邻近高陡边坡采矿爆破振动规律及边坡稳定性研究

邻近高陡边坡采矿爆破振动规律及边坡稳定性研究

李越

广东爆破工程有限公司     广东省广州市 510700

摘要：邻近高陡边坡采矿爆破振动对边坡稳定性的影响，已经备受关注，究其原因，主要是开采高陡边坡矿产资源的危险性相对较高，若分析结果不准确，易导致安全事故。故本文结合实际案例，通过构建模型的方式，总结爆破振动规律，主要规律为：距离爆炸中心距越远，质点振动速度越小，反之则亦然。之后对边坡稳定性加以研究，最终得出相应的结论，以望借鉴。

关键词：高陡边坡；振动规律；采矿爆破；稳定性

引言：随着矿产资源开采的日渐深入，可供开采范围逐渐缩小，采矿效率和产量均受到影响。为保证产量和资源回收率，开采邻近高陡边坡的矿产资源，已经成为重要任务。但相较于正常开采地带，此区域的稳定性偏差，同时还要保护周边建筑物的安全。故在采矿爆破时，需加以监测，以得出振动规律，并在此基础上，优化爆破参数。同时，研究边坡稳定性，针对不稳定区域，做好加固处理。

一、爆破振动规律

某工程位于我国南方某地区，其中，矿体厚度大小差距较大，最小矿体为7m，最大矿体为33m，平均为15m。与大多数矿体相比，该矿倾角偏大，处在50-71°的范围区间内。

考虑到爆破振动容易影响边坡稳定性，故在开采过程中布置了监测点，用以监控振动效应及其产生的影响。具体措施如下：

（一）振动监测

首先，矿产开采单位考虑到布设监测点的目的，于是在坡顶、坡脚和周边建筑物关键部位布设监测点，本次所布置的监测点数量为6个。其次，运用爆破振动测试系统，该系统由传感器、计算机和测振仪等设备构成。最后，对监测数据进行回归分析。在查阅资料后得知，质点振动速度与破坏性息息相关，同时，还会受到岩土性质的影响，简言之，就是速度越大，破坏越严重，反之则越小。考虑到振动速度会随着距离的增加而衰减，故可以用下述公式，对衰减规律加以描述：

在上述公式中，质点振动速度由表示，其单位是；炸药填装量由表示，单位是；测点与爆破点之间的距离由表示；单位是；衰减系数由和a表示，前者与爆破场地条件相关，而后者则与地质条件相关[1]。

（二）爆破规律总结

矿产开采单位在完成监测工作后，对监测点的数据进行提取，主要包括振动频率和速度，在处理后，得到监测数据，如下所述。

观测点（1）：测点位置是建筑物；与爆破作业之间的距离为240m，峰值振动速度：；；；矢量=；主频率（）：；；。

观测点（2）：测点位置是道路；与爆破作业之间的距离为255m，峰值振动速度：；；；矢量=；主频率（）：；；。

观测点（3）：测点位置是水沟；与爆破作业之间的距离为444.5m，峰值振动速度：；；；矢量=；主频率（）：；；。

观测点（4）：测点位置是建筑物；与爆破作业之间的距离为470m，峰值振动速度：；；；矢量=；主频率（）：；；。

观测点（5）：测点位置是道路；与爆破作业之间的距离为265m，峰值振动速度：；；；矢量=；主频率（）：；；。

观测点（6）：测点位置是水沟；与爆破作业之间的距离为259.6m，峰值振动速度：；；；矢量=；主频率（）：；；。

通过观察上述数据可知，振动速度和爆炸中心距离之间的关系并不绝对，但距离爆炸中心越远，质点振动速度依然呈衰减的趋势。其中，水平方向的振动速度最大，而的振动速度较小。其中监测点（1）所得到的y方向振动速度属于最大值，为。在对比监测点（4）的数据后可知，距离爆炸中心距离越远，振动频率越小。此外，20-50Hz是上述几个监测点位，主频所处的区间，在查阅相关资料后得知，本次监测所得到的爆破振动速度，处在建筑物允许振动速度范围之内，由此得出结论：边坡建筑物的安全性不会被爆破振动所影响。

总而言之，在确定高陡边坡爆破振动规律时，运用上文所提及的公式进行线性回归，可以取得良好的效果，有关单位能基于该规律，对矿山未来爆破振动速度加以预测，并通过调整和优化装药量和延时时长的方式，规避爆破振动造成的负面影响，从而保证周边建筑的安全。

二、边坡稳定性分析

（一）模型分析

将本矿体剖面图作为依据，借助软件构建高陡边坡的模型，在这个过程中，需要对边坡下界予以明确，最终确定为，同时，运用有限元数值模拟，对剖面进行计算。本次分析所构建的模型，其岩层结构分为三个部分，主要包括上下盘和矿体。将矿体情况和剖面图输入到系统，完成数值模型的构建[2]。

在完成模型构建后，选择参数。考虑到岩体状态，会在爆破采矿过程中受到影响，如果岩体处在不平衡状态，其容易发生变形，同时会导致应力场分布变化，故在模拟开始前，需要将应力重新分布模拟作为重点。在模拟过程中，为保证模拟结果的真实性，选择弹性本构模型作为岩层材料。材料模型参数如下所述：

（1）上盘：密度/（）；弹性模量/（）；泊松比；内聚力/（）；内摩擦角/（°）；体积模量/（）；剪切模量/（）。

（2）矿体：密度/（）；弹性模量/（）；泊松比；内聚力/（）；内摩擦角/（°）

；体积模量/（）；剪切模量/（）。

（3）下盘：密度/（）；弹性模量/（）；泊松比；内聚力/（）；内摩擦角/（°）；体积模量/（）；剪切模量/（）。

（4）充填体：密度/（）；弹性模量/（）；泊松比；内聚力/（）；内摩擦角/（°）；体积模量/（）；剪切模量/（）。

（二）模拟结果

本次模拟对软件加以运用，该软件中有分析模块，能够有效分析应力重新分布，在具体操作时，需要做好收敛性和时间参数的设置。在将相关参数输入以及绘制材料模型后，即可获得滑移面和安全系数。在重复上述步骤后，可获得边坡初始安全系数，如图1、图2和图3所示。

图 1 1号模型安全系数

图 2 2号模型安全系数

图 3 3号模型安全系数

依据分析结果可知，使用不同计算方法，所得到的边坡安全系数存在差别，但差别较小，不会影响正常分析。但无论采用哪一种方法，2号勘探线在剖面坡度上，均大于3号勘探线坡度，换言之，就是2号勘探线剖面稳定性偏低。为此，在接下来会以位于2号勘探线坡面的矿体为例，开展数值模拟研究，最终得到的模拟结果如下所述：

向上开采区间，安全系数为；向上开采区间，安全系数为；向上开采区间，安全系数为；向上开采区间，安全系数为；

在分析上述数据后可知，在开采矿体上部过程中，中段安全系数呈逐渐下降的趋势。

在正常工况下，将安全系数作为依据，对边坡滑坡风险等级划分，最终将风险等级确定为4级，其中，风险等级和风险之间的关系为负相关，简言之，就是风险等级越高，发生滑坡的概率越小。

而非正常工况条件下，安全等级被分为三级，主要包括Ⅰ级、Ⅱ和Ⅲ级，其中，风险系数小于1.1，安全等级为Ⅱ级，安全系数大于1.2，安全等级为Ⅰ级，结合上文所得出的边坡稳定性模拟结果，得出如下结论：

该矿体向上开采区间开采系数为，大于，向上开采区间，安全系数为，大于1.2，故该矿体的边坡安全等级为Ⅰ级，属于稳定性较强的边坡，应用爆破采矿工艺具有可行性。

结论：综上所述，通过对爆破振动规律和边坡稳定性的研究，得出如下结论：（1）爆炸中心距离与振动速度之间呈正相关，简言之，就是距离爆炸中心越近，振动速度越大，反之则亦然。在掌握该规律后，在应用爆破采矿工艺后，可通过调整装药量和控制爆破时间的方式，减少振动速度，防止对边坡稳定性造成影响。此外，研究发现，本文所列举的矿体，其边坡安全性较高，适用于爆破工艺。

参考文献：

[1]吴礼军,徐文彬.邻近高陡边坡采矿爆破振动规律及边坡稳定性分析[J].工程爆破,2022,28(04):113-119.

[2]何健.台阶靠帮爆破及挂帮矿开采对高陡边坡稳定性的影响[D].内蒙古科技大学,2022.