爆破振动对上游式尾矿坝安全的影响*

吕淑然 王冀飞

(首都经济贸易大学安全与环境工程学院)

尾矿库是矿山重要生产设施，同样也是人造具有高势能的危险源，当库容或坝高达到一定级别时则成为重大危险源。尾矿库的安全运行直接关系到下游的工矿企业、居民人身财产的安全［1］。由于种种原因矿山尾矿库紧邻矿山采场而建，爆破振动对尾矿库的安全是否存在不利影响，如何评估爆破振动影响，在实际生产中如何控制爆破振动规模和爆破振动强度，目前，我国《爆破安全规程》和《尾矿库安全技术规程》中均无相应规定。因而，这一问题一直困扰着矿山企业和安全生产监管部门，同时也是矿山科技工作者十分关心的热点难点问题。

振动用于处理砂土地基以及软土地基基础，防止砂土在地震作用下产生液化，这方面取得了大量研究成果［2-3］。对于尾矿库抵抗天然地震研究资料十分丰富［4］，在《尾矿库安全技术规程》中也有相应标准可循。然而，对矿山采场爆破振动对尾矿坝安全影响的研究十分少见。

1987年，金堆城钼业公司与中国水利水电科学研究院协作，采用抛掷爆破加固该公司木子沟尾矿坝，爆破加固设计爆破振动速度安全标准为9 cm/s，而实测右坝肩、坝顶和坡脚处垂直振动速度达到21.87、11.3和19.72 cm/s，相当于自然地震7度以上。尾矿库滩面质点振动速度为3.22～3.93 cm/s。从宏观看，尾矿坝未出现垮塌、明显位移和沉降，尾矿库滩面未出现冒砂、喷砂等液化现象［5］。王安民、任生林［6］认为，对于堆石坝，爆破振动垂直质点速度安全控制标准为6～8 cm/s，对于尾矿堆积坝，爆破振动垂直质点速度安全控制标准应为3～4 cm/s比较合适。

本研究通过实测承德市某矿业公司采场爆破在其尾矿库基础坝处的振动加速度，并以相关技术处理，以期得到爆破振动对尾矿坝影响的安全判据。

1 尾矿库及矿山采场简介

承德市某矿业公司尾矿库堆积坝高度为70.0 m，总坝高为88.0 m，尾矿堆积坝坝顶长约750 m，呈不规则折线形。尾矿库全库容为1 300万m3。尾矿库初级坝坝高18.0 m，坝顶宽约6.0 m，坝顶全长约166.0 m，外坝坡坡比1∶2.5，内坝坡坡比1∶2.0。初期坝上下游坡脚处设置排渗棱体，坝基底部通过排渗盲沟将其连通。尾矿堆积坝的外坝坡比见表1。

矿山经多年开采现已进入封闭圈以下开采，采场南邦距尾矿库初级坝最近距离为130 m。矿山采矿方式为露天台阶式开采，中深孔爆破，爆破规模在10～20 t，爆破方式为逐孔爆破技术，矿山采规模为1 500万t/a。

表1 某矿业公司尾矿库现状尾矿堆积坝体外坝坡比

2 尾矿库有限元模型

选取尾矿库与采场距离最近且坝体的坡比最大的剖面，作为尾矿库坝体稳定最不利断面，即只要此断面满足安全要求，则可认为整个尾矿库都处于安全状态。为了较少计算负荷，且保证计算结果的准确性，模型长度为尾矿坝外坡面投影长的3倍长度，尾矿库有限元几何模型示见图1。模型材料参数见表2。

图1 尾矿库有限元几何模型

表2 模型材料参数

3 采场爆破振动测试

有限元计算采用的爆破振动波来自实际爆破作业过程中，在尾矿库初期坝测得的最大垂直质点振动加速度信号的记录数据如图2所示，其幅值达到了0.067g，对应的振动速度为3.4 cm/s。

实测爆破振动时对三向振动加速度同时进行了监测。实测表明:采场爆破垂直振动方向的振动加速度远大于其他两向振动加速度，从量值上垂直振动强度完全可表征整个爆破振动强度。此外，《爆破安全规程》也以垂直质点振动速度作为安全判据。因此，将以垂直振动加速度作为爆破振动载荷进行加载。计算将实际爆破振动波变幅后作为激励加载到模型中，研究尾矿坝在不同爆破振动强度下的动力响应。输入爆破振动激励幅值为实测爆破振动加速度最大幅值的1～8倍。

图2 初级坝处加速度波形

4 有限元计算结果

4.1 安全系数分析

将实际爆破振动波变幅后作为激励加载到模型中，爆破振动作用下尾矿坝动力响应首先反映在尾矿坝的抗滑稳定性上，图3为典型尾矿坝抗滑稳定系数计算图。图4为爆破振动幅值与尾矿坝抗滑稳定系数间关系曲线。

图3 尾矿坝抗滑稳定系数典型剖面

图4 爆破振动幅值变化与尾矿坝抗滑稳定系数间关系曲线

当振动加速度=0时，相当于静态情况下的安全稳定系数，即无爆破振动作用。由图4可以看出，随着振动强度的加强，尾矿坝的安全稳定系数呈现出先缓慢增大，当爆破振动幅值超过0.335g后，安全稳定系数迅速降低。此时输入5倍振动强度时即加速度为0.335g，安全稳定系数可达1.84，较无爆破振动作用时安全稳定系数增加了13%。而当输入振动幅值达到0.53g时，安全稳定系数降低到0.9，远低于《尾矿库安全技术规程》规定安全系数1.2。说明这样的振动速度尾矿库则出现垮坝危险。

由此可以认为，较弱的爆破振动，将有利于尾矿坝砂体排水、固结，使其抗滑稳定系数提高。当较强的爆破振动作用尾矿坝时，尾矿坝抗滑稳定系数降低，同时会出现液化或坝体出现垮塌、裂缝等破坏现象。

4.2 孔隙水压力分析

爆破振动作用下的尾矿坝动力响应还表现在砂体液化上，表征液化的主要参数为孔隙水压。图5为典型孔隙水压力计算等值面云图。

图5 孔隙水压力计算等值面云图(单位:kPa)

图6 为爆破振动幅值与孔隙水压力变化曲线。当振动加速度=0时是静态情况下的最小孔隙水压力。由图4可以看出，整个曲线出现2个拐点。第1个拐点是由静态转为动态时的孔隙水压力迅速增加。当振动加速度由0.067g增加到0.268g时，即4倍加速度时，孔隙水压力仅增加了0.1 kPa，孔隙水压力变化不大。当振动加速度大于0.333g后，孔隙水压力曲线变化显著，当达到8倍加速度即0.536g时，孔隙水压力达到－202 kPa，相对1倍加速度时的空隙水压力增加0.44%，相对加速度0.333g时，即5倍加速度时，孔隙水压力增加0.7 kPa，增长率为0.35%。

图6 孔隙水压力的变化

4.3 剪切应力分析

与液化对应的是砂体的剪切力，图7为典型最大剪切应力计算等值面云图。图8为振动加速度与最大剪切力关系曲线。

图7 典型最大剪切应力计算等值面云图(单位:k Pa)

图8 振动加速度与最大剪切力关系曲线

由图8可以发现，剪切力是随着振动强度的加强而呈现先增大，而后逐渐减小的变化关系。拐点发生在4倍加速度，即0.266g，相应振动速度为13.6 cm/s。由孔隙水压力与砂体剪切力关系可判断液化是否发生，当超孔隙水压力与平均有效固结应力之比大于0.8时，可认为尾矿砂达到了初始液化的标准。由此可见，剪切力的减小，对尾矿砂的稳定性是不利的。

综上所述，爆破振动对尾矿坝安全影响是存在的，并且存在临界值，当振动强度小于临界值时，振动对尾矿坝稳定是有益的，当振动强度大于临界值时，振动对尾矿坝的稳定和安全将构成一定威胁。以承德市某尾矿库为研究背景，通过有限元计算，综合安全稳定系数、孔隙水压力和最大剪切应力的变化，爆破振动临界加速度为0.266g，对应的振动速度为13.6 cm/s。若考虑应留有3倍以上安全储备量，则安全允许振动加速度为0.089g，振动速度为4.5 cm/s。

5 结论

(1)随着振动加速度的幅值不断加大，尾矿坝的安全系数和尾矿砂剪切应力均服从先增大后减小的变化趋势。抗滑稳定系数拐点出现在加速度0.333g，而最大剪切应力出现在0.266g，对应质点垂直振动速度分别为13.6和17 cm/s时。对应的孔隙水压力也在加速度达到0.333g时开始快速增大。

(2)爆破振动对尾矿坝安全影响存在临界值，当振动强度小于临界值时，振动对尾矿坝稳定是有益的，当振动强度大于临界值时，振动对尾矿坝的稳定将是有害的。研究表明尾矿坝基础坝处的爆破振动临界加速度为0.266g，对应的振动速度为13.6 cm/s。若留有3倍以上安全储备量，则安全允许振动加速度为0.089g，振动速度为4.5 cm/s。这一爆破振动允许安全速度判据对于类似尾矿库也具有参考意义。

［1］ 王国华，段希祥，庙延钢，等.国内外尾矿库事故及经验教训［J］.科技咨询，2008(1):23-24.

［2］ 龚晓南.地基处理手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［3］ 俊 童，周 健，李进军.爆炸法加固饱和粉细砂地基的试验研究［J］.地下空间与工程学报，2005，1(3):390-396.

［4］ 潘建平.尾矿坝抗震设计方法及抗震措施研究［D］.大连:大连理工大学，2007.

［5］ 刘浩元，王安民.爆破法固坝的震动及液化反应［J］.工程爆破，1997，3(3):65-68.

［6］ 刘浩元，任生林.爆破法加固高险尾矿坝［J］.金属矿山，1990(4):33-37.