大南湖二矿爆破振动影响分析及边坡稳定性研究.pdf
★科技与工程★ 移动扫码阅读 引用格式赵锦生,闫杰,李超,等大南湖二矿爆破振动影响分析及边坡稳定性研究 [J]中国煤炭,2 0 2 0,4 6 8 1 0 2-1 0 7 d o i1 0 1 9 8 8 0/j c n k i c c m 2 0 2 0 0 9 0 1 6 Z h a oJ i n s h e n g,Y a nJ i e,L iC h a o,e t a l I n f l u e n c e a n a l y s i so f b l a s t i n gv i b r a t i o na n ds t u d yo ns l o p e s t a b i l i t y i n D a n a n h uN o 2M i n e[J] C h i n aC o a l,2 0 2 0,4 68 1 0 2-1 0 7 d o i1 0 1 9 8 8 0/j c n k i c c m 2 0 2 0 0 9 0 1 6 基金项目煤科院基础研究基金 2 0 1 8 J C 0 5 大南湖二矿爆破振动影响分析及边坡稳定性研究 赵锦生1 闫 杰2 李 超1 李 伟2 1 国家能源集团神华国能大南湖二矿,新疆自治区哈密市,8 3 9 0 0 0; 2 煤炭科学技术研究院有限公司安全分院,北京市朝阳区,1 0 0 0 1 3 摘 要 为研究大南湖二矿南帮长期受爆破振动影响情况及边坡稳定性状况,在南帮布 置1 5个监测点进行爆破振动监测.通过对爆破振动数据分析,研究了爆破距离与振动速度 的关系,以及爆破振动对南帮岩体的影响范围和爆破作用对南帮边坡安全系数的影响.研究 结果显示,根据振动衰减规律,在爆破距离小于3 5 0m时边坡振动明显;爆破振动对边坡 岩体的水平影响范围为1 5 2 5 01 7 3 1 0m,垂直影响深度为2 5 0 07 4 8 1m;爆破振动对 边坡安全影响较大,安全系数随振动变动而变动,最大振动波时其稳定性最低为1 0 3 3.爆 破作用下边坡出现瞬时稳定性降低现象,可以满足临时边坡安全. 关键词 爆破振动 振动影响范围 边坡稳定性 衰减规律 中图分类号 T D 8 2 4 7 文献标识码 A I n f l u e n c ea n a l y s i so fb l a s t i n gv i b r a t i o na n ds t u d yo ns l o p e s t a b i l i t y i nD a n a n h uN o 2M i n e Z h a oJ i n s h e n g 1, Y a nJ i e 2, L iC h a o 1, L iW e i 2 1 S h e n h u aG u o n e n gG r o u pC h i n aE n e r g yI n v e s t m e n tC o r p o r a t i o n,D a n a n h uN o 2M i n e,H a m i,X i n j i a n g8 3 9 0 0 0,C h i n a; 2 M i n eS a f e t yT e c h n o l o g yB r a n c ho fC h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e,C h a o y a n g,B e i j i n g1 0 0 0 1 3,C h i n a A b s t r a c t I no r d e r t os t u d yt h e l o n g G t e r mi m p a c to fb l a s t i n gv i b r a t i o no nt h es o u t hs i d eo f t h eD a n a n h uN o 2 M i n ea n dt h e s t a b i l i t yo f t h e s l o p e,1 5m o n i t o r i n gp o i n t sw e r e a r r a n g e d i n t h e s o u t hs i d e t om o n i t o r t h eb l a s t i n gv i b r a t i o n B a s e do n t h e a n a l y s i s o fb l a s t i n gv i b r a t i o nd a t a,t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nb l a s t i n gd i s t a n c ea n dv i b r a t i o ns p e e d,t h e i n f l u e n c e r a n g eo fb l a s t i n gv i b r a t i o n o nt h er o c km a s so f t h e s o u t hs i d e a n d t h e i n f l u e n c e o f b l a s t i n ge f f e c t o n t h e s a f e t yc o e f f i c i e n t o f s o u t hs l o p ew e r e s t u d i e d T h e r e G s u l t ss h o w e dt h a t a c c o r d i n gt ot h el a wo fv i b r a t i o na t t e n u a t i o n,t h es l o p ev i b r a t i o nw a so b v i o u sw h e nt h eb l a s t i n gd i s t a n c ew a s l e s st h a n3 5 0m;t h eh o r i z o n t a l i n f l u e n c i n gr a n g e o f b l a s t i n gv i b r a t i o no ns l o p e r o c km a s sw a s 1 5 2 5 0-1 7 3 1 0m,a n d t h e v e r t i c a l i n f l u e n c i n gd e p t hw a s2 5 0 0-7 4 8 1m;t h eb l a s t i n gv i b r a t i o nh a dag r e a t i n f l u e n c eo nt h es l o p es a f e t y,a n dt h es a f e t yc o e f f i G c i e n t c h a n g e dw i t hb l a s t i n gv i b r a t i o n,a n dt h em i n i m u ms t a b i l i t yo fs a f e t yc o e f f e i c e n tw a s1 0 3 3w h e nt h em a x i m u mv i b r a t i o n w a v eo c c u r r e d U n d e rt h ee f f e c to fb l a s t i n g,t h ei n s t a n t a n e o u ss t a b i l i t yo ft h es l o p ed e c r e a s e d,w h i c hc o u l d m e e tt h es a f e t y o f t h e t e m p o r a r ys l o p e K e yw o r d s b l a s t i n gv i b r a t i o n,v i b r a t i o n i n f l u e n c i n gr a n g e,s l o p es t a b i l i t y,a t t e n u a t i o n l a w 露天矿边坡是采矿形成的人工边坡,部分露天矿 采用爆破作业,而边坡影响区域的爆破振动是边坡失 201 中国煤炭第4 6卷第9期2 0 2 0年9月 稳破坏的重要外部因素.爆破振动对边坡的影响范 围、爆破作用下边坡如何响应以及振动作用下边坡稳 定性变化规律,是一系列复杂的工程问题.露天矿生 产中单次爆破面积、爆源位置、装药结构、药量大小 等变化,产生的爆破振动波强度不同.爆破振动波在 不同介质中传递,由于传播介质的波阻抗特性,以及 地形、地质条件等因素的不同,其振动强度将会发生 改变.因此,输入边坡的爆破振动波强度,爆破对边 坡岩体的影响范围,及爆破作用下边坡稳定性变化规 律等是边坡安全评价关注内容. 1 大南湖二矿爆破工程简介 大南湖二矿采用延时爆破,矿区爆破振动速度 经验公式 V=K 3Q R α 1 式中V 安全质点振动速度, 爆破安全规程 对永久性岩石高边坡的安全允许质点振动速度规定 其不应超过1 0 0c m/s; K、α 与爆破地点地形、地质条件有关 的系数和衰减指数,根据 爆破安全规程以及现 场岩石属于中硬岩石,取K=3 0 0,α=2 0; Q 装药量,t; R 爆破中心至安全质点的距离,m. 爆破飞石是爆破的主要有害效应,也是爆破警 戒距离确定的主要指标,采取合理的前排抵抗线, 减小单孔药量,缩小孔排距,增加填塞长度,加强 填塞质量是防止浅孔爆破飞石的有效手段.根据伦 德伯格 L u n d b o r g统计规律,R 计算如下 R=K ′ q D 2 式中K ′ 与爆破方式、填塞长度、地质和地 形条件有关的系数,取1 6 0 02 1 0 0; q 钻孔平均装药量, k g /m 3; D 钻孔直径,mm. 2 现场监测目的与布设方案 在大南湖二矿南帮进行爆破振动监测,通过对 监测数据的统计与分析,研究爆破振动对南帮边坡 岩体的影响程度.选取典型采掘工作面,采用现场 监测数据,模拟爆破振动作用下边坡变化规律,分 析爆破振动对南帮边坡的影响程度.振动监测系统 由MEM S三向检波器、振动信号采集仪以及软件 系统构成. 1MEM S三向检波器.测量爆破震源激励 下场地的三向加速度振动响应信号.其中,X向 表示振动的来波方向 水平切向 ,Y向表示垂直 于来波方向 水平径向 ,Z向表示竖直向上 垂 直方向 . 2振动信号采集仪.在矿区南帮布设1 5个 测点,分3组开展爆破振动试验,测点布置区如图 1所示. 图1 爆破振动爆源点及测点布设图 3 边坡结构爆破振动响应影响研究 3 1 爆破振动分析内容 1时域分析.根据震速与时间曲线图,读取 测点振动的典型特征数据;研究振动信号的振动幅 值等参数、信号的稳态和交变分量随时间的变化情 况.通过波形分析得出振动最大值Vm a x,振动最大 值对应的时刻tm a x和振动持续时间t. 2振动持续时间分析.指振动波初始到结束 的时间,是反应爆破振动强弱的重要指标之一. 3主震频率分析.将频谱分析中最大谱值对 应的频率称为主频率 又称为卓越频率 ,爆破分 析中常用主频率、主频域来分析不同条件下爆破振 动的频谱特征.从频谱图中,得出主频率Fm a x和 频率范围Fc2个特征值. 3 2 监测数据分析研究 爆破振动效应是边坡结构对爆破振动波载荷激 励的动力响应,包括边坡结构受到爆破振动作用而 引发内力改变从而引起边坡位移、速度、加速度等 变化.本次进行了3组爆破试验,其中每组5个 点,利用1 5组监测数据对边坡响应进行分析,统 计数据见表1;选取3组爆破中典型监测曲线,典 型监测数据如图2所示. 301 大南湖二矿爆破振动影响分析及边坡稳定性研究 表1 3组1 5次监测数据 监测点 监测 方向 水平距离 /m X方向振速 / c ms -1 Y方向振速 / c ms -1 Z方向振速 / c ms -1 主振频率 /H z 持续时间 /s C J -0 1 11 1 2 70 2 5 10 3 2 50 1 5 15 17 2 5 21 2 0 40 0 6 30 0 7 00 0 6 15 35 2 5 33 5 00 8 3 00 8 4 00 4 8 04 44 2 5 C J -0 2 11 0 2 00 1 2 90 1 5 60 1 1 45 76 2 5 21 1 9 30 0 9 10 0 7 00 0 7 04 45 2 5 31 0 95 7 5 07 0 2 01 5 4 0 05 02 2 5 C J -0 3 11 2 2 40 1 9 90 2 0 60 1 3 66 07 2 5 21 2 2 10 0 4 90 0 4 90 0 7 03 76 2 5 32 3 50 8 1 01 1 0 01 4 7 05 84 2 5 C J -0 4 11 1 7 80 1 5 60 1 6 40 0 8 94 67 2 5 21 1 5 00 1 0 20 0 7 30 0 6 26 76 2 5 31 5 54 8 2 03 6 4 05 3 1 04 52 2 5 C J -0 5 11 1 4 20 2 0 80 2 3 00 1 2 64 87 2 5 21 2 0 00 0 5 60 0 5 50 0 5 77 86 2 5 31 3 71 4 7 2 07 0 1 01 5 5 4 04 22 2 5 图2 典型监测点X向振动速度波形图 第1组中5个监测点监测到的最大振动速度为 0 3 2 5c m/s,最小为0 0 8 9c m/s,在3个方向上, 水平方向振动速度大于垂直方向速度;主振频率为 4 66 0H z,振动持续时间约6 2 57 2 5s. 第2组中5个监测点监测到的最大振动速度为 0 1 0 2c m/s,最小为0 0 4 9c m/s,3个方向上速度 较相近;主振频率为3 77 8H z,振动持续时间 约5 2 56 2 5s. 第3组爆源位于南帮坡脚区域爆破,南帮振动 速度最大为1 5 5 4c m/s,最小为0 4 8c m/s,3个 方向上垂直方向速度大于水平方向速度;主振频率 为4 25 8H z,振动持续时间约2 2 54 2 5s. 通过对1 5个监测点数据的统计与分析,结果 显示距离边坡越近爆破持续时间越短,第3组爆破 试验距离南帮近,而振动监测持续时间在2 2 5 4 2 5s;第1组和第2组距离南帮远,而振动监测 持续时间在5 2 57 2 5s. 在爆破距离相近时,一次爆破区域越大,其振 动速度越大.第1组一次总装药量为2 0t,第二组 总装药量为1 6 5t,两组爆源与监测距离相近时, 第1组振动速度在0 0 8 90 3 2 5c m/s,大于第2 组的0 0 4 90 1 0 2c m/s. 在第3组监测数据中,监测点距离爆破区域较 近,垂直方向振动速度大于水平方向振动速度;当 振动传递至1 5 5m时,3个方向监测数据相近,随 距离增大至2 3 5m、3 5 0m,垂直方向速度衰减到 1 4 7 0c m/s、0 4 8 0c m/s,且垂直方向振动速度衰 减较水平方向衰减快,爆破振动对边坡影响主要是 水平方向振动波影响. 401 中国煤炭第4 6卷第9期2 0 2 0年9月 选取 监 测 点 距 离 爆 破 中 心X为1 3 7 m、 1 5 5m、2 3 5m、3 5 0 m、1 1 5 0 m、1 2 0 0 m,水平 方 向 速 度V最 大 值 分 别 为1 4 7 2 0 c m/s、 4 8 2 0c m/s、1 1 0 0c m/s、0 8 3 0c m/s、 0 1 0 2c m/s、0 0 5 6c m/s,模拟爆破中心振动波水 平方向衰减规律,数据拟合资料见图3所示,其衰 减规律为 V=3 2 2 7 5 3X- 2 1 7 7 3 当距离达到3 5 0m时监测点数据小于1c m/s, 因此爆破振动影响距离小于为3 5 0m. 图3 爆破振动速度衰减规律研究 4 爆破振动对边坡影响及边坡安全评价 爆破振动效应会引起岩体不同程度的损伤甚至 破坏,当爆破振动达到一定程度时,会造成露天矿 边坡失稳,严重时可能引起地质灾害和整体坍塌. 通过对已有爆破振动资料整理和分析,选取图2中 第3组南帮坡脚爆破振动波,输入模型后振动波持 续影响时间为0 91 9s.研究爆破对南帮剖面- 3边坡岩体的影响,模型图见图4,并分析爆破波 对边坡稳定性的影响. 图4 爆破振动数值计算中布设监测点位置 4 1 南帮岩体爆破振动影响程度研究 4 1 1 南帮岩体动剪应力峰值动力 q响应规律 在+3 9 5m水平爆破振动作用下,边坡岩体在 动剪应力作用下,初始阶段0 7 1 6 3s时,在爆破 区域下方岩体中形成剪切破坏区域,如图5a 所示.随振动加载时间累积,爆破影响规律显现明 显.在振动持续时间达到1 9 9 1 3s时,爆破振动 影响程度达到最深,在爆破区域,边坡岩体水平方 向上影响达到1 5 2 5 0m,影响至+4 0 5m水平台 阶,同时C J 0 5监测组第3个监测点位于该区域, 且监 测 数 据 速 度 较 大 竖 直 方 向 深 度 影 响 至 2 5 0 4m,如图5b所示. 4 1 2 南帮岩体水平方向位移变化规律 在+3 9 5水平爆破振动作用下,边坡岩体水平 方向位移规律,初始爆破区域变形由浅层向两侧扩 展过程,如图6所示;随振动波的增大与振动持续 时间的加长,在爆破区域下部表现为向浅层及深部 岩体两侧的水平位移,图6b中表现明显. 图5 爆破作用下边坡岩体剪应力响应 图6 爆破作用下边坡岩体水平方向位移变形 4 1 3 南帮岩体竖直方向位移变化规律 在+3 9 5m水平爆破振动作用下,边坡岩体垂 直方向位移影响随爆破振动增强和振动持续时间的 延长,影响范围逐渐增大,如图7所示.在振动持 续时间达到1 9 9 1 3s时,水平方向上影响爆破区 域达1 7 3 1 0m,垂直方向上向深部影响7 4 8 1m, 501 大南湖二矿爆破振动影响分析及边坡稳定性研究 见图7b所示. 图7 爆破作用下边坡岩体垂直方向位移变形图 4 2 爆破振动作用下南帮边坡稳定性变化规律 在南帮岩体爆破振动影响研究的基础上,研究 振动作用下边坡稳定性变化规律,通过极限平衡计 算得出,南帮边坡初始状态时边坡稳定性为2 3 8. 在爆破振动期间,爆破振动波持续时间主要集中在 1 61 8s之间,随振动时间的持续,边坡稳定性 出现波动变化,如图8所示;边坡稳定性变化规律 与振动规律一致时,其稳定性逐渐降低,最低时为 1 0 3 3,如图9所示.因此,爆破作用下边坡出现 瞬时 稳 定 性 降 低 现 象,大 于 临 滑 状 态 稳 定 系 数 1 0,坡脚爆破时边坡处于安全状态. 图8 爆破作用下南帮稳定性变化图 图9 爆破作用下南帮边坡出现的最低稳定性 5 结论 1监测大南湖二矿矿区爆破对南帮岩体的影 响,通过对监测点数据统计分析,距离边坡越近, 爆破对南帮作用持续的时间越短;在爆破区域距离 相近时,装药量越大,其振动速度越大;监测点距 离爆破区域越近时,垂直方向振动速度大于水平方 向振动速度;随振动传递距离增加,垂直方向速度 衰减程度大于水平方向速度衰减;水平方向爆破振 动衰减 与 距 离 呈 幂 函 数 关 系,衰 减 公 式 为V= 3 2 2 7 5 3X -2 1 7 7,在爆破振动距离在3 5 0m 以内时, 南帮边坡振动速度影响较大. 2在+3 9 5 m水 平 爆 破 振 动 作 用 下,在 0 9s开始有爆破振动影响,至1 9s影响停止,在 此期间选取应力和位移作为岩体变形破坏依据.根 据应力和位移变化,边坡岩体在爆破振动初始阶段 变形主要在爆破区域浅层岩石;随振动持续影响, 变形逐渐向深部及西侧岩体扩张.主要影响至边坡 +4 0 5m水平,在动剪应力作用下,水平方向上影 响爆 破 区 域 两 侧 至1 5 2 5 0 m, 深 度 影 响 至 2 5 0 4m;而推动变形影响中,水平方向影响爆破 区域1 7 3 1 0m,垂直方向上向深部影响7 4 8 1m. 因此,爆破振动在岩体中水平方向的影响在1 5 2 5 1 7 3 1 0m之间,而深部影响达到2 57 4 8 1m. 3结合矿区爆破振动监测,模拟研究了爆破 振动作用下南帮边坡稳定性变化规律,在振动影响 下边坡稳定性降低;爆破振动波集中在1 61 8s 之间,剖面的稳定性随振动波的幅度而变化,稳定 性变化规律与振动时间曲线可以相互吻合,随振动 结束边坡稳定性恢复,最大振动波时其稳定性最低 为1 0 3 3;因此,爆破作用下边坡出现瞬时稳定性 降低现象,但可以满足边坡稳定性大于临滑状态稳 定系数1 0的安全要求. 参考文献 [ 1] 费志超,袁绍国,郭鲁川,等露天矿控制爆破测 震与数 据 分 析 [J]现 代 矿 业,2 0 1 3,2 9 7 9 0-9 1,9 7 [ 2] 刘玉福,王振伟哈尔乌素露天煤矿边坡爆破振动 安全评 价与 数 据 分 析 [J]煤 矿 安 全,2 0 1 4,4 5 6 2 1 5-2 1 7,2 2 1 [ 3] 王和平露天煤矿爆破振动对非工作帮边坡稳定性 的影响 研 究 [J]能 源 与 环 保,2 0 1 7,3 9 7 1 1 5-1 2 1 [ 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十三五”全省化解煤炭过剩产能6 4 6 0万t的规划 目标任务. 据了解,近年来,山东省扎实开展 “ 四减四 增”工作,全省煤炭消费压减工作取得了积极成 效.但是全省煤炭消费总量控制形势依然严峻,完 成国家确定的煤炭消费压减任务、保障新旧动能转 换重大项目建设能耗刚性需求成为亟须解决的突出 问题. 2 0 1 9年7月 份,山 东 省 政 府 办 公 厅 公 布 了 关于严格控制煤炭消费总量推进清洁高效利用的 指导意见 ,确定利用5年左右时间,将全省煤炭 消费争取净压减5 0 0 0万t.同时严控新增高耗煤项 目,对确需新建的耗煤项目,必须落实产能置换和 煤炭消费减量替代,否则一律不予立项. 2 0 2 0年3月份,山东省发改委就曾公布了该 省2 0 2 0年化解煤炭过剩产能的工作目标,彼时的 任务量为9 9 4万t,其中关闭退出煤矿7处,化解 产能7 6 1万t;核减产能煤矿5处,化解过剩产能 2 3 3万t.此次方案调整后,全省新增煤炭化解过 剩产能任务1 6 2 7万t. 具体来看,此次 通知要求,各有关市、企 业要坚持有序组织退出,编制煤矿关闭退出方案, 明确停产、回撤、关闭等时间节点,按程序完成报 批工作. 通知同时明确,上半年已实施关闭的煤矿, 要对照标准做好验收工作;下半年计划关闭的煤 矿,要确保9月底前停产、1 0月底前关闭到位、 1 2月底前通过省级联合验收.列入核减生产能力 计划的煤矿,要于9月底前完成生产能力核减和相 关信息变更登记、公告等工作.购买省外煤矿产能 指标的煤矿,要于9月底前完成产能指标交易合同 签订,并按程序报省煤炭行业化解过剩产能实现脱 困发展专项小组办公室备案. 701 大南湖二矿爆破振动影响分析及边坡稳定性研究