河曲露天煤矿内排土场振动模拟试验

2021-02-25徐占金徐国俊刘丽珍

能源与环保 2021年2期

韩鹏，何渊，徐占金，徐国俊，王毅，刘丽珍

(山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司，山西忻州 036500)

振动是一种常见的附带效应，常见于生产生活的各个环节，如交通工具对路基的振动加速度，机械设备正常工作对地面产生的振动荷载，爆破工作中由爆点向四周传播的爆破地震波等[1-5]。振动作用带来的损伤通过时间效应的累积使岩土体的破坏逐渐发展[6]，有的工程最终引发振动灾害，露天矿山生产活动中的各个工序都会附带产生振动作用[7]。所以研究露天矿山振动作用对边坡稳定性的影响至关重要。

学者们关于各种工程中振动作用的产生、传播与影响方面的理论与试验研究范围广泛。数值模拟模型在振动作用研究中具有较大优势，薛富春等[8]应用了三维建模的方式，模拟了高速动车组与铁路路基的振动作用响应；李顺波等[9]采用数值模拟研究了不同毫秒延时对产生爆破振动的影响，确定了12 ms延时对于降低爆破振动最为有利；边坡的爆破响应研究分析了高陡岩质边坡对爆破振动速度的放大效应[10]。实验室的振动台试验对于天然地震、爆破地震等的三维重现是完成振动相似模拟的技术保障，同时成果颇丰。特殊地质构造的边坡在地震作用下的振动台模拟试验为边坡的维护提供了技术依据；地下隧道对地震作用响应的振动台研究对隧道施工技术的指导性意义重大；尾矿库边坡的振动台试验模拟揭示了尾矿库在振动作用下的破坏机制；含软弱夹层边坡振动台模拟试验提出了爆破振动对其稳定性的影响和相应的安全判据。

露天矿山中振动作用特有的“短、频、强”特点对边坡的影响较大，本文以河曲旧县露天煤矿内排土场为研究对象，开展了振动作用下内排土场稳定性研究。

1 工程概况

本文的工程背景为河曲旧县露天煤矿内排土场，该内排土场的特点为排土场直接基底与底层台阶由碎石与土混合构成，同时距坡脚50 m处有选煤厂建设施工工人板房且正常居住，距坡脚200 m为选煤厂设施，如图1所示。为保证2处建筑的安全性，需对该内排土场边坡进行稳定性研究。

图1 排土场现状Fig.1 Typical profile of dump

2 试验设计

试验采用相似模拟的方法建立排土场物理模型，采用振动台为其施加不同频率的振动作用，观察排土场边坡的振动作用响应规律。针对排土场下层台阶与上层台阶的物料构成上的差异性，以+1 004.0 m为界，上下层台阶的物料粒径组成见表1和表2。

表1 +1 004.0 m以上相似模拟材料块度级配Tab.1 Similar simulated material particle size grading above +1 004.0 m

表2 +1 004.0 m以下相似模拟材料块度级配Tab.2 Similar simulated material particle size grading below +1004.0 m

采用不同振动频率的振动作用，从10～40 Hz每隔5 Hz为1个试验阶段，每一试验阶段振动作用时间为2 min，试验时间共14 min。

3 试验现象与分析

排土场模型在不同振动频率作用后的结果如图2所示。

(1)由图2(b)可知，在此过程中台阶表面标志物与侧面位移标志层无明显试验现象发生，局部极轻微滑动，振动电动机的振动频率为10 Hz时，试验台振动幅度较大，且振动过程肉眼可见。这个阶段的特点是振动幅度大，试验台上下振动的加速度变化速率小，而这个范围内的加速度变化需要的能量小，并不足以影响到边坡体模型内部。

(2)由图2(c)可知，在15 Hz的振动频率作用下，25 s后第2级台阶边坡面中部发生了1次极小规模的表面下滑，滑动物料粒径1 mm以下，滑动距离7 cm，43 s后在距离右侧边缘30 cm处发生5 mm块度颗粒滚落。

(3)由图2(d)可知，模型侧面第3层位移标志层发生1 cm的下沉，原因是上部排弃物没有发生排弃阶段的压密作用，颗粒之间的还存在有间隙，在20 Hz频率的振动作用下颗粒之间的间隙减小。同时，第3台阶与第4台阶坡面上发生轻微的整体下滑，并且第3台阶下滑程度更加明显。

图2 排土场模型在不同振动频率作用后结果Fig.2 Results of the dump site model under different vibration frequencies

(4)由图2(e)可知，排土场模型侧面与之前状态相比，第4台阶坡面继续下沉，坡面角轻微减小；模型正面第2台阶与第3台阶两端发生滑移，其中右侧20 cm范围坡面排弃物小范围下滑，第3台阶的滑移距离较第2台阶长，为2 cm，第2台阶为1 cm，左侧20 cm范围第2台阶、第3台阶的滑移程度与右侧相比更加轻微，滑移距离为0.5～1.0 cm，同时，在第1台阶有直径约7 mm似圆状颗粒从坡面中部滚落至底部。排土场模型侧面位移标志层现象不明显，正面四级台阶面上排弃物料均发生了下滑，并且有台阶面下沉的现象。通过比较标志物的位置，第2台阶的标志物位置下移最为明显，其次是第3台阶，第1台阶标志物的位置变化最为轻微，但第1台阶坡面上有6处大块度排弃物料滚落。同此次试验开始时相比，第1台阶两端的位移标志层厚度明显变薄，能看到位移标志层下显露出的大块度排弃物料。由于第1台阶组成物料粒径较大，振动频率增大，使位移标志层中的粒径小的物料流入了第1台阶内部。

(5)由图2(f)可知，30 Hz与之前的振动频率相比，能量增量大，排土场模型的破坏程度较之前而言更加严重，第2、第3、第4级台阶坡面大范围排弃物料滑动，速度在2 cm/s，较为缓慢。第2级台阶第4标志物首先发生滚动并滚动至第1台阶平盘，随后第2标志物沿向右侧倾斜的路径滑动至第1台阶平盘，第2标志物沿坡面滑动至台阶面中部，第3台阶第3标志物所在位置滑动活动较第3台阶其余部分剧烈，可见标志物已开始向台阶坡面倾斜。此外观察侧面位移标志层与参照位置发现，二者发生了错动，并且最大错动距离同样出现在第2台阶中部。由于25 Hz试验阶段标志层中的小粒径物料流入第1台阶内部，第1台阶的坡面位移标志产生明显的平行错动，近似与参照位置平行。

(6)由图2(g)可知，排土场模型第3台阶平盘继续向下倾斜，主要是由于台阶坡面上的排弃物料持续向下滑动，引起平盘倾斜，使平盘上的标志物在重力以及滑体的滑动作用下向下滑动，第2、第3、第4标志物滑动至坡面中上部，其中第3标志物在上一试验阶段结束时已经出现了位置上的明显变化，所以总体来说第3标志物的位置变动范围最大。同时，边坡模型的高度降低1.5 cm，位移标志层与参照位置出现错动，最大值出现在第2台阶平盘位置，达到0.9 cm；其次是第3台阶平盘位置，错动距离为0.6 cm，而第1台阶坡面由于粒径块度范围大，第1台阶坡面上位移标志层随振动继续向坡体内部渗透，而坡面与参照位置的距离变化0.3 cm。

(7)由图2(h)可知，40 Hz振动频率作用下，模型形成了“一坡到底”的形态，台阶形态基本全部破坏，由于第1台阶大块度排弃物料占到了39.19%，边坡体内部摩擦力大，第1台阶的滑体规模与上层台阶相比较小，但由于振动和上层的挤压，使碎石物料从第1台阶坡角处挤出，并在后方滑坡体的推动下向前滑动。

排土场模型第3台阶第2、第3标志物由原坡面中上部下滑至原第2台阶平盘位置，第2台阶第1标志物由平台下滑至台阶面中部，且原第1台阶第2、第3标志物在后方滑体推动下向下方偏左方向滚动。在滑体覆盖第1台阶大块度碎石物料后，标志物随着大块度碎石层的滑动而滑动，并发生滚动。同时，位移标志层错动量达到最大值，第1台阶由于发生坡脚大块度颗粒挤出，台阶坡面位置与参照位置错动量变化明显。