开采爆破作用下台阶岩体损伤区分布规律研究.pdf

第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.014 开采爆破作用下台阶岩体损伤区分布规律研究 陈立军 中铁十九局集团矿业投资有限公司新巴尔虎右旗分公司，满洲里021400 摘要露天矿台阶爆破对于爆区后侧岩体具有极强扰动，对于边坡稳定性及爆破参数设计具有显著影 响。以乌山露天矿爆破开采为研究背景，进行现场爆破震动监测和爆破前后钻孔摄像现场测试，利用应变软 化本构模型对露天台阶爆破区域后方的岩体损伤区进行了理论计算。根据岩移变形、应力、塑性区以及破坏 度等指标确定了岩体损伤范围与损伤程度，并利用钻孔摄像与爆破振动测试结果对理论分析进行了验证。 研究结果表明乌山露天矿台阶爆破后，分析得到岩体损伤区的范围大致为20 m,其中1 2 m范围岩体以 拉破坏为主，台阶整体为剪切破坏。研究结果为后续边坡稳定性分析与爆破参数优化提供了基础数据。 关键词边坡损伤；应变软化；钻孔摄像；爆破振动 中图分类号TU45 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0085 - 05 Distribution Law of Damag e Zone in Bench Rock Mass under Mining Blasting CHEN L i-jun Ch in a Ra il wa y 19 Bu r ea u Gr o u p Min in g In vest men t Co LTD,Ma n zh o u l i 021400,Ch in a Abstract Bench blasting in open-pit mine has a strong disturbance to the rock mass behind the blasting zone, which has a sig nificant impact on the slope stability and blasting parameter desig n. Based on the mining blasts of Wushan open-pit mine, the monitoring of blasting vibrations and the field tests by borehole camera before and after blasting are carried out. The damag e area of rock mass behind the bench blasting zone of is calculated theoretically by strain softening constitutive model. According to the deation, stress, plastic zone and damag e deg ree of rock mass , the damag e extent and deg ree of rock mass are determined, and the theoretical analysis is verified by the results of borehole camera and blasting vibration tests. The results show that the damag e area of rock mass is about 20 m. I n the nearest 1 2 m rang e, the rock mass is mainly damag ed by tensile failure, and the overall bench damag e is shear failure. Furthermore, these results can provide some basic data for the following slope stability analysis and blasting parameters optimization. Key words slope damag e ； ； strain softening ； ； borehole camera ； ； blasting vibration 爆破冲击荷载作用下岩质边坡的损伤特性研 究，一直是隧道、矿山和水电碉室工程中的研究难 点3］。同时，由于爆破损伤诱发的边坡失稳也是常 见的工程地质灾害,动态响应分析可以作为边坡稳 定性分析的基础“句。近年来，国内外学者通过现 收稿日 收稿日 802020-04-30 作者简介陈立军1976-,男，项目经理、学士，主要从事矿山生产 管理,E-mail632545110 qq. como 场监测、室内试验以及数值计算等各种方式,对岩石 边坡在爆破荷载下的动态响应展开了广泛研究。现 场监测方面，谢全敏等对龙滩水电站蠕变体边坡的 爆破振动进行观测、分析及处理,得到了爆破地震波 衰减经验公式m;欧阳建华等研究了某凸形岩质边 坡爆破开挖工程中的爆破扰动对边坡稳定性的影 响囲，确定了该岩质边坡的质点振动速度安全阈 值，同时根据边坡质点振动的跟踪监测数据得到了 86爆破2020年9月 质点的振动衰减规律。室内试验方面，钟冬望等通 过室内模型试验研究了边坡岩体在爆破冲击荷载作 用下的动力特性⑷，结果表明爆破振动波在边坡上 的传播和衰减特性与平地不同,坡顶质点振速存在 放大效应，同时发现减震沟可降低爆破振动强度，减 小振动对边坡稳定性的影响;江云星等采用室内相 似材料试验研究分析了边坡在爆破过程中产生的爆 破振动规律及岩体内部产生的力学效应［⑹，在一定 程度上揭示了边坡失稳机理。数值计算方面，费鸿 禄等基于强度折减法和时程分析法［⑴，应用有限元 软件ANSYS对爆破荷载作用下的某矿山边坡安全 系数变化规律进行研究,发现随着爆破次数的增加， 边坡安全系数逐渐降低,最多时可降低35. 2 ；胡 英国等基于LS-DYNA二次开发的累计损伤仿真技 术，研究了光面爆破和预裂爆破方式下开挖损伤区 的变化全过程［⑵，得到了不同开挖方式下边坡岩体 损伤的演化规律。 在露天矿山中，由于边坡岩体在爆破冲击与卸 荷作用，边坡内部裂隙不断发育，最终导致露天矿浅 部岩体长期处于松弛状态13-15］o这样不仅难以评 估边坡的稳定性,而且造成爆破成本的提高。为此, 以满洲里乌努格吐山铜钮矿为研究背景，结合台阶 爆破利用应变软化本构模型对爆破作用下台阶动态 响应进行了理论分析，并结合钻孔摄像与爆破振动 监测对分析结果进行验证，确定了台阶的损伤范围 与损伤程度,为后续边坡稳定性分析与爆破设计优 化提供理论基础。 1工程概述 乌努格吐山铜钮矿位于内蒙古自治区呼伦贝尔 大草原腹地新巴尔虎右旗境内，属于受火山机构控 制的陆项次火山斑岩型铜钮矿床。铜钳矿设计境界 内有铜矿石量4.2亿t ,钮矿石量10亿t。一期采剥 总量6088. 81万m3，二期采剥总量3030万r r ,三期 采剥总量15 000万川。矿区勘探范围在420 -710 勘探线间，以F7断层为界将矿床分为南北2个矿 段。矿带为一长环形，长轴长2600 m,短轴宽 1350叫走向50。左右，总体倾向北西，倾角从东向 西由85。渐变成75。,南北2个转折端处均内倾，倾 角为60。,北矿段环形中部有宽达900 m左右的无 矿核部，南矿段环形中部无矿核部宽为150〜 850 n i。矿体赋存标高为200〜850 m,厚度为10〜 300 m,平均厚度大于100 m,根据矿体赋存条件采 用露天开采。见图l o 2损伤区检测结果 为了准确获取台阶爆破后损伤区的分布规律, 本次测试采用钻孔摄像与爆破振动两种测试手段。 由于乌山铜矿台阶爆破时采用分步爆破,即先对A、 B两排炮孔爆破，然后再爆破C、D、E后三排，因此 在4』两排炮孔起爆前，利用钻孔摄像对C、D、E 后三排炮孔进行三维扫描获得节理发育情况,并在 钻孔位置布设四台爆破振动测试仪，监测爆破波的 衰减规律。 图1露天矿全貌 Fig . 1 Panorama of open pit mines 21钻孔摄像钻孔摄像 数字钻孔摄像技术是近些年研发的地质勘查新 方法。该方法将360的钻孔孔壁用平面图像来表 示，利用坐标建立三维信息从而获得地质构造的三 维结构。该方法解决了钻孔内的工程地质信息采集 的完整性和准确性问题，通过对钻孔孔壁进行无扰 动的原位摄像记录,直接对孔壁进行研究,避免了钻 孔取芯工程的扰动影响，比钻孔岩芯更能反映钻孔 内的实际情况，得到的结果更加可信和直观，见 图2。图3所示为现场钻孔测试作业。 690平台 口 705平台 台阶俯视图 出口 图2钻孔摄像与爆破振动监测方案（单位m） Fig . 2 Borehole camera and blasting vibration monitoring scheme（unit m） 图4为C、D、E孔爆破前后的对比图，通过对比 可以清楚观测到C孔裂隙发育明显,并且与近水平 向裂隙发育居多，其中孔深在4.1 m产生了接近 5 cm的裂隙;D孔裂隙发育次之,裂隙以近斜向45 第37卷第3期陈立军开采爆破作用下台阶岩体损伤区分布规律研究87 发育，最大裂隙25 孔裂隙发育不明显，出 现微小的近竖直向裂隙。对比三个钻孔裂隙发育程 度,随着爆破距离的增加,岩体内部裂隙发育程度逐 级递减。根据裂隙发育情况，初步判断在距爆区 12 m范围内均为岩体损伤区。如图5为现场爆破 后地表破坏情况。 C孔 D孔 E孔 图4钻孔摄像测试结果 Fig . 4 Borehole camera test results 图5地表破坏 Fig . 5 Surface damag e 2.2爆破振动爆破振动 此次现场爆破振动测试采用NUBOX016爆破 振动智能监测仪，他是一款采用全新技术设计的新 一代智能爆破测振仪,它能够最大程度地简化爆破 测振现场工作流程,爆破现场自动设置触发电平,达 到一键完成爆破测振操作的智能化效果，同时可靠 性、稳定性大大增强，续航时间也显著增加。其主要 功能特点如下自动设置触发电平，一键完成测量工 作;测量范围0 0047〜35 cm/s；续航能力典型应 用模式下,可支持40 h。 图6为爆破振动测点1和4的三向振动监测。 其中,1测点的主振频率为24.4 Hz、最大振动速度 为-35.1 cm/s,2测点的主振频率为22.1 Hz、最大 振动速度为-31. 9 cm/s ,3测点的主振频率为 19.8 Hz、最大振动速度为-31.9 cm/s,4测点的主 振频率为18.3 Hz、最大振动速度为-25. 1 cm/s。 参考我国爆破振动安全标准，主振频率在10 HzW /W50 Hz是，其质点振动速度为三分量中的最大值 未超过25 cm/s时,可以认为是安全区域，因此根据 爆破振动测试结果可以判断在距离爆破点16 m以 内为爆破损伤区。 综合考虑钻孔摄像与爆破振动的测试结果,乌 山铜矿台阶爆破时其边坡的爆破损伤区范围在距离 起爆位置12〜16 m区间。 3数值模拟分析 为了准确获得乌努格吐山铜钮矿露天矿台阶的 损伤区分布规律，利用FLAC3D计算软件对爆破过 程进行计算分析,通过应变软化本构模型分析台阶 在爆破荷载作用下的损伤特性，并结合质点振动速 度、位移、塑性区以及破坏接近度评价边坡损伤情 况,并与现场监测结果进行比较,对露天台阶的损伤 特性有更全面的认识和判断。 3.1计算模型计算模型 根据露天矿台阶的设计方案，台阶高度为 15 m,每个钻孔间的距离为4 m,建立台阶爆破的二 维模型，模型共计4812个单元,7998个节点。由于 动力计算分析中，计算模型的边界条件会导致振动 波在边界处产生反射波,这种反射现象会对数值分 析结果的准确性造成很大影响。为了解决该问题, 采用了 Ly smer和Ku h l emey er提出的透射边界。计 算模型中边坡除坡顶面为自由边界外，其余五个侧 面均设为透射边界。见图7。 3.2计算参数与爆破波计算参数与爆破波 岩体力学计算参数的确定,采用常规单轴压缩、 直剪实验与巴西劈裂实验测得。本次计算主要是为 了获得台阶爆破后岩体的损伤情况与分布规律，因 此在计算时采用应变软化本构模型,岩体损伤后力 学强度参数利用真三轴力学试验获得,岩体材料的 物理力学参数如表1所示。 动力荷载的确定是动力计算的关键，也是难点。 本次数值分析中，动力载荷直接采用现场监测得到 的爆源近点速度时程曲线，即现场1的速度时程 曲线，如图8所示。由于在黏滞边界动态分析中，速 88爆破2020年9月 度与加速度不能直接作用在模型边界，因此，根据下 再施加在模型边界上。 述公式将速度-时程曲线转换成应力-时程曲线后， 25.01 cm/s -25.01 cm/s 25.63 cm/s33.66 cm/s a 1测点三个方向的振动监测结果 a l Vibr a t io n mo n it o r in g r esu l t s in t h r ee dir ect io n s o f mea su r in g po in t s b 4测点三个方向的振动监测结果 b 4Vibr a t io n mo n it o r in g r esu l t s in t h r ee dir ect io n s o f mea su r in g po in t s I Cm/S 图6现场爆破振动测试结果 Fig . 6 Field blasting vibration test results 表1岩体计算参数 Table 1 Calculating parameters of rock mass 弹性模量 泊松比 抗拉强度/ 粘聚力/MPa内摩擦角/。 E/GPaMPa 初始残余初始残余 9.30.251.051.50.535.415 A B C D E 台阶 图7计算模型 Fig . 7 Computational model o-n 2pCp 1 rs - 2pCsps 2 式中为施加的法向应力荷载;S为施加的 切向应力荷载;“为介质的密度;G、Cs分别为P波 和S波在介质中传播速度;乙、匕分另］为输入质点的 法向和切向振动速度。 3.3计算结果计算结果 计算分析表明,爆破作用导致台阶前端岩体位 移速率较大，其最大位移速度超过了 100 cm/s ,从 台阶前段向台阶后缘其位移速度迅速衰减。根据台 阶爆破后的塑性区云图可以发现，爆破对于台阶的 破坏范围较大，水平范围在16 m左右，竖直方向接 图8爆破振动速度时程曲线 Fig . 8 Time-history curve of blasting vibration velocity 对于岩石材料,等效塑性剪应变是描述材料不 可逆变形的评价变量。对于以剪切破坏机制为主的 岩石材料，常常以此为变量来定义应变软化函数。 可以假设,当岩石破坏时,存在一个临界的塑性剪应 变值作为界定破坏的判据，这个判据是一个材料参 第37卷第3期陈立军开采爆破作用下台阶岩体损伤区分布规律研究89 数。因此就可以通过等效塑性剪应变来定义一个评 价材料变形破坏过程中损伤程度的指标，称之为破 坏度。根据计算结果可以发现，爆破振动虽然导致 台阶岩体塑性区范围很大，但是台阶损伤主要在台 阶前端岩体，爆区后岩体损伤严重区域大致距离起 爆点2〜3 m范围。见图9O a 速度矢量图 a Vel o cit y vect o r dia gr a m b塑性区云图 b Cl o u d ch a r t o f pl a st ic zo n e 图9计算结果 Fig . 9 Calculation results c破坏度 c Dest r u ct ive degr ee 4结论 通过对乌山铜钮矿进行现场爆破震动监测和爆 破前后钻孔摄像现场测试，得到如下露天矿台阶爆 破结论 1 通过现场爆破震动测试与数值分析证明， 露天矿台阶爆破阶段爆破振动波对于岩体具有明显 的损伤效应。 2 以乌山铜钮露天矿台阶爆破为例,研究其 损伤区的边界距离爆破点大致在12〜16 m区间，整 个台阶以剪切破坏为主，孔底1〜2 m范围以拉伸破 坏为主,而且台阶破坏集中在前端岩体。 3 爆破震动与钻孔摄像结合进行分析，研究 成果对于台阶乃至边坡稳定性分析,爆破参数优化 提供了理论支撑。 参考文献参考文献References [1] 范 勇，江 璐,卢文波，等圆形隧洞爆破荷载与瞬 态卸荷作用围岩应变能效应研究[J].岩石力学与工 程学报,2017,368 1855-1866. 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