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国外某露天矿边坡爆破振动监测及数值模拟

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sedalNo.560December.2015现代矿业总第560期2015年12月第12期MODERNMINING国外某露天矿边坡爆破振动监测及数值模拟包德荣高永涛1’2肖术1孔戈3(1.北京科技大学土木与环境工程学院;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室;3.上海众材工程检测有限公司)摘要木以国外某露天矿生产爆破为研究背景,采用振动监测仪进行了4组爆破振动监测试验,监测数据分析表明,边坡爆破振速较大,振动持续时问较长,两者是影响露天边坡动力稳定性的主要因素。采用三维有限差分法进行了露天矿靠帮生产爆破数值模拟,并与现场监测结果进行对比。结果表明:①数值模拟结果与现场实测的振速波形变化规律及振速峰值基本一致;②在爆破载荷作用下,邻近爆源台阶坡面底部产生了剪切塑性破坏,坡顶产生了张拉塑性破坏,最大水平位移(约10mm)发生在台阶坡顶。上述研究结果进一步表明:靠帮生产爆破对露天矿边坡稳定性影响较大,有必要采取适当的减震措施,降低爆破振动对边坡稳定性的影响。关键词露天矿山边坡生产爆破爆破振动数值模拟减震措施ForeignOpen-pitMonitoring(1.SchoolofBlastingVibrationandNumericalSimulationofBaoDeron91GaoYongta01・2XiaoShulaMineSlopeKongGe3ofCivilandEnvironmentEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing;2.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforEfficientMiningandSafetyofMetalMine;3.ShanghaiZhongcaiAbstractsetEngineeringaTestingCo.,Ltd.)asTakingtheproductionblastingoftestsareforeignopen—pitminetheresearchexample,fourofblastingvibrationmonitoringconductedbyusingthevibrationmonitors,themonitoringdataanalysisresultsshowthatthevibrationvelocityoftheslopeislargeandthevibrationdurationislong,thevibrationvelocityandvibrationdurationarethemaininfluencefactorsofthedynamicstabilityofopen—pitcon—mineslope.Inaddition,thenumericalsimulationofproductionblastingoftheopen—Pitmineslopeisductedbasedonthetllree.dimensionalfinitedifferencemethod.thenumericalsimulationresultsandthearesitemonitoringresultscomparedwitheachother.neresultsshowthat:0)thearevibrationvelocitywave—formandpeakvalueofvibrationvelocityobtainedbynumericalsimulatingtheonesbasicallyconsistentwichOC—thatobtainedbysitetheslopetoenearmonitoring;②withtheeffectofblastingloads,theshearplasticfailureisatcurredattheexplosionsource,andthetensionplasticfailureisoccurred10theslopetop,thelargesthorizontaldisplacement(aboutmm)istooccurredatthesloetop.neaboveresultsfur.neces—therindicatedthattheinfluenceofproductionblastingopen—pitmineslopeisbig,therefore,itisonsarytotakeeffectivevibrationreductionmeasurestoreducetheeffectsofblastingvibrationtyoftheopen-pitmineslope.thestabili.KeywordsOpen—pitmine,Slope,Productionblasting,Blastingvibration,Numericalsimulation,Vibrationreductionmeasures+国家自然科学基金项目(编号:51178044);科技北京百名领军人才培养工程基金项目(编号:Z151100000315014);北京高校青年英才计划资助项目(编号:YETP0340)。包德荣(199l一),男,硕士研究生,100083北京市海淀区学院路30号。露天矿边坡的稳定状态除了与边坡岩体性质、结构面发育程度、边坡设计参数等有关外,还与频繁的生产爆破振动有关‘¨。针对爆破振动对边坡稳定性的影响,李俊如掣23通过监测边坡爆破振动,万方数据总第560期现代矿业2015年12月第12期分析了爆破开挖时边坡的振动速度衰减规律,认为不利于边坡稳定,其中RL。组上部为云母片岩,下爆区质点振动速度随高程存在放大效应;傅倬等[3]部为泥岩;Rb组主要为泥质石英岩,局部夹有云母通过对距爆源最近且最敏感的核岛进行了爆破振动片岩和砾岩。矿区地表岩石基本为软岩、风化严重,监测,得出了台阶爆破振动加速度衰减参数(七、a)易破碎、强度低,风化深度不超过80m,深部岩层为的最佳取值;朱传云等Ho通过室内振动试验模拟了硬岩,风化程度相对较低,强度较高。目前,随着露爆破对岩体结构面力学特性的影响,并建立了内摩天边坡开采的不断推进,在边坡开挖和频繁的生产擦角与质点振动速度的关系;卢文波等"1通过引入爆破作用下,矿区南帮边坡多处区域已发生不同程介质阻尼项,建立了球形药包爆破条件下岩体介质度的塌方,尤其是矿山实行双台阶并段开采后,台阶中爆破振动的频谱表达式,进而分析了爆破振动的高度达到30m,极易发生失稳。衰减机制和影响因素;郑允等K1基于UDEC软件进2爆破振动监测及分析行了二次开发,提出一种计算岩质边坡爆破开挖下2.1爆破振动监测试验边坡安全系数的节点拟静力法;刘洪兴等¨1采用试采用TC-4850型爆破测振仪对该露天矿的4次验和数值模拟方法研究了露天矿爆破振动对附近边生产爆破进行了测振试验。每次试验的监测点布置坡及民用建筑动力稳定性的影响;陈明等¨1结合理方式类似,均沿远离爆源方向依次布置5个监测点论分析和数值模拟方法研究了边坡爆破振动速度的(图1)。在每个监测点布置具有监测水平径向、水高程放大效应。本研究以国外某露天矿生产爆破为平切向及竖直方向速度功能的传感器,爆破振动监例,采用振动监测仪获取现场爆破振动试验数据,从测结果见表1。爆破振速衰减规律和振动持续时间等2个方面研究生产爆破振动的传播规律,采用有限差分动力分析模块对爆破载荷作用下的边坡稳定性进行数值模拟,分析边坡在生产爆破作用下的破坏特征。1工程概况国外某露天矿区地质构造主要为褶皱,基本无断层影响,矿区南帮地层主要为下罗恩群的RL6组与RIJ7组地层,总体呈顺倾趋势,平均倾角40o,图1爆破试验监测点布置表1爆破振动监测结果雾害艘单施/kg爆豢离爆破振动速度Ⅳ(cm/s)爆破振动持续时间/s主振频率∥Hz水平径向水平切向,竖直方向水平径向水平切向竖直方向水平径向水平切向竖直方向1。3.4612517.326.33225.54335.3531.020.84O.769.72111.74710.127243.9035027.525.32819.85430.731.301.521.2l22.98917.09425.316305.3012526.516,61411.33615.9930.660.800.6340.20167.79710.8704”5.7612528.815.21310.63016.6461.5l1.421.039.4458.65811.173506.0335042.515.4459.14615.1810.981.601.0223.88112.50019.185606.7554055.012.8028.80714.9861.081.121.0413.84114.28610.8557。7.8412539.29.6887.44515.7070.760.630.6733.61322.40929.412808.1635057.59.4018.24412.2761.050.94O.9716.84219.18514.981948.2012541.04.9474.7067.2551.321.061.2314.70613.93712.90310#8.3655068.57.4924.9247.5750.830.851.0021.56322,9889.4901149.2154075.013.4784.73I8.0831.001.000.9211.1738.70511.09612”10.2935072.55.5484.5296.6400.860.96O.9118.51813.07220.88813。10.8055088.56.7603.9366.5730.820.931.0315.38523.5999.60414#11.6754095.05.4504.2215.2590.921.081.0014.57213.74611.69615。12.4235087.56.4456.5865.5430.951.101.1115.90512.90313.35616。12.63550103.55.6534.9806.9861.2l1.0l1.1210.97414.78711.969】7014.12540115.02.8922.8343.690.881.04O.9618.73515.29611.59418015.93550130.53.6252.8163.6351.331.121.1314.1349.62710.03819416.58540135.01.8621.5863.6610.800.880.8423.95226.57822.66320017.27550141.52.5861.8832.0321.7l1.241.1510.4309.31315.355122万方数据包德荣高永涛等:国外某露天矿边坡爆破振动监测及数值模拟2015年12月第12期2.2监测结果分析2.2.1爆破振速回归分析采用萨道夫斯基经验公式分析爆破振动速度及其衰减规律。为便于进行数据回归拟合分析,对该公式两边分别进行对数运算得:倍一]。测点爆破振动持续时间频数见图3。由图3可知:水平径向、水平切向和竖直方向的爆破振动持续时间主要集中于0.8~1.2s,其中,3个方向的平均爆破振动持续时间分别为t.05,1.06,0.99s,3个方向的爆破振动持续时间最长为1.71s,振动持续时间大于1s的监测点占全部监测点的66%,边坡整体振动持续时间较长,不利于边坡的稳定性。In,y1RL3一/。后R/On1’=lalnR’,(1)式中,y为振动速度,cm/s;七、a为爆破振动加速度衰减参数;R’为比例距离;R为测点爆心距离,m;Q为最大单段药量,蚝。据表1,运用式(1)对测点振动速度随比例距离的衰减规律进行回归分析,可得3个方向质点振速的衰减公式,见表2。水平径向、水平切向及竖直方向质点峰值振速与比例距离的关系曲线见图2。由图2可知:随着比例距离的增加,各方向质点峰值振速迅速衰减,符合爆破振速的衰减规律。表2质点振速回归分析结果图3爆破振动持续时间和频数-一水平任向:一水、卜f=IJ阳:j三一。骚直,J‘向3边坡爆破振动稳定性数值分析3.1数值模型及参数选取该露天矿南帮4。边坡现状剖面进行研究,根据其边坡形状及土层分布,建立了FLAC30数值模型(图4),模型尺寸160mx90m×20m,最大台阶高30m。为模拟矿山靠帮生产爆破,爆破载荷加载区域位于模型左边界,距底部台阶坡脚40m。边坡岩体主要为风化泥质石英岩层和泥质石英岩层,岩层物理力学参数见表3。为观察边坡速度、位移在01.52.OlnR2.53.01.01.52.0lnR’2.53.0爆破模拟时的变化规律,在爆源临近台阶坡顶和坡脚处设置了A”、B。、C4等3个临测点(图4).(a)水平径向(bJ水平切向羔卦\\图2峰值振速与比例距离关系拟合曲线根据表2中3个方向的爆破振速回归公式,可得边坡坡脚处水平径向最大振速为11.5cm/s,水平切向最大振速为8.56cm/s,2个方向振速临近安全允许值,竖直方向最大振速为15.79cm/s,超出了安全允许值。可见:该露天矿靠帮生产爆破使得邻近边坡振速较大,不利于边坡的稳定性。2.2.2爆破振动持续时间分析岩层自肱●图4边坡三维数值模型(单位:m)表3岩层物理力学参数(21.0026.703)弹/性M模Pa量泊松比黏/k聚P力a3)90055000.350.31603001目依几内/嚣蔫角(o)2342风化泥质石英岩泥质石英岩除边坡质点峰值振速外,振动持续时间对边坡动力稳定性的影响亦较大,当振动持续时间从1增加至50s时,爆破振动的破坏能力将提高50s本研究采用Lysmer和Kuhlemeyer提出的黏性边界,该边界条件是在模型的法向和切向分别设置123万方数据总第560期现代矿业2015年12月第12期自由阻尼器,从而达到吸收入射波的目的。模型中除边坡坡面及顶部为自由边界外,其余5个侧面均设为黏性边界。3.2爆破动力载荷・角形或指数型脉冲载荷由于涉及众多的参数及尽可能的简化假设,计算结果与实际误差较大。为避免计算中产生较大误差,本研究在计算时选取靠帮生产爆破中距爆源较近测点的速度时程曲线作为爆破动力载荷,现场实测的竖直和水平径向速度时程曲线见图5。目前,爆破动力数值分析时施加的动力载荷类型主要有具有半经验、半理论的指数型或三角型脉冲载荷以及现场实测的振动速度时程载荷2类。三IJ二j誓i◆一¨I)’1.11,K、1’f≠m】II,11『j上in同图5现场实测质点各方向速度时程曲线FLAC3D软件中,黏性边界上的作用力是根据边界上的速度分量计算得到的,若再施加速度载荷会使黏性边界失效。为此,需将速度时程曲线转化为应力时程曲线,再施加于模型边界上,曲线转化计算公式3.3计算结果分析3.3.1振速对比分析由数值模拟得到的B8点处(爆源邻近台阶坡顶)水平径向和竖直方向的振速时程曲线与现场实测结果对比见图6。由图6可知:数值模拟与现场监测的振速波形变化规律基本一致,波形在0.2~O"n=一2pc^,to-。=一2pC。t)。(2)式中,or。、or。分别为施加的法向和切向应力载荷,MPa;p为介质密度,kg/m3;C。C。分别为P波和s波在介质中的传播速度,cm/s;秽。、秽。分别为输入质点的法向和切向振速,cm/s。nn6,s期间的幅值均相对较大。各测点数值模拟与现场实测的峰值振速对比结果见表4。由表4可知:各测点由数值模拟得到的水平径向和竖直方向0.8的峰值振速与现场实测结果相近,偏差均不超过15%。004in.02。川川1..’《渊In)水、}7f々fi】ii:|JI㈧。.慷『!I。从k蓠戳崔一002一O.04一O.06黔FV:hI”§自,J同图6数值模拟与实测振速时程曲线对比一数值筒拟:~观场实删3.3.2边坡破坏特征分析部水平位移逐渐增大,0.2—0.8S期间位移增速较快,与监测得到的水平径向速度波形幅值变化特征相近。爆破后边坡水平位移分布云图见图7。由图7可知:最大水平位移出现在爆源附近,爆源邻近台阶坡面相对其他台阶水平位移较大,产生了3~10的水平位移,其中坡顶位移最大,约10mm。mm爆破过程中边坡塑性破坏区分布情况见图9。由图9可知:距爆源15m的范围内出现剪切塑性破B’点处(爆源邻近台阶坡顶)的位移时程曲线(负位移表示质点产生沿边坡临空面方向的位移)见图8,由图8可知:爆破过程中,邻近爆源台阶顶124坏,塑性区分布呈半漏斗状,与实际爆破现象相符;爆源邻近台阶坡面底部出现剪切塑性破坏,坡顶附近出现张拉破坏。万方数据包德荣表4高永涛等:国外某露天矿边坡爆破振动监测及数值模拟数值模拟与现场实测峰值振速对比2015年12月第12期单段起爆药量、避免压渣爆破等措施,尽可能降低爆破对边坡稳定性的影响。4结论(I)靠帮生产爆破作用下边坡振速较大,其中竖直方向振速超过了安全允许值;边坡岩体振动持续时间平均为I.03s,最长达1.71s,振动持续时间.,水平径向竖直方向3.O3.2较长。较大的爆破振速及较长的持续时间是该露天矿边坡动力失稳的主要影响因素。(2)数值模拟与现场监测的振速波形变化规律及振速峰值基本一致,峰值出现时间相近,振动波形乙"№H他加00o:相似,表明三维有限差分动力模块可有效模拟边坡的爆破振动。(3)在爆破载荷作用下,边坡底部台阶坡脚产生剪切塑性破坏,坡顶产生张拉破坏,台阶坡顶水平,乏之图坡水平向位移分布破一㈣O㈨O㈣O㈣O㈣●竺”墓J.』一0.0≮、位移最大,约10mm,由此可知,该露天矿靠帮生产爆破不利于底部台阶稳定,应采取相应的减震措施。参考文献[1]陈继强,王\\\、杰,常剑.某露天矿山爆破振动测试研究[J].现代矿业,2015(4):208-210.[2]00.2一一\一∑f]一一0一10460.8时间/s李俊如,李海波,高建光,等.黄麦岭采场边坡爆破振动响应研究[J].岩石力学与工程学报,2004(17):2954-2958.[3]傅倬,方向。郭涛,等.田湾核电二期深孔台阶爆破振动监测与分析[J].工程爆破,2008(3):74-76.图8爆源邻近台阶坡顶水平位移时程曲线[4]朱传云,赖世骧,卢文波,等.爆破振动对岩体结构面影响的室内试验研究[J].工程爆破,1996(4):51-54.●无塑性破朔一鼬切破坏[5]卢文波,张乐,周俊汝,等.爆破振动频率衰减机制和衰减规律的理论分析[J].爆破,2013(2):1-6.口张拉破坏[6]郑允,陈从新,朱玺玺,等.基于UDEC的岩质边坡开挖爆破节点拟静力稳定性计算方法[J].岩石力学与工程学报,2014(S):3932-3940.图9爆破后塑性破坏区分布[7]刘洪兴,璩世杰,何文,等.露天矿爆破振动对建(构)筑物稳定性影响研究[J].金属矿山,2013(6):25-28.综上所述:该露天矿邻近边帮的生产爆破对边坡稳定性具有一定的影响,尤其对爆源的邻近台阶产生了扰动,与现场边坡在爆破后出现垮塌失稳的现象相符。因此,在实际生产爆破中,建议采取控制[8]陈明,卢文波,舒大强,等.精确延时爆破条件下的边坡振动响应特性[J].工程爆破,2014(2):1-5.[9]李的林,高振儒,朱立新.爆破震动危害中几个重要因素分析[J].工程爆破,1999(3):64_67.(收稿日期2015-07-20)・记者在线・汉中嘉陵黑山沟分公司同涉爆人员签劳动合同日前,汉中嘉陵矿业公司黑山沟分公司相关单位同辖区涉爆人员共39人签安全管理劳动合同。为认真落实爆破物品“积极预防、从严管理、服务生产、保障安全”的方针,进一步夯实安全管理工作,杜绝和预防爆破物品在领取、使用、运输、保管各环节中各类事故的发生,黑山沟矿加强对涉爆物品爆破员、安全员、保管员“三大员”的管理力度,在严格培训、的基础上,矿安全部门同涉爆物品“三大员”签订了劳动合同。合同期限为一年,合同对“三大员”的权利和义务进行了明确。125万方数据

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