爆破擾動下露天礦邊坡穩定性控制分析

尹久清

(攀鋼集團礦業有限公司石灰石礦， 四川 攀枝花市 617065)

隨著我國工業與基建設施的高速發展，露天礦山、高速公路、水利工程等涉及大量的邊坡、高陡邊坡的安全問題[1-3]。爆破開挖是以上工程施工的有效手段，但也帶來一系列的有害影響，尤以爆破振動對周圍環境、建構筑物和工程本身的安全性影響最大[4-5]，因此需要針對不同工程的保護對象制定合理的爆破振動安全判據來指導爆破作業[6-8]。本文以布沼壩露天礦為例，針對西幫邊坡受荷出現垮塌事故，進行爆破清方減載作業，為保證既有高邊坡的穩定性，需對爆破施工過程進行爆破振動監測與計算，通過邊坡的穩定性系數計算值對比選定該邊坡的振動速度安全判據，為類似露天礦山到界高邊坡開采穩定性控制提供參考方法。

1 工程地質概況

布沼壩露天煤礦現已形成150～180 m深的大采場，臺階狀邊坡的總體坡角18°～26°，采場周圍各方向已基本到界，但已形成的西幫邊坡有F3、F6、F7三條構造斷裂，其中F3斷層呈舒緩波狀，沿西幫邊坡近南北向展布，向西傾角50°，破碎帶寬25～28 m，主要由褐紅、褐黃色粘性土和灰巖構造角礫巖、碎裂巖組成，部分為粘土巖、炭質粘土巖，膠結不緊密，屬松散巖體類別，該邊坡巖體物理力學指標見表1。

表1 西幫邊坡巖體物理力學指標

2 爆破方案設計

結合西幫邊坡成型臺階高度、施工進度要求、最終標高控制要求以及地形條件等因素綜合考慮，本次爆破臺階高度確定為H=10 m。國內礦山超深h=0.5～3.6 m，這里前排取1.0 m，后排取0.5 m。各爆破參數按式（1）～式（5）進行計算：

式中，L為垂直深孔孔深，m；H為臺階高度，m；h為孔超深。

式中，W1為底盤抵抗線，m；α為臺階坡面角，本工程一般為 65°～75°；B為從鉆孔中心到坡頂線的安全距離，本工程取B≥1.2 m，計算得到W1=4.0 m。

式中，a為炮孔間距，m；m指炮孔密集系數，這里取1.1；可得，a=4.5 m，多排孔起爆的排距b與孔網布置和起爆順序等因素有關，本工程取 b=4.0 m。

式中，l2為填塞長度，m；則l2=3.0 m。

單位炸藥消耗量受炸藥特性、巖石可爆性、自由面條件、起爆方式和塊度影響，可按巖石堅固性系數參照表2選取[9]。本工程考慮循環爆破效應，巖石較松軟破碎，取q=0.35 kg/m3。

單孔裝藥量按 Q=q·a·W1·H （5）

則Q=63 kg。

表2 單位炸藥消耗量q值

采用毫秒延時起爆網路降低爆破振動對邊坡穩定的擾動，選用非電導爆管起爆系統，導爆管、塑料反射四通套管連接元件和導爆管雷管連接見圖1。為保證孔內2#巖石乳化炸藥可靠起爆及穩定爆轟，每個炮孔放兩個起爆雷管。孔內采用9段310 ms、排間采用3段50 ms延期雷管，逐排起爆，網絡連接示意見圖2。主要爆破參數見表3。

圖1 導爆管-塑料四通連接示意

3 爆破振動監測分析

爆破振動測試儀器采用TC-4850爆破測振儀及配套的速度傳感器，監測時各測點須固定在基巖上[10]。

1#、2#、3#、4#、5#測點沿邊坡走向布置在不同平臺上，如圖3所示，由于篇幅有限，僅列出其中的8次爆破、3個測點的測試數據，爆破水平均為1150 m水平，見表4，爆源位置見圖3。

表4 爆破振動測試數據

圖3 西幫剖面振動測試點布置示意圖

爆破振動速度根據《爆破安全規程》（GB6722-2014）中薩道夫斯基經驗公式計算：

式中，V為測點處的爆破振動速度；Q為最大一段起爆藥量，kg；R為測點至起爆中心距離，m；K、α均為與地形、地質條件有關的衰減系數。

利用上式對表3中數據回歸分析計算得到：相關系數γ=0.89；衰減系數與指數K=238，α=1.93；邊坡質點振動速度計算式為V=238(Q1/3/R)1.93，這里忽略了高程放大效應。

4 邊坡爆破振動安全控制標準

邊坡體或其他建構筑物對爆破振動的響應受諸多因素有關，不同保護對象對爆破振動速度的安全閾值仍以學者實踐與統計分析獲得的經驗值為主，目前國內外多以質點振動速度作為邊坡抗擾動能力的衡量標準。陳明、盧文波等[11]研究建議的爆破損傷質點峰值振動速度判據如表5所示；韓光博士總結國內外學者的研究成果，將礦山邊坡為斑巖、頁巖、石英質中長巖結構的質點峰值振動速度臨界值列于表6。

本文研究選擇安全振動速度法評價爆破振動對邊坡穩定性的影響，前期有關設計研究機構分別用 Ordinary、Bishop、Janbu、Morgenstern-Price四種方法對西幫現狀邊坡的穩定性系數進行了計算，結果列于表7。

表5 巖體爆破損傷質點振動速度

表6 礦山邊坡質點峰值振動速度臨界值 /(cm/s)

表8 現狀邊坡的穩定系數計算

結合表6和表7，考慮爆破的累積損傷效應，確定本論文所監測以及計算剖面所對應的坡腳處的最大允許振速是12 cm/s。從表3中的監測數據來看，質點爆破振動速度均小于邊坡允許振速 12 cm/s，說明目前采用的爆破方案是可行的，按照該安全判據，可根據不同爆心距離反算一次爆破最大藥量，調整優化爆破方案。

5 結 論

圍繞某礦山西幫的地形地質特點，包括已經出現的滑移帶、巖層結構以及巖體強度特性，進行了爆破方案設計，并對爆破振動數據進行監測及統計分析。

（1）利用薩道夫斯基公式回歸分析得到布沼壩西幫邊坡質點的爆破振動速度預測計算式為V=238(Q1/3/R)1.93。

（2）根據現有研究成果和礦山穩定性系數確定了邊坡的安全允許振速12 cm/s，以此可優化爆破方案，為類似礦山高邊坡穩定性治理提供參考。