爆破振动对米拉多铜矿边坡稳定性的影响分析

雷丁丁

（中铁建铜冠投资有限公司）

露天采矿生产作业中，爆破是主要工艺之一，而频繁的爆破振动对边坡稳定性的影响较大。一般来说，其影响主要表现在2 个方面［1-2］：一是爆破振动不断地作用在边坡岩体上，使岩体产生损伤，岩体原生节理逐渐扩大，破坏了岩体的完整度，使得边坡岩体强度降低，导致形成后冲破裂、顶部裂缝、表面岩石松动、掉块等典型破坏；二是爆破振动引起的惯性力增加了边坡下滑力，降低了边坡的安全系数，最终导致边坡滑塌、垮落。国内学者在爆破振动对边坡稳定性的影响方面做了许多研究。李祥龙等［3］针对爆破振动对边坡作用机理，引入了爆破振动的动力效应；刘礼福等［4］利用边坡岩体动态应力比系数对某矿露天采场进行了稳定性分析；陈明等［5］提出了边坡极限平衡分析的等效加速度计算方法，用来分析爆破振动对边坡稳定性的影响。

本文以现场实测数据为基准，通过研究爆破产生的地震波传播规律，从而确定爆破振动对边坡的影响程度，提出了临近边坡爆破的最大段药量；通过动态应力比以及等效加速度计算方法，确定爆破振动对米拉多铜矿边坡岩体以及整体边坡稳定性的影响，为边坡防护提供依据。

1 矿山概述

米拉多铜矿位于厄瓜多尔东南部的萨莫拉钦奇佩省，距离首都基多市约340 km。米拉多铜矿设计生产规模2 000万t/a，矿山总服务年限30 a，最高开采标高1 680 m，最低开采标高705 m，边坡最高975 m，并段台阶高度30 m，台阶坡面角65°，最终边坡角37.3°～44.1°。采场范围内没有大的断层，结构面以Ⅳ级为主，对整体边坡稳定性影响较小。组成边坡的岩体以花岗闪长斑岩、花岗闪长岩、角砾岩为主，边坡地质结构类型为碎裂岩体边坡、块状岩体边坡，花岗闪长斑岩以Ⅳ级为主，角砾岩以Ⅲ级为主，花岗闪长岩以Ⅱ级为主。

2 爆破振动测试及分析

爆破振动参数采用高精度NUBOX-8016 型爆破振动智能监测仪测试，根据现场生成爆破的实际情况，测点的布置采用固定测线法。

由于生产爆破集中在+1 220～+1 290 m 台阶，此区域分布有花岗闪长岩、角砾岩、花岗闪长斑岩，并组成终了边坡的主要岩性，选择在此区域进行爆破振动监测点布设。爆破振动测点的布置形式如图1所示。

爆破振动速度采用萨道夫斯基经验公式进行回归分析计算［6］：

式中，R为爆心距，m；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，kg；V为爆破振动速度，cm/s；K，α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，通过现场试验确定。

现场实测爆破振动数据见表1（以花岗闪长斑岩为例）。对爆破振动速度、最大段药量、爆心距依据式（1）进行拟合，见图2，K、α，振动回归参数见表2。

3 爆破振动对边坡稳定性影响分析

爆破振动对边坡稳定性的影响体现在对边坡岩体以及边坡整体稳定性2个方面，工程上常通过爆破振动质点速度进行判断以及控制。因此，可以通过爆破振动质点速度、DSR对应的岩体破坏特征以及安全系数来分析爆破振动对边坡稳定性的影响。

3.1 爆破振动质点速度控制

在整个露天矿山生产期间，爆破作业不断，边坡受爆破作用影响更大。为最大限度减少爆破振动对边坡岩体的损伤，国家相关标准［7］以靠帮边坡爆破振动质点不大于24 cm/s 作为限定，并且采取控制爆破方法。为保证靠帮边坡最大振动速度不超过限定速度，根据米拉多铜矿露天采场不同岩体的爆破振动速度衰减规律，确定临近边坡及靠帮爆破的允许药量以及控制爆破方法，见表3。

由表3可知：

（1）为满足临近边坡质点振动速度不大于24 cm/s的要求，Ⅳ级花岗闪长斑岩最大段药量远小于Ⅲ级角砾岩、Ⅱ级花岗闪长岩。

（2）距离边坡15～20 m 时，Ⅲ级角砾岩、Ⅱ级花岗闪长岩最大段药量有所不同。20～25 m、25～30 m 时，Ⅲ级角砾岩、Ⅱ级花岗闪长岩最大段药量相同。

（3）Ⅲ级角砾岩、Ⅱ级花岗闪长岩临近边坡时最大段药量相近，与Ⅳ级花岗闪长斑岩相差甚远，与其爆破振动速度衰减规律相关。

3.2 爆破振动影响下岩体破坏特征

爆破振动速度对岩体稳定产生的影响不仅与岩石本身强度相关，而且与岩石周围工程地质因素有关。文献［4］引入了动态应力比DSR来描述爆破振动对边坡岩体的影响，其原理如下：

式中，σD为爆破在岩体产生的动态应力，Pa；k为岩体质量指标，即RQD值；σt为岩体动态抗拉强度，MPa；ρ为岩体密度，kg/m3；c为岩体弹性纵波速，m/s。

DSR可以表征爆破振动引起的岩体损伤程度和破坏的类型，见表4［4］。

米拉多铜矿边坡岩体主要由Ⅳ级花岗闪长斑岩、Ⅲ级角砾岩、Ⅱ级花岗闪长岩组成，其与动态应力比有关的岩体力学参数见表5。

根据表3，Ⅳ级花岗闪长斑岩、Ⅲ级角砾岩、Ⅱ级花岗闪长岩爆破最大振动速度为22.17、23.43、23.65 cm/s，结合表5 岩体力学参数，根据式（2）可计算得DSR，对比表4，米拉多铜矿边坡岩体破坏特征见表6。

由上述可知：①爆破振动作用下，Ⅳ类岩体花岗闪长斑岩边坡岩体出现崩塌、掉块现象概率极大；②爆破振动作用下，Ⅲ级角砾岩、Ⅱ级花岗闪长岩边坡岩体出现无损伤破坏现象；③爆破振动对边坡岩体的影响，与爆破振动速度、岩体性质相关。

3.3 爆破振动影响下边坡整体稳定性等效加速度分析

根据上文分析，爆破振动对米拉多铜矿花岗闪长斑岩边坡具有破坏效应，为确定其对边坡整体稳定性的影响，本节采用等效加速度的方法进行分析，可按下式［5］计算：

式中，a为等效加速度；b为等效加速度的频率影响系数，取1.05～1.20，频率高时取大值；f，af分别为振动频率和加速度，为现场实测值。

根据国家相关标准［7］，爆破振动加速度与速度的关系如下：

临近花岗闪长斑岩边坡时，最大爆破振动22.17 cm/s，频率f取17.7 Hz，b取1.1，则米拉多铜矿花岗闪长斑岩边坡的等效加速度为1.05 m/s2，拟静力法爆破综合系数为0.027。经过计算，米拉多铜矿花岗闪长斑岩边坡整体安全系数为1.223，大于规范［7］规定的1.18，边坡整体稳定。爆破振动对米拉多铜矿花岗闪长斑岩边坡岩体具有破坏效应，会出现崩塌、掉块现象，对边坡整体无影响。

4 结论

（1）为满足临近边坡质点振动速度的要求，Ⅳ级花岗闪长斑岩最大段药量远小于Ⅲ级角砾岩、Ⅱ级花岗闪长岩；Ⅲ级角砾岩、Ⅱ级花岗闪长岩最大段药量相近；与各岩体爆破振动速度衰减规律相关。

（2）爆破振动作用下，Ⅳ类岩体花岗闪长斑岩边坡岩体出现崩塌、掉块现象概率极大；Ⅲ级角砾岩、Ⅱ级花岗闪长岩边坡岩体出现无损伤破坏现象；爆破振动对边坡岩体的影响，与爆破振动速度、岩体性质相关。

（3）爆破振动对米拉多铜矿花岗闪长斑岩边坡岩体具有小规模的破坏效应，对边坡整体无影响；在生产过程中，以防护花岗闪长斑岩边坡岩体崩塌、掉块为主。