预裂爆破作用下节理岩质边坡损伤区测试研究.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. 2020.03.012 预裂爆破作用下节理岩质边坡损伤区测试研究 张士磊 中铁十九局集团矿业投资有限公司，北京100161 摘要随着我国大型露天矿开采深度的加大，高陡露天边坡的稳定性问题已经成为当前露天开采矿山亟 待解决的关键难题，特别是在爆破载荷作用下，高陡边坡极易产生坡体表面岩体开裂甚至局部滑坡，为露天 矿山开采带来了巨大安全隐患。为研究高陡节理岩质边坡在爆破载荷作用下的损伤特征，合理优化露天爆 破参数，以太钢袁家村露天矿西边帮节理发育区域为工程依托，研究预裂爆破作用下节理岩质边坡的损伤区 发展规律。采用数字钻孔摄像手段，测定爆破前后钻孔裂隙发育程度，测试结果表明随着爆破距离的增加， 岩体内部裂隙发育程度逐级递减，裂隙宽度逐渐减小，当距爆破点9 m以上，爆破对岩体裂隙无影响。采用 爆破振动手段，监测围岩质点振动速度指标，监测结果表明依据我国爆破振动安全标准，爆破损伤区范围不 超过9 mo结合现场钻孔摄像和爆破振动结果，可得到袁家村露天矿西边帮预裂爆破的岩体损伤区范围为 9 mo 关键词岩质边坡；预裂爆破；节理；损伤监测 中图分类号TD235.3 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0074 - 04 Damag e Zone Test of Jointed Rock Slope under Pre-split Blasting ZHANG Shi-lei Ch in a Ra il wa y 19t h Bu r ea u Gr o u p Min in g In vest men t Co Lt d, Beijin g 100161, Ch in a Abstract With the increase of mining depth of larg e-scale open pit mine in China, the stability of hig h-steep open-pit slope has become a key problem in the current open-pit mines. Especially under the action of blasting loads, the surface rock mass cracking, and the hig h-steep slopes are prone to the landslide hazard, which bring hug e safety hidden trouble for open pit mining . I n order to investig ate the damag e characteristics of hig h-steep jointed rock slope under blasting load and optimize open-pit mine blasting parameters. Based on the joint development area of the west slope of Yuanjiacun open-pit mine in Taiyuan I ron, the damag e zone development law of jointed rock slope un der pre-split blasting was studied. The dig ital drilling imag ing was used to measure the rock fracture develop ment deg ree of the borehole before and after blasting . The test results showed that with the increase of the distance between test point and blasting hole, the development deg ree of crack inside the rock mass decreased step by step, and the width of crack g radually decreased ・ ・ When the distance was more than 9 m, there was no effect on rock mass fracture for blasting . The vibration velocity index of the surrounding rock mass was monitored, and the results showed that the blasting damag e zone also did not exceed 9 m. Combined with the results of dig ital drilling imag ing and blas ting vibration test, the rock mass damag e area of pre-split blasting in the west slope of Yuanjiacun open-pit mine was in 9 m. Key words rock slope； ； pre-split blasting； ； joint； ； damag e monitoring 第37卷第3期张士磊预裂爆破作用下节理岩质边坡损伤区测试研究75 增加，爆破诱发的地质灾害在大型露天矿中已经成 为首要工程灾害，节理发育岩质边坡尤为严重。因 此，必须对高陡节理岩质边坡在爆破载荷作用下的 动态响应进行深入研究，确定爆破诱发节理松弛与 岩体损伤的范围与程度,这些为爆破设计优化、边坡 稳定性分析与监测提供了重要的科学指导。 针对爆破所引起的岩体损伤，国内外学者开展 了大量的研究工作，提出了多种爆破载荷作用下的 岩石损伤变量和岩体损伤模型如GK损伤模型, TCK损伤模型和KUS损伤模型等。针对爆破载荷 作用下的边坡稳定性问题，国内外学者开展了大量 的研究，采用数值计算的手段研究边坡岩体裂隙失 稳扩展的扰动机制;采用探地雷达结合超声波技术 进行岩体损伤区的精准探测;从爆破能量角度,构建 节理裂隙滑动模型,监测爆破质点峰值振动速度，进 而确定边坡的稳定性;从爆破力学角度，考虑爆破载 荷和边坡表面卸荷双重作用下的边坡安全系数计算 等“］。但是,岩体是由岩块与裂隙构成的天然材 料,其构造具有复杂性和多样性,尤其节理与裂隙的 存在使得岩体强度具有明显的各向异性特点，同时 岩体强度也具有明显的离散性与差异性，因此采用 理论分析研究节理岩体动力损伤是极其复杂岩石力 学问题。 以太原钢铁袁家村露天矿西帮节理发育区域的 最终境界预裂爆破为工程依托,利用钻孔摄像与爆 破振动测试方法获取节理岩体在冲击载荷下的损伤 特征,为工程的边坡稳定性分析与爆破设计优化提 供理论指导。 1工程概述 袁家村矿区位于山西省岚县梁家庄乡袁家村, 矿区南北走向长4. 2 Ln ,东西走向宽1.5 -2. 6 kmo 矿区共有矿体21个，其中10号矿体规模最大，为开 采主矿体,其形态为一巨大的扁豆体。矿体全长 2600 m,平均厚度154.6 m,平均延深612.1 m,走向 NNE,倾向SEE,倾角70 80。。根据铁矿赋存环境 条件,袁家村铁矿属于大型露天铁矿,埋藏深度深, 开采以后将由山坡露天开采转为深凹开采。开采深 度达到地表以下300 400 mo边坡垂直高度将达 到600〜700 mo随着边坡的加高加陡，边坡稳定性 将越来越差,尤其在爆破冲击作用下,露天矿西帮节 理发育区域的稳定行更难以保证。目前爆破至 1670阶段已经出现了顺倾向的节理滑移，为此采用 预裂爆破抑制边坡稳定性的恶化。见图1、图2。 图1露天矿全貌 Fig . 1 Panorama of open pit mines 图2节理滑移 Fig . 2 Site blasting hole and test hole distribution diag ram 2爆破损伤测试方案 太钢袁家村露天采场台阶设计高度15 m,并段 后为30 m,台阶坡面角度65。。由于采场西部1665- 1575台阶已临近边坡最终境界,加之节理发育，爆 破前采用预裂爆破控制边坡稳定性。此次爆破区域 岩性为绢云母片岩，上部边坡岩石风化严重极不稳 定，节理裂隙较发育,岩石硬度系数/二58。预裂 爆破分为缓冲孔和预裂孔，各孔均采用倾斜孔，倾角 为65。。各爆破孔均选用宣化机械厂生产的JK580 液压潜孔钻机，为了方便施工,预裂孔、缓冲孔钻孔 直径均为115 mmo根据太钢铁矿岩石特性相关区 域以往预裂爆破经验，预裂爆破的孔距为1.5 m,缓 冲孔的孔、排间距定为3 mx4 m,不耦合系数为 2. 5。预裂爆破装药量，按经验数据确定采用 11.25炖,每个缓冲孔装药量为90血,采用预裂药 柱间隔不耦合装药结构的装药形式，为了克服底部 夹制底部采用三根 60的预裂药柱连续装药，接着 采用Q 45预裂药柱采用15组一虚一实的装药结 构，预裂孔填塞高度1.5 m,缓冲孔装药采用耦合 装药。 为了准确获取岩体节理开裂与岩体损伤情况, 在1605平台设置观测孔，其中A、B、C为钻孔摄像 观测孔，各孔相距3 m,并且在A、B、C孔响应位置进 行爆破振动测试。见图3。 76爆破2020年9月 图3监测方案（单位m） Fig . 3 Monitoring scheme（unit m） 3钻孔摄像测试 31钻孔摄像技术钻孔摄像技术 数字钻孔摄像技术是集电子技术、视频技术、数 字技术和计算机技术于一身的地质勘查新方法。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4。 16.6 16.7 16.8 - 16.9 - 17.0 - /孔B孔C孔 图5钻孔摄像测试结果 Fig . 5 Borehole camera test results 4爆破振动测试 4.1爆破振动设备爆破振动设备 此次爆破振动测试采用NUBOX-8016爆破振动 智能监测仪，这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 图4钻孔摄像技术成像原理示意图 Fig . 4 Borehole camera technolog y imag ing principle sketch ma 3.2钻孔摄像测试结果钻孔摄像测试结果 此次测试在露天矿西帮1605平台进行,该平台 采用分步预裂爆破，一次起爆6个炮孔。在预裂爆 破前，先对三个爆破孔进行钻孔摄像扫描; 爆破后再对三个钻孔进行一次钻孔扫描，通过爆破 前后对比获取预裂爆破的损伤范围。图5为A、B、C 三个爆破孔在16. 5〜17 m区间孔壁裂隙发育情况。 A孔裂隙网络较为复杂,不受原生裂隙影响,最大裂 隙宽度达到12 孔裂隙倾角接近60。，与原生 裂隙倾角十分接近，最大裂隙宽度达到8 mm；C孔 裂隙倾角多为80以上,接近竖直方向，最大裂隙宽 度达到2 mmo对比3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，裂 隙宽度逐渐减小，距离爆破点9 m外,原生节理没有 明显的开裂现象。 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。 4.2爆破振动测试结果爆破振动测试结果 为了有效比对钻孔摄像结果，爆破振动布设的 位置与钻孔摄像位置一致,参看图31、2、3为振 动测试监测位置，通过上述三个测点的爆破振动获 取了距离爆破点三个方向的爆破振动速度参见图 6。1测点的主振频率为28.2 Hz、最大振动速度为 -16.63 cm/s,2测点的主振频率为32. 1 Hz、最大 振动速度为-13・9 cm/s, 3测点的主振频率为 第37卷第3期张士磊预裂爆破作用下节理岩质边坡损伤区测试研究77 50 Hz、最大振动速度为11.43 cm/so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不超过12 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9 m以内为爆破损伤区。 a 1测点 a Test po in t 1 b 3测点 b Test po in t 3 图6现场爆破振动测试结果 Fig . 6 Field blasting vibration test results 综合考虑钻孔摄像与爆破振动的测试结果,袁 家村露天矿预裂爆破时，其节理边坡的爆破损伤区 大致范围为距炮区9m之内。 5结论 针对爆破载荷作用下高陡岩质边坡的稳定性问 题，开展研究，得到如下结论 1 以袁家村露天矿为工程依托,选取西边帮 节理发育区域为测试地点,建立数字钻孔摄像与爆 破振动测试手段相结合的现场爆破损伤监测方案。 2 基于数字钻孔摄像监测结果可知，随着爆 破距离的增加，岩体内部裂隙发育程度逐级递减，裂 隙宽度逐渐减小,距离爆破点9 m外,原生节理没有 明显的开裂现象。 3 基于现场爆破振动监测结果可知，随着爆 破距离的增加，爆破峰值质点振动速度逐渐降低,以 我国爆破振动安全标准为指标，得到在距离爆破点 9 m以内为爆破损伤区。 参考文献参考文献References [1]严 鹏，邹玉君,卢文波，等基于爆破振动监测的岩 石边坡开挖损伤区预测[J]岩石力学与工程学报， 2016,353 538-548. 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