爆破振動對臨近尾礦壩的影響分析

劉夢 王晶晶 蒙萌 史秋波

[關鍵詞]爆破振動；尾礦壩；數值模擬；穩定計算

0引言

隨著國民經濟水平的不斷提高，能源需求明顯增加，采礦行業得到了飛速發展。露天礦山開采利用的規模也不斷擴大。因資源、環境、征地等因素的影響，采區面積逐漸擴大，爆破振動對臨近尾礦壩帶來的影響和產生的問題也愈加難以忽視。

爆破作業是露天礦山開采過程中不可或缺的一環，具有持續時間長、頻率高、爆破藥量大等特點，但也可能給周圍環境帶來潛在的危害。而尾礦壩是礦山建（構）筑物中的重大危險源，具有高危性。爆破可能使臨近尾礦壩液化、失穩甚至潰壩。因此，深入研究爆破作業產生的振動對附近尾礦壩的影響，對于確保礦山安全至關重要。

針對這一研究課題，許多學者通過現場監測或數值模擬的方法做了分析，以此研究爆破振動對尾礦壩的影響。何方維等研究了露天采場爆破與尾礦庫的交互影響：柴衡山等針對臨近尾礦壩爆破的現象，根據薩道夫斯基經驗公式對不同振速控制標準下的安全距離與允許最大起爆藥量進行了估算。

但是，上述研究中也存在一定的不足。首先，因GB6722-2014《爆破安全規程》中爆破振動安全允許質點振速中未明確保護對象為尾礦壩時的允許標準值，各學者選取的最大允許振速并不相同。其次，GB39496-2020《尾礦庫安全規程》中對特殊運行工況的抗滑穩定最小安全系數有相應要求，爆破方案設計中應對尾礦壩進行抗滑穩定性計算。若直接選取現場監測的振動數據作為特殊工況的輸入載荷進行穩定計算，只能判定經歷當前爆破后的尾礦壩狀態，無法在設計階段判斷尾礦壩的穩定性。

針對上述不足，本文中，提出薩道夫斯基公式與數值模擬相結合的方法，分析爆破振動對臨近尾礦壩的影響。首先，在臨近尾礦壩附近采用小孔裝藥試驗的方式得到相應的振速數據，并進行回歸分析，確定薩道夫斯基公式中的參數：再利用此公式計算出爆破設計方案中的最大振速：然后，將試驗采集的振速信號進行希爾伯特一黃轉換（HHT）后得到頻譜，初步判定最大振速是否滿足要求；最后，將振速信號數值微分轉化成加速度信號，并作為輸入源輸入到數值模型中，分析相應爆破參數下的尾礦壩穩定性和壩體的振動響應。通過尾礦壩穩定性的變化趨勢，確定尾礦壩安全允許質點速度，并判斷壩體峰值振速是否滿足要求。

1實例分析

1.1工程簡介

某公司計劃對采區東北側的一山梁邊坡進行爆破削坡處理。該公司所屬尾礦壩壩腳距待削坡的山梁直線距離為340m，山梁頂部高于壩腳約32m。此區域主要地層為太古界單塔子群白廟組（Arb）和第四系上更新統（Q3）、全新統（Q4）。主要巖性為角閃斜長片麻巖、斜長角閃巖，片麻理產狀為：北東傾向，傾角30°-50°。

該尾礦壩壩頂標高約為747.2m。初期壩為土石壩，壩高10m；堆積壩為尾砂堆積而成的壩，壩高39m。總壩高為49m，堆存尾砂量約為50萬m3，等別為四等庫。壩內已無水。

在爆破設計初步方案中，采用中深孔微差爆破，孔徑250mm，鉆孔深度為12.0m，超深為2.0m，并采用雙排孔交錯布置的方式進行爆破作業。孔網參數為：孔距6.1m，排距5.3m，炸藥單耗0.79kg/m3，單段最大裝藥量為255kg。采用連續裝藥，每孔裝藥量255g，炮孔填塞長度5.5m。采用導爆管雷管分段起爆系統。孔內外毫秒起爆網路中，孔內用高段位雷管，孔外用低段位雷管。臺階推進方向由西至東。

1.2試驗方案

為研究爆破振動對臨近尾礦壩的影響，進行5組爆破試驗，如表1所示。5組爆破試驗的爆心距、單段最大裝藥量均不同，其余爆破參數與采區爆破方案一致。單段裝藥量分別為10、20、30、40 kg和50kg。采用TC-4850型爆破測振儀（成都中科測控公司），使用石膏將傳感器和尾礦壩穩定土層接觸部分粘貼牢固。共布置5個測點。其中，測點1#在初期壩腳外約23m處：測點2#在初期壩壩腳處；測點3#位于初期壩壩頂：測點4#位于堆積壩標高730m平臺；測點5#位于堆積壩壩頂。

1.3試驗結果

測得的典型振速（試驗I中的測點1#，尾礦壩主溝的方向）曲線如圖l所示。不同測點的最大振速結果見表1。

式中：u為質點峰值振速；K為與爆破作用條件、地形地質條件有關的爆破振動系數：a為與爆區至測點間的地形、地質條件有關的爆破振動衰減指數；Q為最大單段藥量；R為測點至爆源的距離。

將表1中的測試數據代人式（1），進行線性擬合，最終可得振動系數K=214.93、振動衰減指數a=1.716。擬合結果如圖2所示。

根據擬合出的薩道夫斯基公式計算，爆破設計方案下尾礦壩測點1#的峰值振速為0.261cm/s、測點2#的峰值振速為0.232cm/s。

分析各振速的頻譜，得到爆破振動主頻f在0～50Hz之間。在GB6722-2014《爆破安全規程》中，建議露天深孔爆破選取的振動主頻在10～60Hz之間，二者基本一致。典型振速曲線的頻譜如圖3所示。

參照GB6722-2014《爆破安全規程》中規定的各類保護對象最小的安全允許質點速度，在振動主頻為10Hz

2數值模擬

2.1計算模型

采用Midas GTS建立三維模型。計算模型剖面以初期壩外壩腳為計算原點（0．0，0）。主溝方向為y向，主溝內側為正，y向最小處為測點1#位置；x向以面向壩外左側為正，x向最小處距堆積壩右側壩頂約為13m;z向以向上為正，z向最小處比初期壩壩腳低約24m。初期壩壩高10m，總壩高為49m。庫內浸潤線埋深約為5m。模型總長度為300m，寬度200m，高度373m；共有73944個單元，188698個節點。計算模型見圖4。圖4中，給出了尾礦壩各層的巖土情沉。

2.2計算方法

采用Mohr-Coulomb本構模型對尾礦壩進行穩定性分析，穩定計算方法為強度折減法。動力計算中，爆破載荷為放大后的加速度曲線，分析方法為時程分析法。

壩體抗滑穩定系數判斷標準是壩體材料進入塑性階段，且塑性區域貫通壩體。

2.3巖體力學物理指標

根據巖土工程勘察，尾礦壩各層的巖土技術參數如表2所示。

2.4邊界條件及爆破振動載荷

模型底部為固定邊界，頂部為自由邊界。靜力計算時，周邊為彈性邊界，彈性邊界用曲面彈簧定義。動力計算時，邊界為無反射邊界，具體系數計算公式如下：

5組試驗方案與爆破設計方案中，除裝藥量和爆心距外，其他參數（如布孔方式、鉆孔深度、裝藥參數等）基本一致。將試驗方案的振速信號作為基礎信號，按比例放大后，可近似模擬分析設計爆破方案下的爆破振動對尾礦壩的影響。測點1#位于模型y向最小處，是數值模擬時爆破載荷的輸入位置。因此，選取試驗I中的測點1#的振速信號進行比例放大處理。

根據薩道夫斯基公式計算爆破設計方案下，尾礦壩測點1#峰值振速為0.261cm/s;試驗I方案下測點1#的峰值振速為0.041cm/s;放大倍數為二者比值。經計算，放大了6.37倍。

將Midas GTS非線性動力分析中輸入的載荷作為加速度信號，模擬前需要對監測得到的速度信號進行微分轉化。轉化后，放大系數并未變化，但容易增加噪聲信號。因此，需要對轉化的加速度信號進行濾波和基線校正處理。處理后的信號可作為爆破振動載荷輸入到模型中進行計算分析。

為分析安全允許質點速度與尾礦壩壩體穩定安全系數間的關系，將輸入載荷最大振速逐步增加并進行穩定性計算，選取2種典型的工況進行詳細分析。其中，設計爆破方案下的爆破載荷作為工況a，初期壩壩腳振速閾值達到8cm/s下對應的爆破載荷為工況b。

工況a中，測點1#計算的峰值振速為0.261cm/s，經上述轉化后輸入的爆破載荷的最大加速度為0.240cm/S2，放大6.37倍。工況b中，測點1#計算的峰值振速為8.000cm/s，此載荷最大加速度為7.220cm/S2，放大195.12倍。

3模擬計算及結果分析

各工況穩定計算結果如圖5所示。

計算結果表明，在工況a下，壩體穩定安全系數Fs為1.33 >1.10;在工況b下，壩體穩定安全系數Fs為1.10 =1.10，均滿足GB 39496-2020《尾礦庫安全規程》中關于四等庫特殊運行工況下的抗滑穩定要求。

設計爆破方案條件下，貫通壩體的塑性區域位于堆積壩713.0m標高以上，此處為受爆破振動影響最大的區域。建議加強此區域的壩體檢測，確保在后續爆破削坡工程實施前此區域無變形、裂縫、滑坡和滲漏等現象，浸潤線埋深、外坡坡比等滿足設計要求。

將各振速閾值對應下的爆破載荷輸入到模型進行穩定性計算，可得到尾礦壩壩體穩定安全系數與安全允許質點速度閾值的關系曲線，如圖6所示。

分析圖6可知，在速度閾值為0時（即無爆破時），尾礦壩穩定性安全系數為1.33。隨著輸入載荷速度閾值強度的增加，速度閾值在3cm/s時，穩定性安全系數由1.33降低至1.30，降低了2%，整體變化不大。速度閾值在8cm/s時，穩定性安全系數由1.33降低至1.10，降低了17%。此時，穩定安全系數達到了規范要求的壩坡抗滑穩定的最小安全系數。

在爆速閾值小于3cm/s時，壩體安全系數變化不大；大于3cm/s后，尾礦壩體穩定安全系數驟降。此速度為安全系數變化的分界，將本尾礦壩安全允許質點速度取3cm/s。

在設計爆破方案下，初期壩峰值振速出現在0.36s，節點位于初期壩壩腳處，最大振速為0.220cm/s，滿足安全允許質點速度要求，如圖7所示。此節點處的振速響應曲線如圖8所示。

堆積壩峰值振速出現在0.47s，節點位于初期壩壩頂堆積壩壩腳處，峰值振速為0.157cm/s，如圖9所示。此節點處的振速響應曲線如圖10所示。

在爆破削坡工程實施過程中，對前述測點的振速進行了監測，實際監測數據和數值模擬對比結果如表4所示。

表4中，測點2#～5#的數值模擬結果誤差較小，實測值和模擬結果均小于本尾礦壩的安全允許質點速度3cm/s，說明本次爆破對尾礦壩穩定性的影響較小。

4結論

1）根據試驗方案監測的振動波形頻率表明：本次露天深孔爆破振動主頻在0～50Hz之間，模擬與《爆破安全規程》露天深孔爆破的振動頻率范圍基本一致。

2）采用薩道夫斯基公式分析試驗監測數據，可以得到公式中的參數K和a，將試驗得到的振動信號放大作為輸入源，可分析相應爆破參數下的尾礦壩穩定性和壩體的振動響應，能夠預測爆破設計方案條件下尾礦壩的最大振速。

3）分析尾礦壩在不同速度閾值下對應的穩定性，并通過尾礦壩穩定性的變化趨勢，可確定尾礦壩安全允許質點速度。在壩體峰值振速小于速度閾值時，可保證尾礦壩穩定性不受爆破振動影響。