朱俞仿

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

我国是一个名副其实的矿业大国，每年排放的尾矿量在3亿t以上，如此数量巨大的尾矿量除极少部分进行综合利用外，绝大部分需要堆存在尾矿库中。我国目前正在使用的尾矿库将近6 000多座，建设尾矿库需要占用大量的土地资源，为了避免占用农田以及耕地，大部分尾矿库均选址在矿山附近的沟谷或者坡地上，一般距离矿山采场较近；有的尾矿坝甚至在爆破安全距离以内，当爆破位置距离坝址较近且爆破方量较大时，采场爆破振动对尾矿坝的安全稳定具有较大影响[1-2]。为了充分利用采场周边合适区域堆存尾矿，同时保证尾矿坝的安全稳定，因此，有必要对尾矿坝邻近采场的爆破振动影响进行分析，并提出合理控制措施。

1 采场与尾矿库的位置关系

某铅锌矿尾矿库位于采场北面山谷中，尾矿库与采场以分水岭相隔，分水岭最低处标高约为160 m。尾矿库于1998年设计最终使用标高173 m，由于分水岭处标高不够，因此在分水岭处设计建设一座副坝。原设计副坝采用粘土斜墙土石坝，上游坝坡采用粘土斜墙与土工膜进行联合防渗，但是只有坝体进行防渗，坝基未进行防渗处理。在副坝工程建设过程中，由于施工进度太慢，为了防止尾矿库水倒灌至采场造成安全事故，副坝采用排土场废石碾压成坝。 尾矿库与采场的位置关系如图1所示。

图1 某铅锌矿采场与尾矿库的平面位置

2013年，矿山对尾矿库进行了加高扩容设计，同时对副坝进行加固，即在副坝上游坝坡(尾矿库侧)采用0.5 m厚砂砾料与土工布进行反滤，副坝下游坝坡(采场侧)采用碾压废石进行压坡加固。加固后副坝坝顶宽为4.0 m，上游坝坡(尾矿库侧)为1∶1.75，每隔5 m高加设2 m宽马道一条；副坝下游坝坡(采场侧)为1∶1.75，每隔5 m高加设2 m宽马道一条。副坝加固剖面如图2所示。

图2 尾矿库副坝加固剖面图

2 爆破振动的安全控制标准

在采场爆破开采过程中，除对爆破开挖区的岩石产生破碎、抛掷外，开挖爆破所产生的能量很大一部分以地震波的形式向周围传播，会引起地表附近介质形成质点振动，这种地面振动称为爆破地震。爆破地震波的传播，一般会引起地面建筑物、构筑物和一些敏感设施的振动响应，当爆破振动达到一定强度后，会对设施的安全稳定造成危害，在工程中应尽量避免这种危害，并采用有效措施对其进行防护处理。因此，在实际工程中，为了保证工程设施安全，爆破振动安全标准的选取就显得尤为重要。

在实际工程中，一般采用质点振动位移、质点振动速度、质点振动加速度及频率等物理参数衡量爆破振动的强度。大量工程实践和一些理论研究成果表明，在爆破振动作用下，地面工程结构的质点峰值振动速度与结构的破坏程度间的相关性较好，因此，国内外通常采用质点峰值振动速度作为爆破振动安全控制标准[3]。

2.1 按相关安全规程取值

爆破安全规程[4]对工程中常见的建(构)筑物和设施的安全允许质点峰值振动速度作了具体的规定，其中与土石坝最为接近的结构就是永久性岩石高边坡。由于土石坝的爆破振动安全问题本身具有较大的复杂性，在该规程中没有对由土石料构筑的土石坝的安全质点振动速度进行明确规定。但是与土石坝最为接近的永久性岩石高边坡，其安全允许质点振动速度为5～9 cm/s。根据实际工程经验，就其结构型式来看，岩石高边坡结构对爆破振动速度更为敏感，土石坝能够承受的质点振动速度要高于岩石高边坡安全允许质点振动速度，因此，尾矿库副坝安全允许质点振动速度至少应在5 cm/s以上。

2.2 参照地震烈度取值

一些工程对于各类建筑物爆破振动安全控制标准的取值方法和经验，是在分析特定建筑物的基本抗震特性和质量的基础上，按照天然地震条件下的建筑物抗震设防烈度的方法，来取值确定。

由于爆破地震频率相对于天然地震的震动频率要高，作用时间较短，在同样峰值振动速度条件下，爆破振动的危险相对要小，即只要爆破振动不超出抗震设防要求，爆破将不会对需保护的对象产生危害。我国目前采用的是12个烈度等级划分表[5]。该地区地震设防烈度为6度，因此可以确定需保护的建筑物基础允许的爆破峰值质点振动速度为5～6 cm/s。相对于天然地震的作用特点，爆破振动强度按该标准控制，对于副坝来说应是偏安全保守的。

综合上述分析，尾矿库副坝采用爆破质点峰值振动速度5～6 cm/s进行分析是安全合理的。

3 爆破振动的计算分析

爆破地震效应及质点振动速度衰减规律是一个比较复杂的力学问题，它受多种因素的影响，如爆破的基本方式、爆源的部位、单响药量、爆破规模和传播地层的地形地质条件等，要从理论上准确估算是相当困难的。具体到爆破地震作用于附近建(构)筑物时，建筑物的抗震性能及施工质量、地基特性和约束条件等因素是影响和评价其振动安全的重要方面。

3.1 萨道夫斯基经验公式

目前，爆破震动速度的计算主要采用的是萨道夫斯基经验公式，其表达了质点震动速度与相关影响因素的关系：

(1)

式中：V——被保护对象所在位置的质点振动速度，cm/s；

Q——爆破炸药量(齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单响药量)， kg；

R——爆破中心点与被保护对象之间的距离， m；

K——爆破中心点与被保护对象间的地形、地质条件相关的场地系数；

α——爆破中心点与被保护对象之间地震波衰减系数。

对于K、α值，针对一些比较重要的爆破工程，一般提倡或要求采取现场观测试验的方法，通过实测数据的回归计算来确定；在没有现场试验资料的情况下，才可根据不同的岩石类型参考有关经验值确定。

3.2 质点振动速度

3.2.1 质点振动速度与振强的拟合曲线

针对本工程项目采场爆破振动对尾矿库副坝的影响，在现场开展了爆破振动观测试验，获取了大量数据，将试验数据按线性回归的方法进行计算，得到水平径向和垂直向的质点振动速度V与振强(Q1/3/R)的拟合曲线，如图3、图4所示。

图3 水平径向质点振动速度V与(Q1/3/R)的线性拟合

图4 垂直向质点振动速度V与(Q1/3/R)的线性拟合

根据图3和图4的拟合曲线，K分别为172(即e5.146)和206(即e5.326)；α分别为1.66和1.74。将数据带入式(1)得到适用于该采场尾矿库副坝的爆破振动速度预测公式：

1)水平径向质点振动速

(2)

垂直向质点振动速度

(3)

3.2.2 质点振动速度的计算值与实测值

由于副坝坝体在其体量、高度和材料上不同于一般的建(构)筑物，爆破地震波作用在其不同部位的振动响应特性需要关注，也是进行爆破振动安全分析的基本前提。按本采场爆破振动衰减规律经验公式(2)和(3)对坝体质点振动速度进行计算，并将计算值与实测值进行对比，对比结果见表1。

表1 坝体振动实测值与经验公式计算值的对比结果

从表1可以看出，按实测回归得到的经验公式计算所得到的振动速度值远远大于副坝坝体各高程测点的实测值。这是因为副坝主要由松散石渣和土类材料堆积而成，松散堆积体对于爆破振动能量具有较强的消散和吸收作用，爆破地震波沿着坝高同样具有明显的衰减效应，不同于高耸刚性建筑物所具有的随高度而振动放大的特性。根据表1对比结果，采用经验公式计算得到的结果偏于安全保守，可以在实际工程中使用。

3.3 爆破振动的安全距离

从爆源到被保护对象的距离应保证被保护对象不受到爆破震动作用的破坏，这段距离称为爆破震动安全距离。在需要保护对象的安全震动速度已知的条件下，可根据萨道夫斯基经验公式(1)反推出计算爆破震动安全距离的公式：

(4)

对于相对较近的采区，可根据公式(2)和(3)，在采场标高125 m的开挖区域，严格按照单孔药量100 kg并采取单孔单响的微差起爆网路，允许爆破质点震动速度为5～6 cm/s，按照公式(4)计算，划定采场与副坝(坡脚点)的爆破安全距离为40 m。当矿体采挖标高进入到更下一个梯段时，安全开挖边界应考虑留有马道，并且要确保岩体稳定的边坡坡度。

3.4 爆破振动的单响最大药量

对于相对较远的采区，可依照实际的爆心距和震动速度控制标准进行核算，确定需要控制的单响最大药量。根据萨道夫斯基经验公式(1)反推出计算爆破震动的单响最大药量的公式(根据爆破区工程地质条件选取K、α经验参数值)：

(5)

4 结论

本文通过某工程项目采场爆破振动对邻近尾矿库副坝的影响分析，得出如下结论：

1)一般情况下，在实际工程中，尾矿坝安全允许质点峰值振动速度可以按照5～6 cm/s进行控制。

2)在爆破点距离尾矿坝较远的情况下，可采用萨道夫斯基经验公式，并根据爆破区工程地质条件选取K、α经验参数值，对爆破振动安全距离与单响最大药量进行计算和控制。

3)在爆破点距离尾矿坝较近的情况下，可采取现场观测试验的方法，通过实测数据的回归计算来确定K、α值，并通过萨道夫斯基经验公式对爆破振动安全距离与单响最大药量进行计算和控制。