爆破震动对西湾露天煤矿边坡稳定性的影响

井宇航，雷 尧

（1.国家能源集团神延煤炭有限责任公司，陕西 榆林 719000；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054）

爆破作为露天矿生产中的重要环节之一，对采矿工程活动起到至关重要的作用[1-2]。爆破可以松散硬度较大的岩石，极大提高采掘机械的工作效率。然而爆破产生的冲击波在岩石中传递，通过爆破动载荷的形式作用于露天矿采场中其他围岩中，引起岩体中应力结构的变化，从而造成结构面的损伤和岩体抗剪强度明显下降[3-5]。当进行爆破作业时，炮孔周围岩体受到的压力会远超过岩体的极限抗压强度，导致岩体挤压破碎，并以地震波形式向外传播，引起岩体横向和纵向震动，当边坡岩体距离爆破点较近时，爆破产生的附加应力可能会使边坡沿着软弱结构面直接滑动，从而严重影响边坡工程的稳定性[6-8]。同时也容易导致边坡失稳，对工程安全和环境保护带来威胁[10-12]。因此，研究爆破震动效应对岩体边坡稳定性间的相互影响关系，对保证露天矿的边坡稳定具有重要意义。

为此，以陕西西湾露天煤矿边坡为依据，采用爆破监测数据测算出爆破监测点处的震动加速度，通过数值模拟、极限平衡理论及其他研究方法和手段对施加水平方向震动加速度的坡面进行模拟并对爆破震动对边坡稳定性影响进行了探索。

1 研究区概况

1.1 西湾概况

西湾露天煤矿位于陕西省榆林市榆阳区的东北部、神木市的西南部、陕北黄土高原北部，毛乌素沙漠东南缘。煤矿开采区大致为一块面积大约2 km2的矩形开采区。在开采区的正北方为矿场园区建筑，分别有污水处理厂、办公楼、住宿楼、消防楼及110 kV 变电站等诸多建筑物。

矿区采用沿煤层走向拉沟，倾向推进的开采方式，开采工艺为单斗-卡车方式。矿区划分为采掘场东帮、采掘场北帮、采掘场西帮、内排土场及外排土场5 个区域，其中东帮和西帮为端帮，北帮为工作帮。采剥台阶共10 个，其中土台阶5 个、岩石台阶4个、煤台阶1 个，高度在9～30 m 不等。

此次西湾煤矿爆破的炮区位于西帮1 100 m 水平，共有69 个钻孔，采用SWDA-165 设备进行钻孔，钻孔孔径为165 mm。总钻进米数为1 277 m，设计平均孔深为18.5 m，孔排距分别为9 m 和6.5 m，前排抵抗线为5 m，超深0 m。此外，每个孔的单孔设计药量在331～374 kg，使用的起爆雷管类别为数码电子雷管，设计总药量为24 300 kg，理论爆量为72 000 m3，炮区的设计单耗为0.35 kg/m3。

1.2 地震效应估算

通过爆破震动公式分别估算实际爆破震动速度和爆破震动安全允许距离[13]：

式中：V1为爆破震动速度，cm/s；K 为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数，取250；R1为最近构筑物距爆区距离，m，取2 000 m；Q 为最大一段齐爆药量，kg，取374 kg；α 为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的衰减系数，取1.8。

由此估算出的实际爆破震动速度为0.01 cm/s≤2 cm/s，故此时安全震动速度。

式中：V2为保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s；R2为爆破震动安全允许距离，m。

由此估算出的实际爆破震动安全允许距离为100 m，又由于最近构筑物距爆区距离为2 000 m，故符合《爆破安全规程》要求。

2 爆破震动对边坡稳定性的影响

根据波动理论，在均匀的弹性介质中传播的地震波，介质内的质点会以简谐运动的方式进行振动。质点的运动状态可以通过质点的位移X、速度V 和加速度a 等力学参数来描述。这些参数可以用数学公式来表示，并且可以通过观测地震波的振动情况来确定[14-15]：

式中：ω 为圆频率，Hz；A为爆破震动幅值，cm/s；φ1、φ2为相位差，（°）。

爆破震动效应是影响露天矿边坡稳定的重要因素之一，爆破采用大孔径、高台阶、深孔爆破方式，其一次爆破量及消耗炸药量较大。条块法边坡稳定性系数Fs的计算公式为：

式中：Wi为第i 条块质量，kg；c 为黏聚力，N/m；li为分条底滑面长，m；Ui为孔隙水压力，kPa；αi为底滑面倾角，（°）；φ 为内摩擦角，（°）；Qi为水平载荷，N；ei为重心至滑弧圆心的高度，m；R 为滑弧半径，m；Fs′为折减后计算出的边坡定性系数。

采用拟静力法对爆破动力影响的边坡稳定性进行计算时，将爆破震动施加给边坡滑体的水平荷载Qi等效为静力载荷：

式中：Ks为震动系数；KD为爆破动力折减系数，取值为0.008～0.152；g 为重力加速度，m/s2；ai为径向加速度，m/s2。

另外，爆破震动加速度计算公式为：

式中：a 为爆破震动加速度，m/s2；Cp为纵波在岩体中的波速，m/s。

根据式（4），可以得出以下结论：爆破震动所产生的水平荷载与滑体重力共同作用于滑体上，形成了滑体的下滑力；相比未受爆破震动的岩体，这种下滑力导致边坡的稳定系数降低。

3 边坡稳定性分析

3.1 现场边坡监测方案

整个爆破震动监测工作是为了降低危险有害因素、保证施工安全、预防事故发生、确保邻近建筑物、设施及设备的安全。具体而言，通过爆破试验数据结合邻近建筑物的安全允许标准来验证原方案的可行性。同时，在指定的爆次中进行质点震动检测来判定爆破震动对保护物的影响程度，并积累相关数据为指导施工方案修正提供支持。此外，该方法还可以为业主单位监管爆破作业和制定安全管理对策提供技术支持并为可能引起的民爆纠纷提供法理依据。

爆破监测方案分为实验爆破阶段和过程监控阶段两部分。实验爆破阶段设22 个观测点，其布置观测点主要是在各个建筑物处设置并以爆源震动区域为起点沿着各建筑物方向由前疏后密的原则设置，实验爆破阶段会监测多轮次的爆破。

过程监控阶段设3 个观测点，本次实验数据不考虑实验爆破阶段，而主要依据的是过程监控阶段收集到的3 个测点的监测数据，其布置观测点的原则是以爆破震动区域为中心取3 个距离中心相近且靠近建筑物的测点为原则，爆破布点位置如图1。此外，爆破监测设备选用L20-N 型爆破测振仪，监测得到爆破振动数据见表1。

表1 爆破振动数据表

图1 爆破震动测点布置示意图

对得到的测点1～3 测点数据进行分析。其中测点1、3 测点的频率在10～50 Hz 范围内，测点2 的频率在≤10 Hz 范围内，所监测到得质点震动速度满足GB 6722—2014《爆破安全规程》规定。

3.2 稳定性数据分析

本次边坡稳定性分析方法主要采用极限平衡理论，根据实际工程地质剖面，通过Slide 软件进行建模、计算。对爆破引起的不同加速度变化下的稳定性进行分析，首先需要计算出个测点的加速度a，测点加速度参数见表2。

表2 测点加速度参数表

通过爆破监测数据测拟合出爆破监测点处的震动加速度，对施加了不同数值的水平方向震动加速度的坡面进行稳定性模拟，得到的加速度变化时的边坡稳定性变化情况如图2。

图2 加速度变化时的边坡稳定性分析示意图

待边坡模型建立好后，在Slide 软件中选择Loading 选项中的Seismic load，并在水平方向震动加速度处填写为0.05 并进行边坡稳定性模拟，经极限平衡法分析计算，计算后的稳定系数为2.361。然后重新将水平方向震动加速度改写为0.03 并进行稳定性模拟，经极限平衡法分析计算，计算后的稳定系数为2.475。最后将水平方向震动加速度改写为0，即无震动的情况下进行稳定性模拟，经极限平衡法分析计算，计算后的稳定系数为2.665，

4 结语

1）根据爆破震动加速度计算公式可以得出爆心距不变的情况下，齐爆量与震动加速度成正相关。将爆破震动监测得到的数据代入公式中，计算得出各监测点震动加速度分别为0.05、0.05、0.03 m/s2。

2）基于西湾露天煤矿为项目背景，结合岩土工程特性，采用Slide 软件建立东帮剖面地质模型。利用数值模拟对震动加速度变化时剖面的稳定性进行分析研究。分别得到加速度分别为0、0.03、0.05 m/s2时，其坡面的稳定系数分别为2.665、2.475、2.361。

3）爆破震动对边坡稳定性的影响会随着爆破震动加速度的增大而逐渐降低。说明爆破震动对边坡稳定性的影响受震动加速度大小的影响。