爆破振動對米拉多銅礦邊坡穩定性的影響分析

雷丁丁

（中鐵建銅冠投資有限公司）

露天采礦生產作業中，爆破是主要工藝之一，而頻繁的爆破振動對邊坡穩定性的影響較大。一般來說，其影響主要表現在2 個方面［1-2］：一是爆破振動不斷地作用在邊坡巖體上，使巖體產生損傷，巖體原生節理逐漸擴大，破壞了巖體的完整度，使得邊坡巖體強度降低，導致形成后沖破裂、頂部裂縫、表面巖石松動、掉塊等典型破壞；二是爆破振動引起的慣性力增加了邊坡下滑力，降低了邊坡的安全系數，最終導致邊坡滑塌、垮落。國內學者在爆破振動對邊坡穩定性的影響方面做了許多研究。李祥龍等［3］針對爆破振動對邊坡作用機理，引入了爆破振動的動力效應；劉禮福等［4］利用邊坡巖體動態應力比系數對某礦露天采場進行了穩定性分析；陳明等［5］提出了邊坡極限平衡分析的等效加速度計算方法，用來分析爆破振動對邊坡穩定性的影響。

本文以現場實測數據為基準，通過研究爆破產生的地震波傳播規律，從而確定爆破振動對邊坡的影響程度，提出了臨近邊坡爆破的最大段藥量；通過動態應力比以及等效加速度計算方法，確定爆破振動對米拉多銅礦邊坡巖體以及整體邊坡穩定性的影響，為邊坡防護提供依據。

1 礦山概述

米拉多銅礦位于厄瓜多爾東南部的薩莫拉欽奇佩省，距離首都基多市約340 km。米拉多銅礦設計生產規模2 000萬t/a，礦山總服務年限30 a，最高開采標高1 680 m，最低開采標高705 m，邊坡最高975 m，并段臺階高度30 m，臺階坡面角65°，最終邊坡角37.3°～44.1°。采場范圍內沒有大的斷層，結構面以Ⅳ級為主，對整體邊坡穩定性影響較小。組成邊坡的巖體以花崗閃長斑巖、花崗閃長巖、角礫巖為主，邊坡地質結構類型為碎裂巖體邊坡、塊狀巖體邊坡，花崗閃長斑巖以Ⅳ級為主，角礫巖以Ⅲ級為主，花崗閃長巖以Ⅱ級為主。

2 爆破振動測試及分析

爆破振動參數采用高精度NUBOX-8016 型爆破振動智能監測儀測試，根據現場生成爆破的實際情況，測點的布置采用固定測線法。

由于生產爆破集中在+1 220～+1 290 m 臺階，此區域分布有花崗閃長巖、角礫巖、花崗閃長斑巖，并組成終了邊坡的主要巖性，選擇在此區域進行爆破振動監測點布設。爆破振動測點的布置形式如圖1所示。

爆破振動速度采用薩道夫斯基經驗公式進行回歸分析計算［6］：

式中，R為爆心距，m；Q為炸藥量，齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg；V為爆破振動速度，cm/s；K，α為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，通過現場試驗確定。

現場實測爆破振動數據見表1（以花崗閃長斑巖為例）。對爆破振動速度、最大段藥量、爆心距依據式（1）進行擬合，見圖2，K、α，振動回歸參數見表2。

3 爆破振動對邊坡穩定性影響分析

爆破振動對邊坡穩定性的影響體現在對邊坡巖體以及邊坡整體穩定性2個方面，工程上常通過爆破振動質點速度進行判斷以及控制。因此，可以通過爆破振動質點速度、DSR對應的巖體破壞特征以及安全系數來分析爆破振動對邊坡穩定性的影響。

3.1 爆破振動質點速度控制

在整個露天礦山生產期間，爆破作業不斷，邊坡受爆破作用影響更大。為最大限度減少爆破振動對邊坡巖體的損傷，國家相關標準［7］以靠幫邊坡爆破振動質點不大于24 cm/s 作為限定，并且采取控制爆破方法。為保證靠幫邊坡最大振動速度不超過限定速度，根據米拉多銅礦露天采場不同巖體的爆破振動速度衰減規律，確定臨近邊坡及靠幫爆破的允許藥量以及控制爆破方法，見表3。

由表3可知：

（1）為滿足臨近邊坡質點振動速度不大于24 cm/s的要求，Ⅳ級花崗閃長斑巖最大段藥量遠小于Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖。

（2）距離邊坡15～20 m 時，Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖最大段藥量有所不同。20～25 m、25～30 m 時，Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖最大段藥量相同。

（3）Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖臨近邊坡時最大段藥量相近，與Ⅳ級花崗閃長斑巖相差甚遠，與其爆破振動速度衰減規律相關。

3.2 爆破振動影響下巖體破壞特征

爆破振動速度對巖體穩定產生的影響不僅與巖石本身強度相關，而且與巖石周圍工程地質因素有關。文獻［4］引入了動態應力比DSR來描述爆破振動對邊坡巖體的影響，其原理如下：

式中，σD為爆破在巖體產生的動態應力，Pa；k為巖體質量指標，即RQD值；σt為巖體動態抗拉強度，MPa；ρ為巖體密度，kg/m3；c為巖體彈性縱波速，m/s。

DSR可以表征爆破振動引起的巖體損傷程度和破壞的類型，見表4［4］。

米拉多銅礦邊坡巖體主要由Ⅳ級花崗閃長斑巖、Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖組成，其與動態應力比有關的巖體力學參數見表5。

根據表3，Ⅳ級花崗閃長斑巖、Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖爆破最大振動速度為22.17、23.43、23.65 cm/s，結合表5 巖體力學參數，根據式（2）可計算得DSR，對比表4，米拉多銅礦邊坡巖體破壞特征見表6。

由上述可知：①爆破振動作用下，Ⅳ類巖體花崗閃長斑巖邊坡巖體出現崩塌、掉塊現象概率極大；②爆破振動作用下，Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖邊坡巖體出現無損傷破壞現象；③爆破振動對邊坡巖體的影響，與爆破振動速度、巖體性質相關。

3.3 爆破振動影響下邊坡整體穩定性等效加速度分析

根據上文分析，爆破振動對米拉多銅礦花崗閃長斑巖邊坡具有破壞效應，為確定其對邊坡整體穩定性的影響，本節采用等效加速度的方法進行分析，可按下式［5］計算：

式中，a為等效加速度；b為等效加速度的頻率影響系數，取1.05～1.20，頻率高時取大值；f，af分別為振動頻率和加速度，為現場實測值。

根據國家相關標準［7］，爆破振動加速度與速度的關系如下：

臨近花崗閃長斑巖邊坡時，最大爆破振動22.17 cm/s，頻率f取17.7 Hz，b取1.1，則米拉多銅礦花崗閃長斑巖邊坡的等效加速度為1.05 m/s2，擬靜力法爆破綜合系數為0.027。經過計算，米拉多銅礦花崗閃長斑巖邊坡整體安全系數為1.223，大于規范［7］規定的1.18，邊坡整體穩定。爆破振動對米拉多銅礦花崗閃長斑巖邊坡巖體具有破壞效應，會出現崩塌、掉塊現象，對邊坡整體無影響。

4 結論

（1）為滿足臨近邊坡質點振動速度的要求，Ⅳ級花崗閃長斑巖最大段藥量遠小于Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖；Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖最大段藥量相近；與各巖體爆破振動速度衰減規律相關。

（2）爆破振動作用下，Ⅳ類巖體花崗閃長斑巖邊坡巖體出現崩塌、掉塊現象概率極大；Ⅲ級角礫巖、Ⅱ級花崗閃長巖邊坡巖體出現無損傷破壞現象；爆破振動對邊坡巖體的影響，與爆破振動速度、巖體性質相關。

（3）爆破振動對米拉多銅礦花崗閃長斑巖邊坡巖體具有小規模的破壞效應，對邊坡整體無影響；在生產過程中，以防護花崗閃長斑巖邊坡巖體崩塌、掉塊為主。