆破安全规程》对永久性岩石高边坡的安全允许质点振动速度规定其不应超过10.0 cm/s;
K、α——与爆破地点地形、地质条件有关的系数和衰减指数,根据《爆破安全规程》以及现场岩石属于中硬岩石,取K＝300,α＝2.0;
Q——装药量,t;
R——爆破中心至安全质点的距离,m。
爆破飞石是爆破的主要有害效应,也是爆破警戒距离确定的主要指标,采取合理的前排抵抗线,减小单孔药量,缩小孔排距,增加填塞长度,加强填塞质量是防止浅孔爆破飞石的有效手段。根据伦德伯格(Lundborg)统计规律,R计算如下:
式中:K′——与爆破方式、填塞长度、地质和地形条件有关的系数,取1600～2100;
q——钻孔平均装药量,kg/m3;
D——钻孔直径,mm。
2 现场监测目的与布设方案
在大南湖二矿南帮进行爆破振动监测,通过对监测数据的统计与分析,研究爆破振动对南帮边坡岩体的影响程度。选取典型采掘工作面,采用现场监测数据,模拟爆破振动作用下边坡变化规律,分析爆破振动对南帮边坡的影响程度。振动监测系统由MEMS三向检波器、振动信号采集仪以及软件系统构成。
(1)MEMS三向检波器。测量爆破震源激励下场地的三向加速度振动响应信号。其中,X向表示振动的来波方向(水平切向),Y向表示垂直于来波方向(水平径向),Z向表示竖直向上(垂直方向)。
(2)振动信号采集仪。在矿区南帮布设15个测点,分3组开展爆破振动试验,测点布置区如图1所示。
图1 爆破振动爆源点及测点布设图
3 边坡结构爆破振动响应影响研究
3.1 爆破振动分析内容
(1)时域分析。根据震速与时间曲线图,读取测点振动的典型特征数据;研究振动信号的振动幅值等参数、信号的稳态和交变分量随时间的变化情况。通过波形分析得出振动最大值V max,振动最大值对应的时刻t max和振动持续时间t。
(2)振动持续时间分析。指振动波初始到结束的时间,是反应爆破振动强弱的重要指标之一。
(3)主震频率分析。将频谱分析中最大谱值对应的频率称为主频率(又称为卓越频率),爆破分析中常用主频率、主频域来分析不同条件下爆破振动的频谱特征。从频谱图中,得出主频率F max和频率范围F c 2个特征值。
3.2 监测数据分析研究
爆破振动效应是边坡结构对爆破振动波载荷激励的动力响应,包括边坡结构受到爆破振动作用而引发内力改变从而引起边坡位移、速度、加速度等变化。本次进行了3组爆破试验,其中每组5个点,利用15组监测数据对边坡响应进行分析,统计数据见表1;选取3组爆破中典型监测曲线,典型监测数据如图2所示。
表1 3组15次监测数据
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图2 典型监测点X向振动速度波形图
第1组中5个监测点监测到的最大振动速度为0.325 cm/s,最小为0.089 cm/s,在3个方向上,水平方向振动速度大于垂直方向速度;主振频率为4.6～6.0 Hz,振动持续时间约6.25～7.25 s。
第2组中5个监测点监测到的最大振动速度为0.102 cm/s,最小为0.049 cm/s,3个方向上速度较相近;主振频率为3.7～7.8 Hz,振动持续时间约5.25～6.25 s。
第3组爆源位于南帮坡脚区域爆破,南帮振动速度最大为15.54 cm/s,最小为0.48 cm/s,3个方向上垂直方向速度大于水平方向速度;主振频率为4.2～5.8 Hz,振动持续时间约2.25～4.25 s。
通过对15个监测点数据的统计与分析,结果显示距离边坡越近爆破持续时间越短,第3组爆破试验距离南帮近,而振动监测持续时间在2.25～4.25 s;第1组和第2组距离南帮远,而振动监测持续时间在5.25～7.25 s。
在爆破距离相近时,一次爆破区域越大,其振动速度越大。第1组一次总装药量为20 t,第二组总装药量为16.5 t,两组爆源与监测距离相近时,第1组振动速度在0.089～0.325 cm/s,大于第2组的0.049～0.102 cm/s。
在第3组监测数据中,监测点距离爆破区域较近,垂直方向振动速度大于水平方向振动速度;当振动传递至155 m时,3个方向监测数据相近,随距离增大至235 m、350 m,垂直方向速度衰减到1.470 cm/s、0.480 cm/s,且垂直方向振动速度衰减较水平方向衰减快,爆破振动对边坡影响主要是水平方向振动波影响。
选取监测点距离爆破中心X为137 m、155 m、235 m、350 m、1150 m、1200 m,水平方向速度V最大值分别为:14.720 cm/s、4.820 cm/s、1.100 cm/s、0.830 cm/s、0.102 cm/s、0.056 cm/s,模拟爆破中心振动波水平方向衰减规律,数据拟合资料见图3所示,其衰减规律为:
当距离达到350 m时监测点数据小于1 cm/s,因此爆破振动影响距离小于为350 m。
图3 爆破振动速度衰减规律研究
4 爆破振动对边坡影响及边坡安全评价
爆破振动效应会引起岩体不同程度的损伤甚至破坏,当爆破振动达到一定程度时,会造成露天矿边坡失稳,严重时可能引起地质灾害和整体坍塌。通过对已有爆破振动资料整理和分析,选取图2中第3组南帮坡脚爆破振动波,输入模型后振动波持续影响时间为0.9～1.9 s。研究爆破对南帮剖面－3边坡岩体的影响,模型图见图4,并分析爆破波对边坡稳定性的影响。
图4 爆破振动数值计算中布设监测点位置
4.1 南帮岩体爆破振动影响程度研究
4.1.1 南帮岩体动剪应力峰值动力(q)响应规律
在＋395 m水平爆破振动作用下,边坡岩体在动剪应力作用下,初始阶段0.7163 s时,在爆破区域下方岩体中形成剪切破坏区域,如图5(a)所示。随振动加载时间累积,爆破影响规律显现明显。在振动持续时间达到1.9913 s时,爆破振动影响程度达到最深,在爆破区域,边坡岩体水平方向上影响达到152.50 m,影响至＋405 m水平台阶,同时CJ05监测组第3个监测点位于该区域,且监测数据速度较大竖直方向深度影响至25.04 m,如图5(b)所示。
4.1.2 南帮岩体水平方向位移变化规律
在＋395水平爆破振动作用下,边坡岩体水平方向位移规律,初始爆破区域变形由浅层向两侧扩展过程,如图6所示;随振动波的增大与振动持续时间的加长,在爆破区域下部表现为向浅层及深部岩体两侧的水平位移,图6(b)中表现明显。
图5 爆破作用下边坡岩体剪应力响应
图6 爆破作用下边坡岩体水平方向位移变形
4.1.3 南帮岩体竖直方向位移变化规律
在＋395 m水平爆破振动作用下,边坡岩体垂直方向位移影响随爆破振动增强和振动持续时间的延长,影响范围逐渐增大,如图7所示。在振动持续时间达到1.9913 s时,水平方向上影响爆破区域达173.10 m,垂直方向上向深部影响74.81 m,见图7(b)所示。
图7 爆破作用下边坡岩体垂直方向位移变形图
4.2 爆破振动作用下南帮边坡稳定性变化规律
在南帮岩体爆破振动影响研究的基础上,研究振动作用下边坡稳定性变化规律,通过极限平衡计算得出,南帮边坡初始状态时边坡稳定性为2.38。在爆破振动期间,爆破振动波持续时间主要集中在1.6～1.8 s之间,随振动时间的持续,边坡稳定性出现波动变化,如图8所示;边坡稳定性变化规律与振动规律一致时,其稳定性逐渐降低,最低时为1.033,如图9所示。因此,爆破作用下边坡出现瞬时稳定性降低现象,大于临滑状态稳定系数1.0,坡脚爆破时边坡处于安全状态。
图8 爆破作用下南帮稳定性变化图
图9 爆破作用下南帮边坡出现的最低稳定性
5 结论
(1)监测大南湖二矿矿区爆破对南帮岩体的影响,通过对监测点数据统计分析,距离边坡越近,爆破对南帮作用持续的时间越短;在爆破区域距离相近时,装药量越大,其振动速度越大;监测点距离爆破区域越近时,垂直方向振动速度大于水平方向振动速度;随振动传递距离增加,垂直方向速度衰减程度大于水平方向速度衰减;水平方向爆破振动衰减与距离呈幂函数关系,衰减公式为V＝322753X－2.177,在爆破振动距离在350 m以内时,南帮边坡振动速度影响较大。
(2)在＋395 m水平爆破振动作用下,在0.9 s开始有爆破振动影响,至1.9 s影响停止,在此期间选取应力和位移作为岩体变形破坏依据。根据应力和位移变化,边坡岩体在爆破振动初始阶段变形主要在爆破区域浅层岩石;随振动持续影响,变形逐渐向深部及西侧岩体扩张。主要影响至边坡＋405 m水平,在动剪应力作用下,水平方向上影响爆破区域两侧至152.50 m,深度影响至25.04 m;而推动变形影响中,水平方向影响爆破区域173.10 m,垂直方向上向深部影响74.81 m。因此,爆破振动在岩体中水平方向的影响在152.5～173.10 m之间,而深部影响达到25～74.81 m。
(3)结合矿区爆破振动监测,模拟研究了爆破振动作用下南帮边坡稳定性变化规律,在振动影响下边坡稳定性降低;爆破振动波集中在1.6～1.8 s之间,剖面的稳定性随振动波的幅度而变化,稳定性变化规律与振动时间曲线可以相互吻合,随振动结束边坡稳定性恢复,最大振动波时其稳定性最低为1.033;因此,爆破作用下边坡出现瞬时稳定性降低现象,但可以满足边坡稳定性大于临滑状态稳定系数1.0的安全要求。
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