赵 奎王 明何 文王晓军柯新华

（1.江西理工大学工程研究院；2.钨资源高效开发及应用技术教育部工程研究中心；3.江西理工大学资源与环境工程学院；4.江西铜业集团公司德兴铜矿）

·安全与环保·

露采爆破振动对拟建水库坝体影响研究*

赵 奎1，2王 明3何 文1王晓军3柯新华4

（1.江西理工大学工程研究院；2.钨资源高效开发及应用技术教育部工程研究中心；3.江西理工大学资源与环境工程学院；4.江西铜业集团公司德兴铜矿）

某露天采场采用中深孔爆破，采场最终边界附近拟建酸性水库坝体。为了研究露天采场爆破振动对坝体稳定性的影响，首先对露天采场爆破振动进行现场测试，对测试结果进行了回归分析，得到了爆破振动的最大振速公式；其次，根据现场实际情况对坝体处最大振速公式进行了修正；在此基础上，采用数值模拟的方法研究了露采不同时期爆破振动作用下坝体的安全系数。结果表明：露采一期爆破振动过程中，坝体是稳定的；露采二期爆破振动过程中，坝体稳定性较差，提出了降低单段最大药量的技术措施。

露天采场 爆破振动 坝体 振动速度 数值模拟

爆破作为矿山日常生产的重要手段和主要工艺，会伴随矿山的整个生产过程［1-2］。但爆破的实际应用过程中，也存在爆破振动、空气冲击波、飞石、噪音和有毒有害气体5大危害，而爆破振动排在首位［3］。我国对爆破地震效应的研究始于上世纪50年代末，而真正进行深入及广泛性研究则始于上世纪80年代初［4］。由于爆破质点的振动速度在一定范围内能较好表征建（构）筑物等的破坏程度，因此爆破质点振动的峰值速度一直在安全判据的表征中占有重要地位［5-8］。伴随计算机技术的发展，数值模拟也已成为研究爆破振动的一种主要且行之有效的方法［9-11］。把爆破振动速度和数值模拟方法相结合，综合分析爆破振动条件下建（构）筑物的动力响应情况，可以更好地评价爆破振动对建（构）筑物的影响。

本研究针对某露天采场附近拟建水库坝体的工程实际，通过现场实测和数值模拟相结合的方法，研究了露天采场爆破对坝体稳定性的影响。首先通过露天采场爆破振动测试，得到了爆破振动的最大振速公式。为了更好地研究爆破振动对坝体稳定性的影响，结合工程实际对坝体处的振速公式进行了必要的修正。据此，建立了相应数值模拟计算模型，模拟结果表明，露天一期开采爆破振动对坝体稳定性影响较小，二期爆破振动过程中，爆破振动将对坝体稳定性造成较大影响，可通过降低单段最大药量的方法保障坝体的稳定性。

1 工程概况

某露天开采金属矿山，露天采场台阶高度12 m，现生产能力为5 000 t／d，最终达到8 000～10 000 t／d的生产规模。为了对矿区排土场产生的酸性废水进行收集存储，拟在露天采场东北方向利用山谷地形建一酸性水库，其主要位置位于2＃～6＃勘探线之间，见图1。酸性水库在露天采场东北方向，水库坝址位于山谷出口，即6＃勘探线附近。大坝按不透水土石混合坝设计，坝底标高＋85m，设计坝顶标高＋106 m，坝跨度为88 m。由于地形原因，蓄水后最大蓄水高度位于坝体部位，为21 m，蓄水高度较低部位在库区东北角与西北角2个部位。

图1 拟建酸性水库与露天采场相对位置及爆源和测点分布

露天采场现已开采至0 m平台，一期工程规划开采至－192 m平台，二期工程规划开采至－280 m平台。由于拟建酸性水库库址位于露天采场东北方向，且距离较近，露采爆破药量多，规模大，其产生的爆破振动效应对酸性水库拟建坝体稳定性将产生一定的影响。随着露采深度的增大，露天采场境界逐步扩大，爆破作业的地点距离拟建酸性水库库址也越近，爆破振动对拟建酸性水库动力稳定性的影响将更大，特别在水库蓄水后，随着露天开采上部剥离量加大，开采境界不断外延，对坝址稳定性有可能产生更大的影响。

2 爆破振动测试及结果分析

2.1 测振仪器

现场测振采用的是加拿大Instantel公司生产的BlastMateⅢ型测振仪，测振仪采用微电脑控制现场测速等操作。该测振仪主机由自带固化程序的微型电脑、热敏打印机、充电蓄电池组成，辅体由三维测振传感器（拾震器）组成，可以采集P、SV及SH 3种振动体波［12］。测振时，将拾震器插入主机的相应插孔，便可形成完整的测试系统。测试中测振仪所选用的主要性能参数如下：①触发方式为自动触发；②触发水平0.5～1 mm／s；③监测方式为连续监测方式；④采样率为1 024／4 096 Hz；⑤通频带为2～300 Hz；⑥速度误差＜0.01 mm／s；⑦加速度误差＜0.009 8 m／s2；⑧位移误差＜0.001 mm。现场测振仪器布置如图2所示。

图2 现场测振仪器布置

2.2 测振结果

对露天采场爆破进行测振试验时，每次爆破测振试验，测振仪布置与爆源呈直线，测振仪与爆源及测振仪与测振仪间间隔一定距离，爆源及测振点位置见图1。用4台测振仪对露天采场7次不同位置爆破作业的振动信号进行了测试，共采集到19组有效试验数据，露天爆破现场测振试验的测试结果见表1。

2.3 爆破振动速度回归分析

国内主要采用萨道夫公式进行爆破速度的预测和研究［2］，爆破振动最大振速公式为

式中，Q为单段药量，kg；R为爆源至测点间距离，m；K和α为与爆破点地形、地质条件有关的场地系数和衰减指数。由表1中的测振数据采用最小二乘线性回归方法，得到式（1）中的待定参数K和α，最优拟合结果为K＝16.68，α＝1.174。从而得到露天采场至拟建酸性水库库址区间的爆破振动最大振速

表1 测振结果

公式为

由于坝址部位蓄水高度最大，所以露天采场爆破对坝址位置的振动效应是分析的重点。在7个爆源中，图1中的 A位置爆源在露天采场东北部＋96 m平台，距离拟建酸性水库坝址最近，所以同等药量下，A位置爆破作业引起拟建酸性水库坝体的振动效应最大。因此A位置爆破时，坝址处的试验数据最能反映坝址受爆破振动的影响。

图1中位于坝址位置的10号测点由式（2）计算得到最大速度拟合结果为0.459 cm／s，比实测值0.249 cm／s偏大，其原因在于A位置距离拟建酸性水库库址间地形较为复杂，且拟建坝体的下方存在采空区，所以测振信号有所衰减。式（1）中，场地系数K的变化一般比较显著，衰减指数 一般变化不大，通常为1～2［13-14］。所以对于坝址位置的K根据A位置爆源实测结果进行修正，修正后的坝址位置的爆破振动最大振速公式为

3 坝体稳定性分析

3.1 露采一期对坝体稳定性的影响

露天采场一期工程规划开采至-192 m平台，最终开采境界见图1，拟建酸性水库坝址高程为＋85 m，一期露天边坡爆破作业点距离坝址最近距离为260 m，露天采场爆破作业的单段最大药量为10 t，由式（3）计算可得坝址处的振动最大合成速度为0.49 cm／s。拟建酸性水库未蓄水前提下，坝址质点最大振动速度允许的安全范围为3.5～4 cm／s，符合此类建（构）筑物爆破振动的安全标准［2］。

水库蓄水后，坝体位置蓄水高度约为21 m，采用数值模拟的方法分析爆破振动对坝体稳定性的影响，坝体典型剖面的有限元模型见图3，模型中材料参数由试验获得，见表2。

图3 坝体剖面的有限元模型

表2 材料参数

数值计算使用Geostudio有限元软件的动力学Quake／W模块。计算时主要考虑P波（方向垂直于坝体）和SV波（方向平行于坝体）的共同作用对坝体的影响。坝址处的振动波形见图4，爆破振动波形以位移的形式加载至坝基，共4 532个计算步，时间步长9.76×10－4s。当Quake／W动力学模块完成坝体振动计算后，将计算结果导入Slope／W模块，采用Newmark Deformation方法计算出坝体在爆破振动作用下的安全系数随时间的变化，结果见图5。由图5可知，露采一期境界爆破引起坝体振动的过程中，坝体的安全系数的最小值为1.352，安全系数大于水库坝体最小安全系数的要求。

3.2 露采二期对坝体的稳定性影响

露天采场二期工程规划开采至－280 m平台，最终开采境界见图1，此时爆破作业点距离坝址最近处为170 m，露天采场爆破作业的单段最大药量为10 t，由式（3）计算可得坝址处的振动最大合成速度约为0.8 cm／s，符合此类建（构）筑物爆破振动的安全标准［2］。

水库蓄水后，采用上述的数值模拟方法，坝址处的振动波形见图6。计算模型、计算步长及时间步长的设置与露采一期境时爆破振动计算一致。

根据模拟结果，露采二期境界爆破振动作用下，坝体的安全系数随时间的变化见图7。图7表明，露采二期境界爆破引起坝体振动的过程中，坝体的安全系数的最小值为1.06，安全系数稍大于对非正常时期小型水库坝体的安全系数的要求。

由于水库蓄水后，露天二期开采至最终边界时，坝体的安全系数最小值为1.06，坝体接近极限平衡状态，为了安全起见，在露天二期境界东北角爆破时应降低单段最大药量，并加强坝体的监测，保障坝体的安全运营。

图4 露采一期爆破坝址处的振动波形

图5 露采一期坝体安全系数变化

图6 露采二期爆破坝址处的振动波形

图7 露采二期坝体安全系数变化

4 结 论

（1）通过现场爆破振动测试，得到最大振动速度公式，在此基础上进行数值模拟计算分析，可为露天开采最终边界附近建构筑稳定性的稳定性分析提供有效的方法。

（2）该露天矿山一期工程中单段最大爆破药量不超过10 t时，坝址处的爆破振动最大合成速度为0.49 cm／s，符合此类建（构）筑物爆破振动的安全标准。且在整个爆破振动过程中，坝体的最小安全系数为1.352，说明拟建坝体在爆破振动过程中是稳定的。

（3）该露天矿山二期工程中单段最大爆破药量不超过10 t时，坝址处的爆破振动最大合成速度约为0.8 cm／s，符合此类建（构）筑物爆破振动的安全标准。水库蓄水后，最终边界爆破将导致坝体的安全系数降为1.06，坝体的稳定性较差。因此，二期工程爆破中需降低单段最大药量，并加强坝体的监测，以保障坝体的安全运营。

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Study on the Effect of the Open-pit Blasting Vibration on Reservoir Dam Planned to Be Constructed

Zhao Kui1，2Wang Ming3He Wen1Wang Xiaojun3Ke Xinhua4
（1.Engineering Research Institute，Jiangxi University of Science and Technology；
2.Engineering Research Center of High-efficiency Development and Application Technology Institute for Tungsten Resources，Ministry of Education；3.Faculty of Resources＆Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology；4.Dexing Copper Mine，Jiangxi Copper Co.，Ltd.）

Themedium-length hole of blasting is applied in an open-pitmine and an acid reservoir dam is planned to be constructed nearby the final boundary of it.In order to study the effect of blasting vibration on stability of the dam，the field testing of blasting vibration was carried out and the formula of themaximum vibration velocity was obtained by regression analysismethod.Furthermore，the formula ofmaximum vibration velocity at the dam wasmodified according to the actual engineering environment.Based on this，the safety factor of the dam affected by blasting vibration at different stages of open-pitmining was analyzed by using the numerical simulation.The results showed that the dam is stable during the first stage of blasting and the dam has a poor stability during the second stage of blasting.The plan of decreasing themaximum explosive dosage at the second stage was proposed.

Open-pitmine，Blasting vibration，Dam，Vibration velocity，Numerical simulation

2013-07-22）

*江西省科技厅科技支撑计划项目（编号：20121122040027），江西省高等学校科技落地计划项目（编号：KJLD12027）。

赵 奎（1969—），男，教授，博士，341000江西省赣州市客家大道156号。