露天采场爆破对周边尾矿坝的稳定性影响研究

高赛红，汪胜莲

(赣南科技学院，江西 赣州 341000)

尾矿库作为矿山的一个重要附属设施，为了更加方便尾矿砂浆的排放和日常管理，其选址一般位于矿山附近，这样既节省了原矿石的搬运运输成本，又减少了尾矿砂浆的管道输送成本。但随着露天矿山爆破工作面的推进，尾矿库与爆破中心的距离逐渐减小，采区频繁爆破工作造成的爆破振动难免会尾矿坝的稳定性产生影响。在爆破振动效应的影响下，可能发生尾矿库堆筑坝体液化，抗剪强度降低，导致尾矿坝稳定性降低[1-3]。为了尾矿坝下游人员和建筑物的安全免受威胁，研究爆破振动效应对尾矿坝结构的影响规律，保证尾矿坝爆破振动强度在工程允许爆破振动的控制标准内，对规范采场爆破施工及爆破参数设计有重要意义[4-5]。因此，本文通过对江西某铁矿深孔台阶爆破产生的爆破振动进行监测，通过对爆破振动信号的质点峰值振动速度，频谱分布特征分析和尾矿坝数值模拟，研究爆破振动效应对周边尾矿库的稳定性影响，并依据萨道夫斯基公式线性拟合，得到采区正常爆破作业的安全距离以及最大允许爆破药量，可为爆破工程提供一定的现场指导意义[6-8]。

1 工程概况

1.1 尾矿坝概况

江西某铁矿矿区周边主要有两个尾矿库，分别是1号尾矿库与2号尾矿库，两者尾矿坝之间距离不远。其中，1号尾矿坝采用土石堆筑子坝，坝顶高程155.0 m，总库容1.074×106m3，有效库容为88.2×104m3，坝高47.5 m，上、下游边坡比为1∶2，该尾矿库为四等库。2号尾矿坝则采用上游法筑坝方式，最终堆积标高150 m，尾矿堆积坝高25 m，尾矿库设计总坝高50 m，总库容为1.504 3×107m3，上游坡比约为1∶2，下游坡比约为1∶2.5，其尾矿库为三等库。

1号尾矿坝与2号尾矿坝的周边地区属于低山丘陵地形，沟谷发育，山体边坡夷平面呈直线～微凸状，坡角20°～35°，周围山体宽厚稳定，植被发育，自然边坡稳定，未见崩塌、滑坡、泥石流等不良地质现象。地质构造特征以褶皱为主，次级褶皱构造和断裂发育，区内发育大断层力学性质为压性、压扭性，不具导水性能。沟谷局部基岩裸露，裸露区以千枚岩为主，岩层上部风化强烈，风化厚度4.3～9.1 m，下部为中风化完整基岩，岩石较坚硬。各支流水系集于区内的中部，尾矿库地形封闭良好，库区范围未发现通向库外的导水结构。距离爆破作业的采区100 m远处为矿方的排土场，尾矿库库区下游1 000 m外存在多数民房，居民约45户。库区上、下游1 000 m范围内无大型水源地、水产基地，无省级公路，无公众聚集场所，无全国和省重点保护的名胜古迹。

1.2 工程难点

1)尾矿库与采场爆破点距离很近，且尾矿坝周围环境复杂，采场深孔爆破作业需要考虑爆破对尾矿坝的稳定性影响，并根据相关规范及设计标准，对周围居民房屋的安全保护评估，以此确保人员与周边保护对象的安全。

2)通过爆破振动监测与试验，获取爆破振动沿不利断面或不安全方向的振动衰减传播规律，回归计算爆破振动传播公式，估算开挖爆破最大允许药量与安全距离，为爆破施工方案与爆破参数的确定提供对应依据。

2 爆破方案设计

2.1 爆破振动监测方案

为了分析露天采场爆破振动对1号尾矿库和2号尾矿库的稳定性影响，本次爆破振动监测选用Blastmate Ⅲ型号测振仪对露天采场爆破作业进行连续监测。为了反映尾矿库坝体真实质点振动速度，通过仪器设有的切向、垂向和径向振动传感器进行三向监测。本次试验为了满足爆破振动信号的精度要求，将测振仪的采样频率设置为4 096 Hz。在1号尾矿库水平标高为150 m的坝体顶部统一设置编号为A1～A4的四组测点，2号尾矿库则在坝体边坡的不同平台处布置B1～B4测点，其对应的水平标高分别为106、109、113、115 m。

1号尾矿库测点和2号尾矿库测点分别对4次不同药量不同距离的深孔台阶爆破进行同时监测，爆破试验采用工业电子雷管延时爆破方式，延时时间在35～40 ms，爆破台阶高度为13 m，炮孔根据实际具体情况，呈扇形或梅花形交错布置，炮孔直径90 mm，最小抵抗线3.3 m，炮孔倾角为85°，炮孔深度为14 m。爆破采用的炸药为2#岩石乳化炸药，爆源位置与监测点布置如图1所示。其中，第一次爆破单段最大药量为1 760 kg，总药量为4 800 kg；第二次爆破单段最大药量为540 kg，总药量为4 800 kg；第三次爆破单段最大药量为600 kg，总药量为2 640 kg；第四次爆破单段最大药量为1 512 kg，总药量为4 800 kg。

2.2 爆破振动监测结果

为保证各测点监测数据的真实可靠性，本次测试的测点均安置于清理干净的坝体表面，安装过程中确保振动传感器与测点紧密固定。此次试验对临近尾矿库的4次爆破进行了监测，通过GPS定位和高程计算出尾矿坝各测点与爆源中心的直线距离，归纳整理4次爆破的振动监测结果如表1所示。

图1 爆源位置与监测点布置Fig.1 The location of blasting source and monitoring points layout

表1 各测点的监测结果

根据4次爆破振动监测结果，各测点处径向方向上的峰值振动速度与切向和垂向相比普遍更大，其中1号尾矿库由于离爆源较近，峰值振动速度较大，且随着测点距离爆源的增大，切向、垂向、径向的峰值振动速度逐渐减小。2号尾矿库测点距离较远，受到爆破振动的影响相比1号尾矿库更小，但是峰值振动速度出现随着高程增大而增大的现象。爆破振动主频是指爆破振动峰值质点振动水平所对应的质点振动频率[9-12]，本次试验中的主频范围为5.7～30.6 Hz，其受爆破地震波传播距离的变化不明显，说明了爆破振动信号中低频成分的比重不容易衰减。

由于我国矿山尾矿库尾矿坝在爆破振动作用下的安全判据没有明确规定，结合《爆破安全规程GB 6722-2014》[13]和尾矿坝方案设计书，推算出1号尾矿库和2号尾矿库主坝体应该介于“非抗震的大型砌块建筑物”和“钢筋混凝土结构房屋”的安全允许振速之间，即15～25 mm/s之间。在4次爆破试验结果中1号尾矿坝与2号尾矿坝最大峰值振动速度均出现在第1次爆破中，大小分别为3.05、1.90 mm/s，显然此次振动测试的质点峰值振动速度远小于此标准，所以可以初步判定爆破试验所产生的爆破振动对两座尾矿坝体稳定性的影响在允许范围内，爆破振动对尾矿坝体的稳定性没有显著影响。

2.3 爆破振动信号频谱分布特征

爆破地震波在传播过程中振动强度不断衰减，但信号的主振频带存在向低频发展的趋势，然而工程结构体的自振频率通常较低，产生的破坏效应可能更大[14-15]。因此，仅考虑振速而不区分频率成分的爆破安全标准是欠合理，为了更好地表现爆破地震波在尾矿坝各处的能量成分特征，可以通过爆破振动信号功率谱从频域补充爆破振动信号从低频到高频成分能量的组成状况。第一次爆破试验的单段最大药量最大，且径向峰值振速较大，故在此选择第一次爆破的信号分别绘制1号尾矿坝和2号尾矿坝在径向的功率谱如图2所示。

图2 不同测点的径向爆破振动信号频谱Fig.2 Spectrum of radial blasting vibration signal for different measuring points

根据图2可以看出，信号能量的优势频段在5～40 Hz，各成分含量在频率轴上具有区域集中又分布不均匀的特点，距离较远的2号尾矿坝监测到信号的功率谱曲线突峰数量逐渐减小且向低频方向集中，这说明与低频成分相比高频成分衰减更慢。2号尾矿坝处信号主振频率的功率谱密度峰值振幅较大，这表示虽然低频成分的比重随着传播距离的增大而增大，但爆破地震波的低频成分能量已经发生衰减，爆破振动破坏2号尾矿坝稳定的可能性也随之减小。

2.4 基于GeoStudio的稳定性分析

对于离爆源最近的1号尾矿坝，使用GeoStudio软件模拟爆破振动作用下尾矿坝的稳定性分析。模拟根据现场实际情况，建立1号尾矿库模型，相关材料力学参数选定见表2，坝体剖面图见图3。模拟过程中采用SIGMA/W(岩土应力变形分析软件)、SLOPE/W(边坡稳定性分析软件)和QUAKE/W(地震动力响应分析软件)模块，依次对爆破振动产生前的初始应力场与爆破振动作用时的应力场，分析采区生产爆破产生的振动对尾矿坝稳定性的影响，并根据极限平衡理论进行分析计算，得到爆破振动下的尾矿坝的安全系数，并以此来判断尾矿坝的稳定性。

表2 尾矿坝材料力学参数

图3 尾矿坝坝体剖面Fig.3 The profile of tailings

为对尾矿坝施加爆破振动荷载，选用1号尾矿坝峰值振动速度最大的那一组径向信号为输入载荷，由于现场爆破振动监测为质点振动速度信号，因此将其转化为质点加速度信号，嵌套SLOPE/W模块分析边坡在爆破振动扰动下的稳定性，同时求解稳定性系数时程曲线，分析滑移面与计算结果见图4所示。

图4 尾矿坝稳定性分析结果Fig.4 Stability analysis results of tailings dam

从计算结果可以看出，在爆破振动扰动下尾矿坝的安全系数浮动范围(1.364～1.506)相近，安全系数均大于极限平衡法中瑞典圆弧滑动法允许的稳定性最小安全系数1.20。1号尾矿坝潜在滑移面主要表现为浅层滑移破坏，典型滑移面形状为圆弧形，分布在120～150 m之间。初始状态时，尾矿坝的稳定系数为1.452；施加完振动荷载之后，稳定系数为1.441。相对于初始状态，边坡稳定系数变化不大，说明了爆破振动并未对尾矿坝结构造成较大的变形，整体结构稳定性和强度没有明显的下降。不过模拟结果并未证明，尾矿坝在采场频繁爆破作用下，振动荷载是否会对尾矿坝结构稳定性造成影响，所以需要重视爆破振动对尾矿坝的稳定性影响，对爆破振动强度分析与预测后进行爆破参数优化。

3 爆破振动强度分析与预测

3.1 萨道夫斯基公式拟合分析

爆破振动破坏程度与振动速度大小的相关性比较密切，且爆破振动衰减规律与场地地质、地形条件等因素有关，故在本次试验分析采用质点振动速度作为衡量爆破地震波强度的标准，对质点峰值振动速度采用萨道夫斯基公式：

(1)

式中：v为监测点处的质点峰值速度，cm/s；Q为单段最大爆破药量，kg；K为与爆区周围岩性、爆破方式等因素的相关系数；α为爆破地震波传播途径和地质地形等因素有关的衰减系数。

根据本次试验确定与爆区周围岩性及地形有关的K、α取值，基于数值计算软件MATLAB进行拟合分析，拟合结果如图5所示，最终得到K=81.348，α=1.153。

图5 萨道夫斯基公式拟合结果Fig.5 The fitting result of Sadov's vibration formula

由于爆破振动引起的建筑物、结构物或岩土体等的破坏受到多种因素的影响，比如破坏过程的复杂性和岩土介质的多变性等，而且关于尾矿坝爆破振动允许标准还未有统一规定，一般当质点峰值振动速度大于允许值时应暂停现场爆破工作，并依据现场监测数据拟合的萨道夫斯基公式合理预测尾矿坝处的振动强度，以控制爆破药量与安全距离。

3.2 安全距离与最大允许爆破药量估算

为了预防正常采场爆破作业对周边尾矿坝的稳定性造成威胁，通过控制变量法对采场单段最大药量和最小爆破安全距离进行了预测分析，并按照爆破振动控制标准及设计要求，根据萨道夫斯基公式与经验参数进行测算(K=81.348，α=1.153)，探究不同振速控制标准情况下安全距离与最大允许段药量。

根据安全规程与经验判断尾矿坝的安全振速应该不超过15～25 mm/s的范围内，故此设置最大振速为3、5、10、15 mm/s条件下安全阈范围曲线。测算方式以采区爆破作业正常药量500～1 800 kg范围为界限，可得到最小爆破安全距离的变化(安全范围内边界红色区域临界危险)如图6所示。测算方式以采区爆源的较近的距离范围为界限，则得到最大安全药量的变化如图7所示。

图6 最小爆破安全距离预测Fig.6 The prediction of minimum blasting safety distance

图7 最大爆破安全药量预测Fig.7 The prediction of maximum blasting safety charge

根据图6规范出所规定的振动速度允许值，一定的爆破药量(药量从500～1 800 kg，每100 kg一级)对应着一个最小安全距离，生产过程中根据起爆炸药量严格控制安全距离，以防爆破作业会对尾矿坝的稳定性产生影响。由图7中规定的振动速度允许值，在爆破距离一定的情况下(此采区爆破与尾矿坝距离在200～650 m范围)应严格控制生产过程中一次起爆的药量，否则也会对尾矿坝的稳定性产生影响。

4 结语

本文针对露天矿山周边尾矿坝受到爆破振动扰动的安全稳定性问题，分别进行了现场地质调查、爆破振动测试、尾矿坝稳定性模拟分析及爆破振动强度预测。在正常生产爆破过程中，所测试的最大振动速度小于规范中的允许值，爆破振动对尾矿坝体稳定性的影响均在允许范围内。基于GeoStudio软件的尾矿坝稳定性分析证明了爆破振动未对尾矿坝结构完整性造成较大影响。通过现场测试数据进行线性回归，得到该矿区地质条件和爆破开采条件下的萨道夫斯基公式，并对最大允许爆破药量和最小爆破安全距离等重要安全参数进行分析推算，以此为控制与优化爆破施工参数提供依据。采区正常爆破作业产生的爆破振动对尾矿库的影响很小，并在今后通过严格控制安全距离和最大爆破药量的方式可在一定程度避免对周边尾矿坝稳定产生影响。此次爆破振动对临近尾矿坝的安全影响分析能为其他类似爆破工程的安全控制提供一定的参考借鉴。