某露天铁矿爆破振动对边坡的动态响应特征研究

张耿城，郭连军，贾建军，梁尔祝，董英健

(1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110870；3.鞍钢矿业爆破有限公司，辽宁 鞍山 114046)

0 引 言

随着国家基础建设和能源的大量需求，爆破技术由于效率高及经济效益可观而被广泛应用于岩土、矿上开挖、水利水电等工程当中。但是，在矿山开采过程中，爆破振动过程中产生的地震波对边坡的效应日趋明显[1]。针对爆破振动对边坡的稳定性，学者们从多个角度展开了研究。徐金贵等[3]通过设计边坡振动监测实验，表明了边坡形态、坡面角对地震波在边坡上传播具有较大的影响；吴超等[4]通过对高陡边坡的爆破振动监测，从信号分析角度分析爆破振动信号能量以及优势频率的分布特征。针对沿节理裂隙结构面滑动的岩体，LING等[5]采用拟静力的方法进行了稳定性分析，得到岩石边坡损伤演化规律。因此，有效地保证边坡的稳定性显得尤其重要，特别对露天矿边坡稳定性的研究和控制具有重要的实际意义。

1 工程背景

鞍钢矿业某露天矿是生产能力较大的矿山，年生产力达到750万t，并利用台阶深孔爆破来实现开挖，根据生产计划在+505平台进行爆破，但考虑到距离爆区107.8 m的边坡安全性，开展了对边坡的稳定性监测与研究工作。 该台阶设计高度为15 m，布孔个数达到127个，均采用三角形布孔，孔深为16.7 m,其中，孔距、排距为7 m×5.5 m，单孔最大起爆量为380 kg,孔间、排间延期时间分别为17 ms、42 ms。为了准确评价爆破对边坡的危害效应以及制定出，本文结合+505平台爆破开挖，研究爆破振动波在边坡上传播的规律，并结合FLAC3D软件建立边坡模型，分析岩石边坡在爆破振动作用下的速度位移的变化规律，对类似工程具有一定的参考意义。

2 边坡爆破振动监测方案

2.1 测点布置

岩石边坡的爆破振动监测设备采用中科院成都设计院生产的TC-4850测振仪，该仪器采样频率为8 000 fps，测量的频带宽度为5～200 Hz，测量的速度范围为0.001～34 cm/s,采样时间为2 s，内触平值为0.1 cm/s，三向传感器用石膏固定在基岩上，并且使传感器的X轴指向爆区方向，边坡的具体测点布置如图1所示。

2.2 爆破振动监测数据

本次共布置8个测点，其中，1#测点、3#测点、2#测点布置在+505平台，7#测点、6#测点、4#测点布置在+520平台，5#测点、8#测点布置+535平台，各点的监测数据见表1。

根据表1建立了水平切向、水平径向、竖直方向峰值振动速度与爆心距的关系。

图1 测点布置图Fig.1 Layout of measuring points

表1 测点监测数据Table 1 Monitoring data of blasting vibration

图2 峰值振动速度随爆心距的衰减规律曲线Fig.2 Attenuation curve of peak vibration velocitywith detonation center distance

由图2和图3可知，在低于临界爆心距内各个测点的三向振动峰值速度与爆心距呈负相关，总体上竖直方向的振动速度大于水平切向、水平径向的速度，最大峰值振动速度达到4.1 cm/s，即使最小的振动速度也达到了1.5 cm/s，接近于边坡振动速度的安全允许标准，严重影响边坡的稳定性，且速度衰减相对于其他两个方向较慢，应进一步将监测的竖直方向速度作为重点研究分析对象。建立靠近坡底、坡顶的2#测点、7#测点、5#测点、远离坡底、坡顶的1#测点、4#测点、8#测点的峰值振速与高程差的关系。由图3还可知，三向振动峰值速度随着高程的增加成衰减趋势，且坡顶测点的振动峰值速度大于坡底测点的速度，并没有呈现出高程的放大效应现象[6-7],反而与高程差成负相关，而对于+535平台测点的振动速度发生显著性变化，可见正高程差的存在并不一定导致边坡质点振速的放大效应，说明只有在高程差达到一定值时才可能有放大效应的情况发生。

图3 峰值振动速度与高程差之间的关系Fig.3 The relationship between peak vibration velocity and elevation difference

3 边坡监测信号能量的处理与分析

炸药爆炸时产生了一种必然产物——爆破振动波，随后以椭球状的形式向外界传播[8]。携带能量的爆破振动波传播过程中对周围介质产生了扰动直至破坏，而爆破振动地震波作为一种信号，认识其本质特征是分析爆破振动危害效应的基础，同时也是降低爆破振动对边坡损害的依据。爆破振动持续一定时间，其振动能量作用于爆区附近的边坡，使得边坡表现超过最大允许安全位移而发生破坏。因此为了准确评价边坡爆破振动能量的变化规律，对监测的边坡爆破振动信号进行Matlab处理，建立爆破振动信号能量与时间、频率之间的关系,如图4所示。

图4 三维能量谱Fig.4 Three-dimensional energy spectrum

由图4可知，爆破振动能量在相对高频带20～60 Hz分布较少。 绝大部分的爆破振动能量主要集中在频率0～20 Hz和时间0～0.5 s；但频带6～10 Hz对应的爆破振动能量较大，考虑到爆破振动对边坡的危害效应，合理采取微差时间，减少能量在低频带集中分布。

4 边坡数值模拟计算与验证

上文主要从试验角度分析了爆破振动对边坡的响应特征，为了弥补试验些许不足之处，展开了边坡响应的数值模拟研究。FLAC3D软件被广泛应用到模拟边坡对爆破振动的响应特征[9]。为进一步分析边坡在爆破振动下的响应特征，利用FLAC3D软件建立边坡的振动响应模型，分析岩石边坡对爆破振动响应规律。

根据露天矿开采设计以及现场调研，台阶的坡面角为47°，台阶高度为15 m，表层为全风化花岗岩，并含有散体状强风化花岗岩，其相关参数见表2。

表2 岩石的计算参数Table 2 Calculating parameters of rocks

根据所监测的现场实际情况，建立边坡模型(图5)，其中该模型水平方向为145 m，台阶高度为15 m，竖直方向为45 m，并将边坡的前后两侧及下部施加约束力，保证其位移为零，考虑边坡在爆破动载荷作用下的响应特征，将监测的爆破振动原始数据代表性波形作为动力载荷，将其施加到边坡上，分析边坡的应力、位移以及速度在爆破振动作用下的变化规律。

屈服准则计算。在对边坡稳定性开展数值模拟过程中，定义岩石遵循摩尔库伦强度准则，而屈服函数定义[10]具体见式(1)～(3)。

(1)

ft=σ3-σt

(2)

(3)

式中：σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；φ为内摩擦角。

图5 边坡模型Fig.5 Slope model

图6为在爆破动载荷作用下边坡竖直方向速度的变化云图。在+505平台爆破振动速度变化较大，而到了+520平台坡面上速度却有衰减的趋势，说明了当边坡高度低于爆破振动放大效应临界高程值时，振动速度受爆心距离影响较大；+535平台竖直方向的振动速度急剧上升，表明了高程达到特定值时，振动速度受高程影响较大，呈现了放大效应。破坏了高边坡的稳定性，模拟的结果验证了检测爆破振动速度的变化规律，同时说明了正高程差的存

在不一定放大爆破振动危害效应，换言之，当边坡的高程达到一定值时爆破对边坡危害放大效应才得以体现。因此，对于爆破近区的高边坡来说有必要进行实时监测，减少边坡失稳带来的一系列工程问题。

图6 竖直方向振动速度变化云图Fig.6 Vertical vibration velocity change cloud map

图7为边坡在爆破动载荷作用下的竖直与水平方向的位移变化情况。从图7中可以看出，坡顶的竖直、水平方向的位移相对于坡底来说变化较大，在+520、+535两个平台的坡面竖直方向位移变化较为明显，特别是+535平台位移达到最大值，说明爆破振动在传播过程中对于正高程差的边坡具有破坏放大效应，导致上部平台发生移动，这与现场监测的振动速度结果变化规律具有较强的相关性，从边坡的水平位移云图得到，坡底位移变化幅度快大且集中，这对+520平台爆破开挖造成极大的安全隐患，同时也证明了该边坡在爆破振动的作用下稳定性逐渐变小，基于爆区近区边坡的安全，应该着重考虑相关爆破参数的修正以及对边坡开展实时监测，以达到降低边坡失稳带来安全事故发生的可能性的目的。

图7 边坡位移云图Fig.7 Slope displacement nephogram

5 结 论

1) 通过对现场监测数据的处理，爆破振动波竖直分量的振速比水平切向、水平径向振速大，且速度衰减较快，但在+535平台振动速度明显变大，表明了高程差达到一定值时会放大爆破振动对边坡危害效应。

2) 通过对监测的爆破振动信号处理看，表明了信号能量主要集中频率0～20 Hz和时间0～0.5 s范围内，为了降低爆破振动对边坡的危害效应，应合理设置延期时间，避免能量在0～0.5 s时间的叠加。

3) 从边坡模拟结果来看，坡底位移变化幅度且集中，这对+520平台爆破开挖造成极大的安全隐患，导致边坡在爆破振动的作用下稳定性逐渐降低，应对边坡进行实时监测。该模拟计算结果可为岩石边坡的安全性做出准确评价，有利于对爆破参数的及时调整。