爆破测振及位移监测对边坡的综合控制研究*

2013-08-25李昌存郭彦辉王长军王世龙

金属矿山 2013年4期

李昌存郭彦辉王长军王世龙谢行

(1.河北联合大学矿业工程学院;2.南芬露天铁矿;3.本溪钢铁(集团)路桥建设工程有限公司)

矿山滑坡、崩塌及斜坡崩坍等灾害每年使露天采矿工程多方面受害［1］。特别是随着露天矿山的开采方式由山坡开采转向凹陷开采，矿山边坡的垂直高度不断增加［2］，再加之矿山每天的爆破振动对边坡体稳态的影响，严重制约着矿山的安全可持续开采。虽然国内外众多学者对露天矿山边坡稳定性进行了许多探讨，但还是有许多问题得不到有效处理，因此在矿山开采前和开采过程中，必须加强对采场边坡的控制，实时掌握边坡稳态情况，以便对矿山采场采掘决策做出有效调整。

本研究基于本钢集团南芬露天铁矿工程实例，结合高精度、高灵敏度的爆破测振仪和地表位移监测点对边坡的综合控制，对矿山实现24 h连续监测，掌握边坡稳态特征，从而指导矿山采掘决策。

1 原理及规律分析

1.1 爆破振动测试原理

炸药在爆破时，对围岩会产生巨大的冲击力，使周围的岩石破坏甚至变成小碎块，炸药爆炸时的能量一部分破碎岩石，而另一部分则转化成地震波通过岩体周围各种介质向着四周传播［3-4］。爆破产生的地震波不仅种类多，而且它的传播过程也非常繁琐，再加上传播介质也不尽相同，所以，通过理论模型描述并计算爆破震动参数是很难做到的，而且其现实意义也不大。故而，许多工程通过现场测试，获取每次爆破时产生的地震波时程曲线，再运用一些数学方法计算爆破震动参数及其衰减规律，进而求解震动对边坡稳定性的影响系数，判定影响程度。

1.2 爆破地震波衰减规律分析

爆破地震波在每个地层中的传播过程是复杂的，其中影响地震波传播及震动效应的因素也是很多的，例如炸药的性能、装填的药量、装药的结构、起爆方式和爆破所处的地形地质条件等等［5］。

(1)不考虑高差因素的振速衰减。分析爆破震动传播规律，研究者们大多数利用质点振速或加速度的最大值、炸药药量、相差距离等之间的相互关系来表示，现在国内大部分学者采用由萨道夫分析总结出的经验公式，即

式中，β为高差因素影响指数，可据监测数据回归求得;R/S为斜距R和水平距离S之比，也就是高差影响基本系数。

运用多元回归分析法，求出k、α、β值就可以得出爆破地震波的衰减经验公式。

1.3 位移监测基本原理

矿山边坡地表位移极坐标测量法是测量中一种比较实用也比较常用的观测方法，它就是通过将仪器架设到己知坐标的稳定点上，通过利用己知点来定向，观测未知点的水平角、垂直角和斜距，通过这些观测量和己知点数据来求得未知点的三维坐标，如图1所示。

式中，V为质点的最大振速，cm/s;Q为最大段药量，kg;R为爆心距，m;k、α为场地影响系数，其数值经回归求得。

(2)考虑高差因素的振速衰减。在许多监测地震波的工程实践中发现:监测点正好在爆心上方时，高差因素的影响使该监测点振动速度值偏大，高差数值过大时监测点的振动速度变化值也会变得很明显，并且偏离程度与高差成正比关系。而式(1)并没有把高差因素对地震波的影响考虑其中，若把高差值嵌入式(1)中可得到

图1 极坐标法原理

已知点 A、B 的坐标分别为 XA、YA、HA和 XB、YB、HB，未知点C的坐标假设为XC、YC、HC，则BA方向的方位角为

而BC的方位角为

那么C点的坐标可以计算出来:

式中，DBC为B、C两点之间的平距，可以通过斜距L和垂直角θ来计算:

C点的高程可以通过三角高程的方法来求:

式中，Qh为仪器高;ah为棱镜高度。

2 灾害综合控制实例

2.1 爆破监测控制

为了对南芬露天铁矿边坡进行有效的灾害控制，建立了完善的“危险边坡爆破振动监测系统”，该系统由4台爆破测振仪构成，其中3台是TC－485系列。危险边坡爆破振动监测系统对每天采场爆破振动场进行数据采集及曲线记录、分析。选取2012年6月8日的振动监测数据，对矿山下盘430 m台阶北侧的32#监测点进行了爆破振动数据采集，监测数据如表1所示，监测曲线如图2所示。

表1 监测数据

图2 32#监测点振动曲线

本次爆破32#测点振动速度最大值为0.081 cm/s，频率6.547 Hz。按照《爆破振动安全允许标准》，本次爆破对钢筋混凝土结构房屋及边坡没有太大影响，属于安全允许振速范围内。但是其对边坡稳定性是否安全，还是一个未知数，地表微变形和内部损伤程度不得而知，必须结合地表变形监测数据进行联合系统分析。

2.2 地表位移监测控制

2009年，南芬露天铁矿引进TCA系列全自动全站仪，并建立了采场边坡地表位移全自动监测系统，该系统能够自动完成测量周期、实时评价测量成果、实时显示变形趋势等智能化的功能，可24 h连续对监测目标实施监测。

为了获取爆破前后危险边坡岩体的变形特征，2010年在危险边坡表面建立了多套地表位移监测系统。选择距离2012年6月8日爆破点最近的42#地表位移监测点进行监测数据分析，图3是430 m台阶南侧的42#监测点监测曲线。

图3 2012年42#监测曲线

通过监测曲线可以看出，工程爆破发生后，边坡地表岩体发生了显著的变形，历时16 d，累计变形量达到1 000 mm。由于该区域2个月内并未进行任何开采、扩帮和回采工程，因此可以判定本次显著变化主要是由于附近工程爆破应力场产生的边坡扰动。按照斋藤理论，将42#监测点演变过程划分为3个阶段，具体描述如下:

(1)稳定阶段(A－B)，此阶段历时约为40 d，累计位移增长小于10 mm。

(2)加速突变阶段(B－C)，约为10 d，在较短时间内发生较大的位移变化，累计位移增长650 mm，主要原因是由于工程爆破引起。

(3)减速上升阶段(C以后)，此阶段一直持续到2012年6月24日，上升速率明显减慢，边坡岩体内部力学达到另一个平衡点。这证明爆破振动应力波对南芬露天铁矿绿泥角闪片岩边坡的影响期为15 d左右。