露天礦預裂爆破對邊坡的損傷研究

高天榮

(昆鋼工程投資管理部，云南安寧 650302)

露天礦預裂爆破對邊坡的損傷研究

高天榮

(昆鋼工程投資管理部，云南安寧 650302)

基于質點振速對巖體損傷的判據，利用Tc－4850爆破振動測試儀，對某大型露天銅礦的預裂爆破荷載作用下產生的邊坡損傷效應進行了現場試驗研究。研究表明:預裂爆破對高陡邊坡的影響深度為0.45－0.75m;隨著與爆源距離的增大，巖體爆破損傷程度減小，累積損傷效應逐漸變得不明顯;水平和垂直方向測試結果存在著較大的差異，說明爆破作用下巖體損傷具有各向異性的特征。測試結果為進一步進行巖體力學參數的研究和高陡邊坡的穩定性分析提供了參考依據。

預裂爆破;邊坡開挖;巖體損傷;損傷判據;計算方法

1 引言

露天礦場頻繁的爆破作業，使邊坡經常受到動荷載的作用，地震波會給潛在的破壞面施以額外動應力，從而使巖石節理面張開，甚至導致巖石破碎，促使邊坡破壞。因此，邊坡開挖爆破對邊坡巖體的損傷程度直接關系到邊坡的穩定，而損傷層的厚度是評價爆破破壞作用的一個重要指標［1－2］。在某大型露天銅礦采礦區對6次預裂爆破參數進行了收集與整理，并通過對爆破振動的監測結果，分析了邊坡圍巖的損傷情況。

2 損傷判定標準

目前國外普遍采用PPV判據來作為巖體損傷的判據，質點峰值振動速度判據的理論依據是一維應力波理論［3］:

式中，Vp為巖體縱波速度;［ε］為巖體極限拉應變;E為巖石彈模;［σt］、［στ］分別為巖石的抗拉強度和抗壓強度;kt為［σt］和［στ］的關系系數，一般為1/8～1/16。

采用PPV判據可以事先通過理論計算預測爆破振動所引起的巖體損傷范圍，為調整爆破參數和爆破方法，控制爆破作業對保留巖體的損傷具有指導作用［4］。

Bauer、Calder、Mojitabai、Beattie和Save1y建議的爆破損傷質點峰值振動速度判據分別如表1、表2和表3所示［5］。這些安全判據往往是通過比對爆破前后巖體中的新增裂隙數量、聲波對比測試等方法確定的。

表1 巖石爆破損傷的質點峰值振動速度臨界值(Bauer和Calder)

表2 巖石爆破損傷的質點峰值振動速度臨界值(Mojitabai和Beatti)

表3 巖石爆破損傷的質點峰值振動速度臨界值(Savely)

3 損傷判定計算方法

質點峰值PPV的損傷計算:

盧文波和Hustrulid基于對柱面波理論、長柱狀裝藥中的子波理論以及短柱狀藥包激發的應力波場Heelan解的分析，推導了巖石爆破中爆源近區的質點峰值振動速度衰減公式［6］。

式中:V為質點峰值振動速度;k為群孔爆破影響系數，在爆源近區k≈l，在爆源遠區k為同段起爆的炮孔數;R為爆心距;b為炮孔半徑;β為衰減指數; Vo為在炮孔壁上的質點峰值振動速度，Vo為:

式中:P0為炮孔內爆生氣體的初始壓力;ρ為巖石密度。

在C－J爆轟條件下，炸藥的平均爆轟壓力為:

式中:Pe為炸藥爆轟平均初始壓力;ρe為炸藥密度;D為炸藥爆轟速度;γ為炸藥的等熵指數。假設爆生氣體為多方氣體，則其狀態方程為:

式中:P為某一狀態下的爆生氣體壓力;ρ為某一狀態下爆生氣體的密度;A為常數;vo為爆生氣體的等熵指數。當P≥Pk時，取vo=γ=3.0;當P＜Pk時，取vo=γ=1.4;Pk為炸藥的臨界壓力。

對耦合裝藥條件，有:

對不耦合裝藥條件，若裝藥的不耦合系數b/a值較小(a為裝藥半徑)，則爆生氣體的膨脹只經過P＞Pk一種狀態，此時由式(6)得炮孔初始平均壓力幾為:

若裝藥的不耦合系數值較大，爆生氣體的膨脹需經歷P≥Pk和P＜Pk兩個階段，則由式(7)，得:

確定了P0后，則可由式(4)確定炮孔壁上的質點峰值振動速度Vo。

在具體的工程實踐中，根據以上所介紹的巖體爆破損傷的質點峰值振動速度安全判據，可以確定巖石爆破損傷的質點峰值振動速度臨界值［V］，根據炸藥種類，炸藥特性、鉆孔孔徑、裝藥結構及巖性參數等因素，可以確定b，β和k，由前面的推導可以確定炮孔壁上的質點峰值振動速度Vo，則由式(5)得:

式中:［R］為爆破引起的巖體損傷范圍。

由式(9)可以預報設計方案的巖體爆破損傷范圍。這樣，就可以事先確定最后一排主爆孔離設計輪廓面的最小距離(預留保護層的厚度)，指導需要嚴格控制振動速度的預留保護層的爆破開挖，以控制巖體的損傷范圍［7－8］。

4 巖體損傷效應分析

參考表1－3的爆破損傷質點峰值振動速度判據，并根據露天礦邊坡泥板巖、灰巖的抗壓強度等巖性及力學參數，可以確定該弱風化至新鮮泥板巖、灰巖的爆破損傷質點峰值振動速度安全上限約為25～60cm/s之間。

根據露天礦邊坡巖體的條件及實際采用的鉆孔直徑、爆破器材性能參數，在設計計算中選取的光面和預裂爆破基本參數如下:

鉆孔直徑為140mm，散裝乳化炸藥填滿藥孔;

因防地下水的影響，爆速D=4200m/s，炸藥密度ρe=1150kg/m3，對P＞100Mpa，γ=3.0，對P＜100Mpa，γ=1.4;

對邊坡巖石密度ρ=2760kg/m3，縱波速度Vp= 5913m/s，預裂爆破群孔爆破系數k=10，衰減指數β=1.74;

根據確定的不同風化程度巖石的爆破損傷質點峰值振動速度安全判據，由薩道夫斯基公式可以預報爆破開挖對保留巖體的損傷影響范圍。通過上述計算，可以得到采用上述爆破參數的情況下，對保留巖體的損傷范圍見表4。

表4 對圍巖爆破損傷范圍的理論預測

5 結論

在露天礦高陡邊坡進行了預裂爆破的現場試驗。通過對爆破振動波的監測和爆后邊坡圍巖的超聲波檢測，對預裂爆破方法引起的圍巖內部損傷進行了研究。其結論如下:

基于波動理論的爆破振動質點峰值振動速度衰減公式和國際通用的巖體爆破損傷的質點峰值振動速度安全判據，計算得出巖體損傷范圍，僅僅只是代表由預裂爆破所引起的損傷，對于爆破設計有指導意義。

［1］蒲傳金，張志呈，郭學彬.不耦合裝藥爆破對孔壁巖石損傷破壞的聲波分析［J］.中國鎢業，2006，21(1):19－22.

［2］蒲傳金，張志呈，郭學彬.邊坡開挖光面爆破對巖體損傷的影響研究［J］.礦業研究與開發，2005，25(5):68－70.

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［6］王漢鵬.分岔式隧道設計施工的關鍵技術研究［D］.濟南:山東大學，2007:113－121.

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Study on Pre－Splitting Blasting on Slope Damage of Strip Mine

GAO Tian－rong

(Project Investment Department，Kunming Iron＆Steel(Group)Co.Ltd.，Anning 650302，Yunnan，China)

Based on the rock mass damage criterion of particle velocity，slope damage effect is studied under pre－splitting blasting load by experiment in situ in a large copper mine by using the Tc－4850 blasting vibration tester.The study results indicate that the pre－splitting blasting of effect depth on high－steep slope is 0.45－0.75 meter;the blasting damage degree of rock mass decrease with the increase of distance between blasting source and particle.And the cumulative damage effect gradually becomes invisible.The test results of the horizontal direction are different from that of the vertical direction.The above result indicates that rock mass has an anisotropic character.The result provides reference for study of rock mass mechanical parameter and analysis of the high－steep slope stability.

pre－splitting blasting;slope excavation;damage of rock mass;damage criterion;computing method

TD824.7;TD854+.2

A

1009－3842(2011)06－0015－03

2011－09－04

高天榮(1969－)，男，云南昭通市人，工程師，研究方向為礦山井巷工程建設管理和質量監督。E－mail:kmgtr@sina.com