爆破作用下齐大山铁矿东帮边坡动态响应规律分析

2021-01-05刘洪臻周子涵马诗飏刘小刚

露天采矿技术 2020年6期

刘洪臻，周子涵，马诗飏，秦凡，王润，刘小刚

（1.鞍钢集团矿业有限公司齐大山分公司，辽宁鞍山 114000；2.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

矿产资源的开采方式，一般有井下开采和露天开采2 种，相比之下，露天开采具有规模大、效率高的优势，具备露天开采条件的矿区一般都尽可能采用露天开采的方法[1-3]。岩质边坡的爆破开挖方法不仅施工简单，而且施工速度快，可以带来巨大的社会和经济效益，是国内外露天开采主要采用爆破开挖的方式[4]。然而，在爆破开挖的过程中，受动力扰动的影响，局部边坡稳定性不可避免地会受到一定的影响，甚至会产生滑坡灾害，不仅影响矿山开采的进度还会威胁工作人员的生命。因此，对爆破作用下的矿山边坡稳定性做出评价对矿山生产安全具有重要的现实意义。

当前对于爆破荷载作用下岩质边坡的稳定性和动力响应的研究手段主要包括理论模型分析、数值模拟和现场监测调查等。周子涵[5]等基于二维斜坡平面滑动失稳力学模型，引入爆破荷载因素，建立了露天爆破荷载作用下岩质边坡失稳的尖点突变理论模型，探讨了爆破荷载幅值和爆破荷载频率对边坡稳定性的影响规律，导出了边坡的动态自稳临界高度，并提出了失稳的判据条件；王建明[6]等利用断裂力学理论，分析了爆破和降雨双重工况下的裂缝起裂扩展判据并基于格里菲斯（Griffith）能量准则推导了边坡滑动块断裂后沿底滑面的剧动距离；叶明班[7-8]等建立了岩质边坡动力响应数值计算模型，系统分析了边坡岩体质点峰值振速、应力场及位移场的变化和分布规律；代金豪[9]等根据某节理岩质边坡实测位移数据分析，并结合数值模拟研究了爆破荷载诱发节理岩体边坡位移突变机理及其变化规律；刘斌[10-11]等利用地基InSAR 系统可近实时监测露天矿边坡活动特征，为安全生产提供可靠数据。

近年来，基于离散元法的颗粒流程序PFC 展现了在模拟岩体大变形破坏等方面的显著优势，逐渐成为国内外岩石力学和工程领域研究的重要手段[12-13]。为此，以齐大山以齐大山铁矿东帮边坡为背景，利用PFC2D研究了持续爆破扰动下边坡的破坏模式、动态响应规律及应力演化规律。

1 工程概况

齐大山铁矿为鞍钢集团矿业有限公司的主要矿石原料生产基地。矿区东帮采取多台阶并段技术，在垂直高程-40～240 m 开挖形成了高度为200 m，52°的陡坡。该区域岩层主要成分为边坡混合岩，还夹杂有平均厚达20 m 的软弱绿泥石英片岩。绿泥石英片岩岩性较差，不利于边坡稳定，2019 年3 月20日，该区域边坡由于爆破扰动等因素的综合影响发生了1 次较大规模的滑坡，滑坡量高达4 万m3。目前，在原-40～106 m 的斜坡道上仍存在长达460 m 的大裂缝，部分台阶已下沉1 m 多，此区域尚存有滑坡的风险。为保障齐大山铁矿东帮边坡在扩帮阶段的安全施工，同时为了避免出现重大人员伤亡从而造成被迫停产的被动局面，对齐大山铁矿东帮边坡进行整体的稳定分析迫在眉睫。

2 边坡数值模拟分析

2.1 边坡数值模型及相关参数

齐大山东帮边坡的剖面如图1。为了计算准确，将剖面处的台阶进行了合并，保证边坡坡度不变，将2 个台阶合并成1 个。对于上部和下部的台阶，取宽7～10 m，高10～15 m，对于中部台阶，取宽9～13 m，高10～15 m，每隔3 个台阶建立1 个15 m 宽的平台。深部岩体不参与滑坡的破坏运动，固基岩颗粒在边坡混合岩的基础上将颗粒半径放大了2 倍，其他参数与边坡混合岩相同。边坡颗粒流如图2，整个边坡模型中共生成颗粒3.4 万个，为了监测颗粒的速度、位移等特征值，设置如图2 中的10 个监测点。

图1 模型剖面图

图2 边坡颗粒流模型

通过采用单轴压缩等数值模拟试验来调整边坡模型参数，并通过与现场取样室内试验中获得的岩石宏观力学参数如抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角等相匹配来标定微观参数[14]，最终确定PFC2D中采用的岩质边坡颗粒流模型的细观参数，模拟的岩石宏观力学参数为:①软弱石英片岩：单轴抗压强度16 MPa，弹性模量3.7 GPa,泊松比0.10,内摩擦角10°,黏聚力5.0 MPa；②混合岩:单轴抗压强度33 MPa，弹性模量11.5 GPa,泊松比0.30,内摩擦角27°,黏聚力11.5 MPa。同时，参考文献[14]并通过一系列的数值模拟试验与敏感性分析，最终取颗粒局部阻尼系数为0.6。

2.2 爆破震动波的选取与施加方式

本次模拟旨在模拟露天矿东帮边坡在多次爆破荷载作用下边坡的边坡破坏模式和动态响应规律。根据现场的实测爆破地震波形，选取了3 段典型的爆破地震波，根据振动峰值速度由小即大的顺序，分别连续地输入模型底部，从而模拟出从远到近的爆破开挖施工条件下，爆破震动对既有露天矿边坡的影响。每个爆破地震波波的持续时间约为2 000 ms，整个过程为持时6 s 的爆破震动的模拟。实测的爆破震动波如图3。

图3 实测的爆破震动波

2.3 模拟结果

2.3.1 边坡的破坏模式

以每1 段爆破地震波的持续时间为1 个破坏阶段，边坡的破坏阶段共分为3 段。截取各个破坏阶段的图像，整个模拟过程的位移云图如图4～图6。

图4 第1 破坏阶段的位移云图

图5 第2 破坏阶段的位移云图

图6 第3 破坏阶段的位移云图

第1 段输入的爆破地震波波形如图3（a），震动波持续时间为2.0 s，第1 破坏阶段的位移云图如图4。由图4 可知，0.1 s 时，边坡坡脚处的台阶开始崩解，出现较为明显的位移；此后，边坡下部滑移区域向上延伸，直至边坡的中部，同时边坡中部台阶相继开始崩解，边坡上部台阶仍保持原本形状（图略）；0.7 s 时，坡脚处出现新一轮的位移增长，同时整个边坡中下部的表面都出现较为明显的位移，并且在坡脚处开始出现贯通的圆弧状的位移云图；1.2 s时，与之前的规律相同；2.0 s 时，在原本位于边坡下部的滑移趋势的区域表层出现新一轮的突增位移，表明边坡会首先在表层出现滑动。

第2 段输入的爆破地震波波形如图3（b），震动波持续时间为2.0 s，第2 破坏阶段的位移云图如图5。由图5 可知，0.3 s 时，边坡下部表面的位移区域持续向上和向深部延伸，边坡上部的台阶开始逐渐崩坏，但边坡整体无明显的滑坡现象；0.7 s 时，具有明显位移的区域已经逐渐延伸至边坡顶部，预示着整个边坡表面会首先开始出现滑移；1.2 s 时，边坡顶部的台阶已经完全崩解，同时边坡上部开始出现比较明显的沉降；2.0 s 时，边坡顶部的沉降持续加深，根据边坡表层的绿色位移云图已经贯通整个边坡表面，形成圆弧形的滑块，此区域已经开始产生滑移，形成第1 处滑坡。并且软弱层出现局部错位，表层的滑动已经开始。

第3 段输入的爆破地震波波形如图3（c），震动波持续时间为2.0 s，第3 阶段的位移云图如图6。由图6 可知，0.2 s 时，在表层滑坡逐渐发育时，从坡脚深部存在着不断向上发展的新1 轮位移趋势，预计会在表层滑坡的下部出现新的滑坡，并且会形成上至坡顶的沉降处、下至贯穿坡脚的滑动面；0.5 s时，坡脚深部处的位移增长持续向上延伸，软弱层出现第2 处错位，位于深部的第2 处滑坡形成；此后，边坡上部也开始出现突增的位移，并沿着这条明显的滑坡线向下延伸，同时边坡下部深部的突增位移趋势也持续向上延伸，预计最后会在中上部汇合，形成最终的第2 个滑坡面（图略）；1.2 s 时，至此，第2个滑移面已贯通形成，同时沿此滑面开始出现明显的滑坡运动；2 s 时，滑坡体到达最终形态。

综上所述，东帮边坡在爆破动荷载持续扰动下将发生2 次滑坡。第1 次的滑坡先在坡脚处形成位移突增的趋势，在沿着边坡表面向上持续发展后，首先在边坡表面出现第1 个滑坡，在计算过程中，表层的边坡一直在发育，位移也在不断增大。第2 次的滑坡是在第1 个滑坡形成后，先在坡脚形成突增的位移，坡脚深部和边坡顶部几乎同时开始向边坡中部发展的位移趋势，贯通后形成的。

2.3.2 边坡的动力响应规律

在动力响应的分析过程中，主要针对峰值速度、峰值位移进行分析。各监测点的峰值速度和峰值位移变化规律如图7。

根据图7（a）中峰值速度和位移的分布可知，水平方向上越靠近边坡表面，监测点的峰值位移和峰值速度越大，表现出趋表效应；随着水平距离的不断增大，峰值位移和峰值速度逐渐减小并趋于稳定，主要原因可能是越深入边坡内部，岩石受到的周边应力作用越大，限制了其自由度。可见边坡沿水平方向上岩体的动力响应程度与岩体和坡表的距离有着显著的关联。

由图7（b）可知，各模型沿竖直方向上监测点的峰值速度随着高程增加而减小，峰值位移随高程增加呈线性增大趋势。说明在爆破荷载作用下，边坡岩体的峰值位移存在明显的高程放大效应。

2.3.3 边坡的应力演化规律

在模型中设置了4 个应力测量圆，在坡体位置从坡脚往上依次为1、2、3、4，用于测量在爆破地震波作用下岩质边坡的应力变化情况，测量圆所测得的应力为圆内颗粒的平均接触应力。测量圆内的应力随爆破地震波的变化曲线如图8（其中负值表示压应力）。

图8 测量圆内平均应力随爆破地震波持时的变化曲线

由图8（a）可知，针对x 轴方向的平均应力，上方3 个测量圆内的平均应力值变化不大，这说明爆破地震波对于高位置颗粒的水平方向的作用并不明显，对于坡脚处的测量圆，其初始应力较大，在爆破地震波的作用下，一开始1 号测量圆内的压应力有所减少，表明此时坡脚处的颗粒首先在爆破地震波的作用下会产生松动破坏作用，颗粒间的应力小于初始应力，随后平均应力保持稳定。最后平均应力又有所增长，表明此时由于边坡的滑动，坡脚处颗粒被压实，导致颗粒间的应力又有所增长。因此在进行边坡治理时，首先需要在坡脚处采取措施进行加固，避免其过早破坏而导致滑坡的发育。由图8（b）可知，对于y 轴方向上的平均应力，1～3 号的测量圆内的应力变化规律与上述的x 轴方向的平均应力变化规律一致，这里不再赘述。