爆破作用下別斯庫都克露天礦邊坡變形破壞機理

林令鑫，王振偉，黃科偉，李元浩，郭海棣

（北方工業大學 土木工程學院，北京 100144）

露天礦邊坡問題一直是采礦工程領域的熱點之一，邊坡穩定性問題對露天礦區的經濟效益和安全生產都有很直接的聯系。在露天礦開挖時經常用到爆破方法，但是爆破開挖對對邊坡的影響程度又是不容忽視的，因為它往往會對爆炸的周圍區域造成一定的巖體松裂或者損傷，又或者引起邊坡的整體或者局部滑坡，對人們的生產安全造成不可逆的損失。

已經有大量學者對爆破作用下露天礦邊坡變形破壞機理做了大量研究。朱帥帥[1]對爆破振動波的傳播機理、類型、相關參數以及目前預測爆破振動強度的方法進行詳細分析，然后對爆破振動波的頻率進行了分析，更深入地了解爆破振動波的相關特性，最后對爆破振動下邊坡穩定性的影響進行分析；肖雨等[2]在考慮爆破振動的影響下，建立了露天礦山臺階邊坡發生平面滑動的計算模型，推導出了最不利滑面傾角和最小穩定系數的解析解，通過對解析式中參數敏感性分析發現：對多臺階露天礦山穩定影響因素從高到低分別是臺階高度、坡面角、黏聚力、內摩擦角、平臺寬度，邊坡的穩定系數隨著臺階高度和坡面角的增大而減小，隨著黏聚力、內摩擦角和平臺寬度的增大而增加；宮長亮等[3]以大孤山露天鐵礦為研究對象，利用有限差分軟件FLAC3D從速度、加速度和位移3 個方面進行了爆破作用下邊坡動力響應的數值模擬，并對多次爆破作用下的邊坡塑性區、位移和安全系數演化規律進行了分析。為此，以新疆別斯庫都克實際礦區為背景，通過運用Midas GTS NX 研究了爆破作用下別斯庫都克露天礦區的變形破壞機理，以及循環爆破作用下爆區土體的位移演化規律[4-12]。

1 工程背景

別斯庫都克露天礦位于天山山脈東段與東準噶爾斷塊山系之間的草原上。礦區北西－南東向長4 km，東－西向寬3.5 km，面積15.02 km2。地形總體趨勢北高南低、東高西低，地貌形態為殘丘狀剝蝕平原，海拔1 269～1 339 m，東西比高差70 m，一般高差在5～10 m。礦區屬大陸干旱荒漠氣候，年溫差和晝夜溫差很大，年平均氣溫1.8 ℃，5—8 月為夏季，7月平均氣溫在25 ℃，白天氣溫常在40 ℃以上。10月下旬至次年3 月為冬季，氣候嚴寒，1 月最冷，平均最低氣溫－22 ℃，最低氣溫－44.7 ℃（1969-01-26）。年降水量100～150 mm，年蒸發量高達3 500 mm，年最大積雪厚度0.3 m，年最大凍土深1.5 m。區內常年多風，尤以3—6 月和冬季最大，風力一般4～5 級，經常有7～8 級大風，最大可達10 級，多以西北風為主。

而礦區土層主要為砂巖，泥巖以及排棄物料組成，該礦區鉆探共布置10 條勘探線，結合實際礦區情況，主要針對KT5 剖面分析。

2 理論基礎及模型

2.1 爆破慣性力

物體質點的振動速度與爆破采用的炸藥量及質心到爆破點的距離有關[4]。根據文獻，不穩定巖體質心處振動的峰值速度和峰值加速度分別為：

式中：Vmax為不穩定巖體質心處的峰值振動速度，cm/s；Q 為單次爆破的炸藥量，kg；R 為質心到爆破點的距離，簡稱爆心距，m；amax為不穩定巖體質心處由爆破引起的峰值加速度，cm/s2；K、λ 為與場地條件、巖性特性、爆破條件及爆破區與觀測點相對位置等有關的常數，其中堅硬巖石的K 取值范圍為50～100，λ 取值范圍為1.3～1.5，中硬巖石的K 取值范圍為150～250，λ 取值范圍為1.5～1.8，軟巖石K取值范圍為250～350，λ 取值范圍為1.8～2.0；f 為振動頻率。

2.2 有限元強度折減法

有限元強度折減法是將邊坡穩定性計算中的抗剪強度參數黏聚力、內摩擦角的值逐漸減小，直至邊坡達到失穩狀態，此時的最終折減系數F 為邊坡的安全系數Fs[5-6]。

式中：CF為折減后的黏聚力，kPa；C 為黏聚力，kPa；φ為內摩擦角，（°）；φF為折減后的內摩擦角，（°）。

2.3 莫爾－庫倫本構

莫爾－庫倫本構模型是比較理想化的彈塑性模型，主要把胡克定律和Coulomb 破壞準則進行了結合。莫爾－庫倫本構模型主要有5 個力參數：其中彈性模量和泊松比是控制彈性行為的參數；黏聚力、內摩擦和剪脹角是控制塑性行為的參數。該模型的假定對于大多數非線性的分析是可靠的，所以莫爾－庫倫本構模型可以用于大部分巖土材料。

每種材料都有著各自對應的物理力學參數，它們又對應著剪切強度方程。和另一些材料不一樣，土是不容易抗拉的，很多情況容易發生剪切破壞。在土體自身重立的作用下，巖體會產生剪應力，伴著剪應力的持續變化，應變也跟隨著持續變化，向特定的面發生剪切破壞。剪切應力引起的抗剪行為和抗剪極限叫做剪切強度。土的抗剪強度包括黏聚力和內摩擦角。

2.4 數值模型

為更好地體現出邊坡的變形規律，對剖面圖進行了一定的簡化。剖面網格劃分如圖1。

圖1 剖面網格劃分圖

通過對以往的各個項目的巖土體試驗研究成果進行收集、歸納、分析。采用巖土體工程地質性質類比的方法將適合于本次項目研究的試驗成果進行分析總結，巖體物理力學指標見表1。

表1 巖體物理力學指標

具體的動力分析，主要結合軟件中的動力荷載數據生成器來模擬爆炸時的荷載情況，具體時程荷載函數如圖2。

圖2 時程荷載函數

3 邊坡變形破壞機理

邊坡第1 階段爆破水平位移如圖3，第1 階段爆破總位移云圖如圖4。

圖3 第1 階段爆破水平位移云圖

圖4 第1 階段爆破總位移云圖

由圖3，在第1 階段爆破后邊坡水平方向位移最大值為265 mm，在兩臺階中間的斜坡處也發生了105 mm 的水平位移，具體計算如圖3，在爆點中心附近的土體受到的變形破壞程度最大，而在兩臺階中間的斜坡上土體也會產生一定的滑移。

由圖4，在兩臺階邊坡斜坡上爆破后，對兩臺階處造成的應力影響最大，而對下部土體基本不存在影響。

邊坡第2 階段豎直方向的平面壓強如圖5，第2階段y 豎向位移見圖6，第2 階段水平方向壓強見圖7。

圖5 第2 階段爆破豎直方向壓強圖

圖6 第2 階段爆破豎向位移云圖

圖7 第2 階段水平方向壓強圖

由圖5，隨著爆破次數的增加，在爆破進行到中間階段時，可以看到該邊坡的豎向的壓強在爆破點的最下方達到了最大值，且在其周圍呈環形區域向周圍遞減。

由圖6，在循環爆破的后程階段可以看到邊坡逐漸發生失穩，邊坡最頂部的堆積土發生塌陷。最大位移量可達到388 mm，且隨著時間變化位移會由爆破點逐漸向上延伸，直至發生塌陷?？梢婋S著爆炸次數的不斷疊加，邊坡會逐漸失穩以致塌陷，邊坡安全系數會逐漸降低。但邊坡整體無明顯滑坡現象。

由圖7，第2 階段在x 方向的平面壓強也很直觀地展現出了塑性區受到的影響會在爆炸點向下逐層減小。

綜上，別斯庫都克邊坡在爆破動荷載連續擾動下將發生多次滑坡。第1 次的滑坡首先在坡腳處形成位移突增的趨勢，在沿著邊坡表面向上逐漸發展后，首先在邊坡表面出現第1 個滑坡，在計算過程中，表層的邊坡一直在發育，位移也在不斷增大。第2 次的滑坡是在第1 個滑坡形成后，先在坡腳形成突增的位移，幾乎同時坡腳深部和邊坡頂部開始向該邊坡中部發展的位移趨勢。

4 結語

1）基于Midas GTS NX 有限元軟件，對新疆別斯庫都克露天礦在爆破作用下的變形破壞機理進行了模擬。通過控制爆破速度、炸藥密度、鉆孔直徑以及最大裝藥量得出該邊坡在循環爆破時不同階段對邊坡變形的影響程度，得到邊坡最終將發生多層式的滑坡破壞，且由上到下位移逐漸減小。表明邊坡在循環爆破條件下，穩定性會逐漸降低發生連續滑坡。

2）隨著下部爆破位移的產生，頂部土體發生了塌陷，由此可以得出，在臺階處爆破時應注意上方土體發生滑移以及塌陷，提前做好保護措施。

3）由模擬結果可得隨著爆破次數的增加，邊坡安全系數會逐漸變小，并最終發生失穩破壞。這表明隨著爆破次數的增加，巖石的力學性能會發生改變，連續爆破會大大 增加巖體損傷程度，造成邊坡塌陷的可能性增加，嚴重影響邊破穩定性。