矿山滑坡危岩体定向拆除抛掷爆破应急排险方法

胡 斌 贾雅兰 李 京 魏二剑 马利遥

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081;2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081)

矿山滑坡危岩体在极限状态下极易发生二次滑坡灾害，破坏性大，危害性强，如何安全快速地进行排险一直是困扰矿山企业的实际难题。若不及时采取应急措施对危岩体进行治理，会对下游的工作人员和设施造成威胁，对矿山的安全生产提出了巨大挑战。目前滑坡危岩体的治理方式多采用削坡减载、支挡工程和锚固工程等措施[1-3]。刘国栓等[4]提出了削坡减载+压脚的方式治理东明露天矿潜在滑坡体;牛涌等[5]采用抗滑桩+锚固结合的措施对滑坡进行了综合治理;黄士奎等[6]对滑坡进行了预应力锚杆抗滑桩支护;潘长胜等[7]采用削坡降坡、锚杆加固等方式对山体滑坡进行了加固处理;李嘉雨等[8]采取抗滑桩与截排水沟结合治理滑坡;田青怀等[9]对滑坡采用锚杆加固等综合措施进行处理。上述研究表明，削坡减载、抗滑桩、锚杆锚索等方法在滑坡治理中已有广泛应用。然而对于滑坡危岩体，应当根据现场条件，及时采用安全有效的应急治理方法。磨环凼西侧滑坡危岩体由于其特殊性及复杂性，上述几种治理方式的适用性不理想。因此需针对性地提出合理的应急排险方法，以实现危岩体的安全快速有效治理，避免造成人员伤亡和经济损失。

因应急排险治理方法现场试验的不可逆性，众多学者选择具有可重复性、成本低、仿真性强等优点的数值模拟手段对滑坡治理效果进行分析论证。目前主要使用ANSYS/LS-DYNA[10-11]、FLAC3D[12-13]以及PFC[14-15]等软件模拟爆破过程，其中PFC颗粒流离散元软件可以模拟岩土体开裂、分离等大变形现象的独特优势，并能够准确反映岩土体颗粒爆破抛掷过程和爆堆堆积效果。因此，可采用PFC软件对应急排险方法的治理效果进行论证。

本研究以磨环凼西侧滑坡危岩体为例，提出一种定向拆除抛掷爆破应急排险方法，并建立二维等比例矿山岩土体爆破动力分析模型，使用PFC2D软件对应急爆破排险方法的爆破效果进行数值模拟，以期为安全快速处理该类滑坡危岩体及治理效果的提前验证提供一种新的手段，为类似矿山滑坡危岩体的应急治理提供借鉴。

1 磨环凼西侧滑坡危岩体工程概况

磨环凼西侧滑坡危岩体位于黄山石灰石矿区西部高程685 m以上的山腰部位，目前开挖高程最高约810 m，滑坡体主要变形部分基本呈“簸箕状”，如图1所示。前缘以开挖边坡为临空面抵达685 m平台，后缘以高程800 m平台后沿为界，肉眼可见已贯通的裂缝。该段银杏树林高程810 m边坡后缘向下错动位移3～4 m，拉裂缝可见两侧土体光滑，并有擦痕。该区域的地层中存在多层延伸性较好的软弱夹层，边坡稳定性受软弱夹层影响较大，边坡整体沿软弱夹层滑动[16]。胡斌等[17]对暴雨工况和暴雨+地震工况下该类边坡的稳定性进行了计算，发现边坡处于失稳状态，滑坡危岩体极易受到降雨和地震的影响出现二次失稳，对矿山安全生产造成了重大隐患。故急需对该类滑坡危岩体进行应急治理，有效消除灾害隐患，保证矿山安全生产。

图1 磨环凼西侧滑坡危岩体Fig.1 Landslide dangerous rock mass on the west side of Mohuandang

2 定向拆除抛掷爆破应急排险方法

为保证矿山人员设备安全，避免雨季来临引起二次滑坡，需要对滑坡危岩体进行应急治理。常用的治理方法有:削坡减载、锚杆锚索、抗滑桩及防御绕避等。4种治理方案原理如图2所示。

(1)削坡减载。滑坡危岩体处于临界稳定状态，若使用大型器械在上部进行削坡减载作业，易对危岩体产生较大扰动，可能会导致危岩体二次滑动，威胁人员和设备安全，且治理时间长，不适用于滑坡危岩体的应急治理，如图2(a)所示。

(2)锚杆锚索和抗滑桩。危岩体属于待开采矿石，若采用锚杆锚索支护，需嵌入到深部稳定基岩，如图2(b)所示。若采用抗滑桩支挡，工程量大，两种方法均不能彻底清除滑坡隐患，且该危岩体区域内的矿石无法开采，将产生永久经济损失，如图2(c)所示。

(3)防御绕避。需联合其他措施共同实施，受矿山地形和上山公路坡度要求等限制，改线设计及施工时间长，滑坡体下方为矿山运输和人员作业的主要位置，不及时治理滑坡会对矿山安全生产造成威胁，如图2(d)所示。

图2 4种滑坡危岩体治理方法示意Fig.2 Schematic of four schemes for controlling landslide dangerous rock mass

上述几种治理方法均不适合用于磨环凼西侧滑坡危岩体应急排险，为克服上述滑坡治理措施的局限性，针对磨环凼西侧滑坡危岩体的特殊工程地质条件，根据城市高层建筑定向拆除爆破的技术思路，本研究提出了一种定向拆除抛掷爆破应急排险方法，如图3所示。

图3 定向拆除抛掷爆破应急排险方法思路来源示意Fig.3 Source schematic of the idea of directional demolition throwing blasting emergency elimination plan

本研究定向抛掷爆破应急排险方法的依据为:①传统工程地质钻探和物探手段确定滑动面历时长，为了在较短时间内进行应急处理，胡斌等[16]前期对该滑坡底滑面进行了综合反演识别，为应急治理提供了底滑面的位置与空间形态，有助于炮孔深度的设计;②作为滑坡底滑面的软弱夹层能够充当预裂面，对后方边坡起到缓冲作用;③滑坡体积不大，矿山区域较为空旷，有利于爆破方案的实施。

定向抛掷爆破应急排险方法的具体设计方案为:在740、760、780 m平台上布置多排炮孔，以50 ms的起爆时差，自下而上，由坡面向内进行毫秒微差起爆，以将危岩体定向抛掷到坡脚685m平台处(矿山理想采装运输位置)，待爆堆清理工作完成后，滑坡危岩体应急治理结束。定向拆除爆破应急排险方案原理如图4所示。计算得到各平台抛掷爆破炮孔设计参数取值见表1，典型炮孔布置剖面如图5所示。

图5 典型炮孔布置剖面(单位:m)Fig.5 Profile of the layout of typical blasting holes

表1 抛掷爆破炮孔主要参数Table 1 Main parameters of the blasting holes for throwing blasting

图4 定向拆除爆破应急排险方案示意Fig.4 Schematic of directional demolition blasting emergency elimination scheme

为验证本研究提出的定向抛掷爆破应急排险方法效果，选择可以准确反映岩土体颗粒爆破抛掷过程和爆堆堆积效果的离散元颗粒流软件进行数值模拟分析计算验证，获得最终应急治理的数值模拟效果。定向拆除抛掷爆破治理滑坡危岩体的具体流程如图6所示。

图6 定向拆除抛掷爆破治理滑坡危岩体流程Fig.6 Process of directional demolition throwing blasting method to control landslide dangerous rock mass

本研究方法的优点为:①施工期产生的扰动小，施工安全性高;②可将软弱夹层上方滑坡危岩体全部清除，治理效果好，治理结束后不会产生新的安全隐患;③一次性穿孔、爆破，治理时间相对较短;④将矿石直接抛掷到685 m平台，节省了矿山的二次破碎和运输成本，方便采装、运输，实现了危岩体矿石的回收利用。

本工程的爆破飞散物主要是爆破中的飞石，对于台阶爆破，爆破飞石距离RF计算公式[18]为

式中，KF为安全系数，KF=1.0;n为最大一个药包的爆破作用指数，本研究取1.2;W为最大一个药包的最小抵抗线，m，本研究取7 m。

计算得到RF=202 m。根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)相关规定，对人员存在的场所进行爆破时的最小安全距离不得小于200 m，故本研究最小安全警戒范围取202 m符合要求。

3 应急爆破排险方法数值模拟验证

3.1 炸点颗粒膨胀法

颗粒流软件中通常采用炸点颗粒膨胀法模拟爆破作用。集中药包作用下，爆破应力波常被等效为脉冲应力波，以球面波形式自炸点处传出，将其简化为半正弦波，上升和下降时间相等，其表达式为[19]

式中，p(t)为气体压力，MPa;A为炮孔内压力峰值，MPa;ΔT为爆破应力作用时间，ms;t为持续时间，ms。

常规爆破作用时间小于10 ms[20]，本研究ΔT=10 ms。

PFC中模拟爆破作用方法是将同爆破荷载相应的爆破应力波施加在炮孔壁。耦合装药时，药室壁受到的冲击压力p2[19]为

式中，ρ0为炸药密度，kg/m3;ρr0为岩石密度，kg/m3;r0为药包炸点半径，m;cp为岩体中纵波波速，m/s;D为炸药爆速，m/s;pc为爆轰波阵面的压力，MPa，pc=ρ0·D2/4。

集中装药的爆炸作用如图7所示，内圆为炸点，外圆为膨胀后炸点，颗粒膨胀时，会挤压周围颗粒产生叠加量。据颗粒接触原理，药包炸点半径r0，中心固定，炸点颗粒半径膨胀达到爆破空腔半径时，岩石壁上的作用压力为p2，同时对周围颗粒挤压产生径向推力，该推力和[19]为

图7 集中装药爆炸作用施加示意Fig.7 Schematic of the explosive effect of the concentrated charge

式中，Kn为颗粒接触刚度，N/m;p2为炮孔壁设计压力，MPa;dr为药包颗粒膨胀量。

已知接触刚度和爆炸压力条件，颗粒半径变化峰值[19]为

颗粒半径的加载按照式(2)和式(5)变化时，膨胀挤压产生的爆炸压力将作用于岩体介质。

3.2 无反射边界

删除边界墙之后，通过PFC软件中的FISH语言进行二次开发，分组设置边界颗粒，定义分组颗粒指针，对边界颗粒施加式(6)[21]所示的边界力来设置无反射边界，以吸收入射波动能，将有限模型扩大到实际工况的无限介质，有助于提高动力分析的准确性。

式中，F为边界力，N/m;R为颗粒半径，m;ρ为介质密度，kg/m3;ξ为纵波弥散效应修正系数;η为横波弥散效应修正系数;Cp为纵波波速，m/s;Cs为横波波速，m/s;为颗粒的法向运动速度，m/s;为颗粒的切向运动速度，m/s。

在爆破作用过程中，应力波传播的弥散效应不可忽视，因此需要考虑修正系数，才能获得相对理想的效果。在软件中生成一个尺寸为30 m×2 m(长×宽)的模型，左侧边界施加入射波，右侧边界设置为透射边界，模型左侧和中间位置设置监测点1和监测点2，无反射边界的测试模型如图8所示，删除左右下边界墙，设置透射边界后的模型如图9所示，弥散系数为0.3时得到的应力波吸收效果良好，如图10所示。

图8 无反射边界的测试模型Fig.8 Test model of non-reflective boundary

图9 设置无反射边界Fig.9 Setting the no-reflection boundary

图10 透射波的吸收效果Fig.10 Absorption effects of transmitted waves

无反射边界FISH语言二次开发部分代码简列如下:

(1)制定边界范围。选取模型边界附近的颗粒定义分组，代码如下:

ball group′left_right′ range x [xxmin-0.25][xxmin+0.25]

ball group′left_right′ range x [xxmax-0.25] [xxmax+0.25]

ball group′bottom′ range y [yymin-0.25] [yymax+0.25]

(2)无反射边界设置。定义指针，施加式(6)中的边界力，代码如下:

sss=ball.group(bp)

if sss=left_right" then

xvel000=ball.vel.x(bp)

yvel000=ball.vel.y(bp)

ball.force.app(bp，1)=-dense*WaveSpeed*xvel000*2.0*ball.radius(bp)*0.3

ball.force.app(bp，2)=-dense*WaveSpeed*yvel000*2.0*ball.radius(bp)*0.3

endif

3.3 模型构建

根据矿山边坡实际情况建立数值分析模型，具体建模步骤如下:

(1)边界设置。使用wall create生成墙体wall，划定颗粒生成范围。

(2)颗粒生成。使用ball generate生成颗粒，定义assemble_sc和expand函数实现颗粒的分布膨胀，通过多次膨胀及迭代达到指定颗粒大小。

(3)消除悬浮颗粒，赋材料。初步应力分布均匀后，利用identify_floaters函数消除悬浮颗粒，以保证ball-ball和ball-wall至少有3个接触点，将模型材料赋予石灰岩细观参数，设置多个炸点颗粒，模型在重力条件下进行平衡之后，固定边界颗粒。

(4)无反射边界设置。删除左右下侧wall，移动上侧wall，重新对试样进行压密后删除上侧wall，设置无反射边界。

(5)边坡模型建立。导入dxf文件，使用geometry命令对模型颗粒进行分组;使用geometry delete命令删除边坡外颗粒，将软弱夹层细观参数赋予材料，定义炸点后形成最终边坡。

模型构建涉及的相关细观力学参数取值见表2，建立的边坡模型如图11所示。

表2 颗粒细观力学参数Table 2 Micromechanical parameters of particles

图11 边坡数值模型Fig.11 Slope numerical model

4 应急爆破排险效果

对定向拆除抛掷爆破应急排险方法进行数值模拟验证，得到不同时步下颗粒的运动状态如图12所示。结合矿区已有的采装运输设备，将块度大于0.6 m的矿岩定义为大块。对边长大于0.6 m的大块颗粒面积和爆破颗粒总面积进行了统计，二者百分比为大块率。模拟过程分析如下:

(1)0时步时，按740 m—760 m—780 m的起爆顺序，以50 ms的起爆时差自坡面向内依次起爆，炸点颗粒向外膨胀挤压周围颗粒，同时传递能量，740 m平台坡顶颗粒速度最先出现增大，裂隙自炸点爆炸后产生，并逐渐延伸至滑坡危岩体后缘，此时颗粒速度受重力影响不明显，如图12(a)所示。

(2)1 000时步时，740 m平台坡顶颗粒率先出现抛掷现象，760 m和780 m平台的坡顶颗粒速度逐渐增大，开始向外运动，滑坡危岩体在爆破作用下松散程度加大，裂隙继续发展，如图12(b)所示。

(3)5 000时步时，滑坡危岩体完全破碎，740、760、780 m 3个平台的颗粒均抛掷出坡体，爆破抛掷程度进一步加深，如图12(c)所示。

(4)12 000时步时，爆破能量逐渐被消耗，部分抛掷颗粒开始落在740 m下方坡面，爆破作用使得危岩体颗粒间的黏结强度降低，未抛掷出坡面的上覆危岩体颗粒在重力作用下出现垮塌，开始沿坡面滑动，滑移过程中经过720 m平台平面，前方颗粒开始出现减速，后方颗粒在推挤前方的同时，重力势能被不断消耗，运动速度逐渐降低，如图12(d)所示。

(5)在爆破能量和重力相互作用下，危岩体颗粒被抛掷到685 m平台，沿坡面滑动的部分危岩体颗粒在重力势能完全耗散后，小部分留在720 m安全平台，系统达到平衡状态后，在685 m平台形成爆堆，爆堆的堆积状态如图12(e)所示。

图12 不同时步的颗粒运动状态Fig.12 Particle motion states at different time steps

数值模拟最终结果显示，爆破后边坡处于稳定状态，经统计得大块率为8%，且无根底。危岩体颗粒抛掷后落于685 m平台，最远飞石抛掷距离为186 m，符合《爆破安全规程》(GB 6722—2014)中对人员存在的场所进行爆破时的最小安全距离设定，危岩体爆堆最大高度为22 m，爆堆堆积在滑坡危岩体坡脚685 m平台，符合矿山企业理想的采装运输位置要求，实现了危岩体矿石资源的安全快速回收利用，有助于解决滑坡危岩体威胁安全生产的问题，方案满足初始设计要求。

5 结 论

针对含缓倾软弱夹层石灰石矿山特殊工程地质条件下的滑坡危岩体应急排险及其治理效果合理验证中遇到的难题，以磨环凼西侧滑坡危岩体为研究对象，提出了一种定向拆除抛掷爆破应急排险方法;建立了等比例矿山边坡爆破动力分析数值模型，采用炸点颗粒膨胀法模拟爆破作用，利用FISH语言设置了无反射边界，并对应急排险方法的最终排险爆破效果进行了数值模拟分析。主要取得如下结论:

(1)采用定向拆除抛掷爆破应急排险方法对滑坡危岩体进行应急治理，克服了传统滑坡治理手段扰动大、治标不治本的不足，可以安全、快速、彻底地清理滑坡，而且爆破后产生的大量矿石又实现了资源的充分利用，为类似矿山滑坡危岩体处理提供了一种新的应急治理手段，有助于确保含缓倾软弱夹层石灰石矿山安全生产。

(2)采用740 m—760 m—780 m的起爆顺序，以50 ms的起爆时差自坡面向内依次起爆炸点，前排孔起爆之后可为后排孔起爆创造自由面，下排孔起爆后能为上一平台炮孔起爆提供微裂隙和自由面，有利于上层平台危岩体的爆破抛掷。模拟结果显示:爆破后边坡呈稳定状态，大块率低，无根底，抛掷颗粒大多落到685 m平台上，最远飞石抛掷距离为186 m，符合《爆破安全规程》(GB 6722—2014)设置的飞石控制安全距离，危岩体爆堆最大高度为22 m，爆堆主要堆积在滑坡危岩体坡脚685 m平台，符合矿山理想的采装运输位置要求。

(3)类似矿山在进行滑坡危岩体应急治理时，仍需结合矿山实际工程地质条件，合理运用本研究提出的滑坡危岩体治理方法，以实现最佳的应急排险效果。本研究仅构建了二维模型，在后续爆破方案的数值模拟研究中，可以建立三维边坡爆破动力模型来进一步地探索。