露天礦山高陡邊坡爆破試驗及其振動影響規律研究

摘要：以位于西藏自治區達孜區章多鄉尊木采村的乾溝西礦為例，進行礦山高陡邊坡爆破振動試驗并研究其影響因素。選擇試驗區域和監測設備，建立數值模型，確定研究方法和步驟，通過爆破振動試驗獲取監測數據并進行了計算。分析爆破后的應力變化情況，深入研究露天爆破對邊坡表面的影響規律，進行邊坡表面組合振動速度對比，得出了露天爆破后各個時間段邊坡不同部位的等效應力變化曲線基本重合、其變化規律基本一致的試驗研究成果，為該礦區安全生產提供了理論依據。

關鍵詞：礦山高陡邊坡；爆破振動試驗；組合振動速度；應力變化規律

0" "引言

露天礦爆破時，會對圍巖造成較大應力擾動，其主要原因包括爆炸能量的瞬時釋放和震波的傳播。爆炸能量在短時間內集中釋放，爆炸部位周圍巖石遭受劇烈震動和高能量沖擊波，從而引起圍巖裂隙的擴展和應力擾動。這些應力擾動可造成圍巖破碎、裂縫擴展和巖體結構改變，進而導致礦山局部失穩和周邊環境受損。

許多學者采用數值模擬和現場試驗方法，探究了爆破對高陡邊坡的影響。如Rajmeny和Shrimali[1]對Rampura Agucha礦的多次爆破引起的上盤礦滑動進行監測，并擬合爆破振動預測方程。陶志剛等[2]利用遠程監測預警系統對邊坡進行連續監測，監測結果表明采用“機械槍”代替“爆破”的露天開采技術，有效降低了開采爆破對邊坡穩定性的影響。

當前的研究主要集中在露天爆破對巖質邊坡的影響，而對開采上盤礦邊坡影響的研究相對較少。基于此，本文根據實測爆破振動波數據，研究爆破振動波在高陡邊坡上的傳播途徑，建立高陡邊坡的數值模型，分析在露天礦爆破振動作用下高陡邊坡的影響規律。

1" "工程概況

乾溝西礦位于西藏自治區達孜區章多鄉尊木采村，距離拉薩市50km，距離墨竹工卡縣10km，距離達孜區30km。乾溝西礦區的石灰巖是生產水泥的原料，距離水泥生產廠約5.9km，石灰巖在礦山破碎后，采用膠帶輸送機運輸進水泥生產廠。礦石采取有序組織自上而下開采，按照15m階高，作業面寬度30～40m，逐漸并幫形成工作幫。采用中深孔爆破與預裂爆破相結合的爆破工藝。

2" "爆破振動試驗研究

2.1" "試驗區域和監測設備

2.1.1" "試驗區域

爆破振動試驗區域位于礦坑東坡標高2365礦區。這次爆破是為了向下開采到海拔2365m。爆破區域被2230平洞室、抽送設備、抽送管道等構筑物包圍，且靠近爆破區域。2108m臺階按要求從南到北沿邊施工。主孔間距為3m，排距為2.0m，井斜為70°。

2.1.2" "監測用儀器設備

爆破振動試驗采用NUBOX-6016型智能振動監測器，通過特殊的輸入信號線連接到TP3V-4.5型三維速度型傳感器。上述振動監測儀器設備的第一通道與水平x方向振動信號相連，第二通道與水平y方向振動信號相連，第三通道與垂直z方向振動信號相連。TP3V-4.5型三維速度傳感器是一種實用的振動測速傳感器，可以同時測量水平x、水平y和垂直z方向的速度，測量點位于斜坡腳下。

2.2" "建立數值模型

爆破振動產生的水平x方向和垂直z方向振動波對邊坡穩定性影響最大，因此在數值模擬中，將試驗采集到的x方向和z方向振動波信號同時加載到邊坡的有限元模型中進行分析。

選取乾溝西礦上盤礦的現有邊坡剖面進行研究。乾溝西礦上盤礦模型的長度為750m，寬度為600m，最大臺階高度為30m。為了模擬近坡爆破，爆破荷載的加載區位于模型的左邊界，距離底臺階腳12m處。上盤礦的數值模型如圖1所示，邊坡巖層的物理力學性能試驗參數如表1所示。

2.3" "研究方法和步驟

2.3.1" "采用低反射邊界法

本研究采用低反射邊界法，該方法基于波動在不同介質中傳播時遇到的邊界反射和透射規律，通過模擬地震波在地層內部和地下結構邊界上的反射、折射以及多次反射等現象，來推斷地下構造和介質的特性。低反射邊界法的基本原理，是利用模擬地震波在不同介質間傳播時的能量傳遞和反射規律，通過分析模擬地震波在地下結構中的傳播路徑和到達時間，從而推測出地下結構的形態、性質以及可能存在的變化。

2.3.2" 研究步驟

為了計算邊坡在不同工況下的力學特性，本研究設置了三個研究步驟：第一步，計算乾溝西礦開采前邊坡的地應力狀態；第二步，在第一步計算結果的基礎上，計算開采后邊坡的應力狀態；第三步，在前兩步的基礎上，計算爆破對乾溝西礦邊坡的影響，分析邊坡對爆破振動的響應特征。為了避免計算誤差較大，本研究在計算爆破動載荷時，選擇了生產爆破中爆破源測點附近的速度時程曲線作為爆破動載荷，僅選擇該測點的水平徑向和垂直振動率。

3" "爆破振動試驗的監測與分析

3.1" "監測數據與計算

3.1.1" "振動粒子速度計算

根據爆破安全規程，考慮最大裝藥量和離爆心距離對振動速度的影響，將現場實測數據與回歸公式進行對比分析。振動粒子最大三維合成速度的計算公式如下：

式中：V為振動粒子的最大三維合成速度（cm/s），k為爆點與地形條件相關系數（取值198.156），α為爆點與地質條件相關系數（取值1.836），Q為單段最大裝藥量（kg），R為測點到爆源的直線距離（取值0.923m）。

3.1.2" "現場實測結果

利用NUBOX-6016型爆破振動探測器對露天礦的3次爆破振動進行了監測。3種監測布置相似，均沿遠離爆炸震源方向依次布置4個監測點。現場實測爆破振動衰減回歸線如圖2所示。

3.1.3" "振動傳輸速率計算與分析

將實測的擬合參數帶入公式（1），得到振動傳輸速率的公式如下：

前期試驗可知，邊坡趾部爆破振動的最大三維合成速度為5.986cm/s。根據爆破安全規程，當主頻率大于10Hz、小于50Hz時，永久巖質高陡邊坡的振動傳輸速率取值范圍為7～11cm/s。因此對于永久巖質高陡邊坡而言，振動對其產生的影響可以忽略不計。然而乾溝西礦山為上盤礦，當前的爆破安全規程中，缺乏對這種上盤礦振動傳輸速率取值范圍的規定。因此為了研究上盤礦中爆破振動對其產生的影響，對該邊坡進行了數值模擬。

3.2" "爆破后的應力變化分析

為了研究露天爆破對邊坡的影響程度，分析邊坡范圍內的等效應力值隨爆破時間的變化規律。邊坡范圍最大應力值隨爆破時間的變化規律如圖3所示。從圖3可以看出，等效應力最大值出現在B區，且隨著爆破時間的變化而變化。在0s時的最大應力為33.94MPa；在0.093s時的最大應力為34.19MPa，達到峰值；在0.77s爆破結束時的最大應力為33.46MPa。

3.3" "露天爆破對邊坡表面的影響

3.3.1" "不同爆破時間邊坡表面等效應力變化規律

不同爆破時間邊坡表面等效應力變化規律如圖4所示。由圖4可知，不同的爆破時間對邊坡不同部位的等效應力變化曲線基本是重合的，其變化規律一致。

在邊坡坡腳，即坡面橫坐標為236m處，其坡面的等效應力達到最大值，此時的露天礦爆破時間為0s。邊坡表面等效應力在露天礦開孔爆破后瞬間達到最大值，并迅速衰減的現象，其主要由爆炸釋放的高能量和振動波在圍巖中傳播引起的復雜動態效應造成。爆炸瞬時釋放的能量在0s時刻迅速傳播到坡腳位置，造成此處圍巖受到劇烈沖擊而產生應力集中，表現為最大應力值達到20.39MPa。

隨著時間推移，振動波的影響逐漸減弱，0.3s、0.55s和0.8s時刻的應力值雖有所減小，但整體趨勢相似，仍然集中在靠近爆炸源的坡腳位置。這種變化規律反映了開孔爆破過程中，爆炸能量在短時間內對周圍巖石造成的強烈振動和應力擾動效應。

3.3.2" "等效應力變化規律

A、B、C、D（見圖1）四點等效應力的變化規律如圖5所示。由圖5可知，C點的應力最大，A、B點次之，D點最小。4條曲線均呈現出隨時間的增加，等效應力逐漸減小的趨勢。安全礦柱（C點）作為上盤礦邊坡系統的薄弱環節，在爆破振動波作用下表現出明顯的應力集中現象，主要源于其靠近爆破源并承受了直接沖擊波的影響。

在0s時刻，爆炸釋放的高能量導致震波迅速傳播到安全礦柱表面，使其承受到瞬時最大應力，C點達到18.5MPa，遠高于其他點位。這是因為安全礦柱處于爆破波的直接傳播路徑上，波能直接釋放在其表面，而其他點位由于處于波傳播的較遠位置，受到的沖擊波能量相對較小，因此應力值較低。在0.8s時刻，安全礦柱表面的應力值降至12.9MPa。其應力值減少后，仍比其他點位高出很多。這是因為雖然爆破波能量在時間上逐漸衰減，但是安全礦柱作為最近的接收點，仍然受到爆炸波在其周圍反射和折射導致的復雜波動效應的影響。

對比露天爆破前后發現，安全礦柱邊坡表面的應力無明顯變化，主要原因是安全礦柱作為礦山設計中的穩定性關鍵點，通常在設計階段考慮了其安全距離和結構支護措施，以減少其受到外部沖擊的影響。因此在爆破過程中，安全礦柱邊坡表面的應力變化相對較小，不會明顯超過設計的安全范圍。

3.4" "組合振動速度對比

邊坡表面不同爆破時間段邊坡表面的組合振動速度對比如圖6所示。由6圖可知，邊坡表面組合振動速度在0.325s時達到最大值，且邊坡表面組合振動速度的最大位置位于D點（見圖1），最大值約為6.87cm/s。根據爆破的相關規定可知，永久巖質高陡邊坡的振動傳輸速率取值范圍為7～11cm/s。因此當前爆破振動對該乾溝西礦邊坡的影響較小，上盤礦邊坡處于穩定狀態。

4" "爆破振動試驗結果

研究結果表明，露天礦爆破后的等效應力最大值出現在B區，峰值為34.19MPa，發生在0.093s；露天爆破后各個時間段邊坡不同部位的等效應力變化曲線基本是重合的，其變化規律基本一致；在爆破時間為0s時，邊坡坡腳即坡面橫坐標為236m處的等效應力值達到最大；在0.325s時，坡面組合振動速度達到最大值，且其位置位于D點，最大值為6.87cm/s。

5" "結束語

本文以乾溝西礦山原礦東邊坡為研究背景，通過數值模擬計算整個邊坡的應力變化和振動速度，研究了露天爆破振動對上盤礦邊坡穩定性的影響規律。

研究結果表明，爆破后的不同時間段，邊坡不同部位的等效應力變化曲線基本是重合的，其變化規律基本一致，其擬合函數關系正確，可作為預測該區域最大裝藥量和最小安全距離的基本準則。

參考文獻

[1] P. Rajmeny and R. Shrimali，“Use of radar technologyto establish threshold values of blast vibrations triggeringsliding of geological faults at a lead-zinc open pit mine，”International Journal of Rock Mechanics and Mining"Sciences， vol. 113， pp.142-9，2019.

[2] Z. Tao， C. Zhu， X. Zheng， and M. He， “Slope stability"evaluation and monitoring of Tonglushan ancient coppermine relics，” Advances in Mechanical Engineering，"vol. 10， no. 8， 2018.