爆破动荷载作用下露天矿岩质边坡稳定性及支护研究.pdf

第 卷第期有色金属(矿山部分)年月 d o i:/j i s s n 爆破动荷载作用下露天矿岩质边坡稳定性及支护研究周成,邓涛,廖元欢,徐继业,庞鑫,万道春,张成良(昆明理工大学 国土资源工程学院,昆明 ;攀钢集团矿业有限公司,四川 攀枝花 )摘要:露天矿边坡的稳定性对于矿山安全生产具有重要意义,在爆破作用的长期影响下,岩体会造成损伤积累,降低边坡的稳 定性.因 此,以攀 西 地区 某 露 天 矿 为 研 究 对 象,通 过 现 场 监 测 所 得 的 爆 破 振 动 速 度,基 于F L A C D数值分析软件,研究爆破动荷载作用下岩体的变形特征及动力响应特征,确定危险区域的同时设计锚索进行支护分析爆破动荷载作用下锚杆的轴力特征及多次爆破作用下预应力损失规律.研究结果:边坡在爆破动荷载作用下坡底产生局部剪切破坏且沿上部逐渐发展,在多次爆破作用下预应力持续降低,最大预应力损失率为 ,且预应力损失趋势逐渐降低,因此,进行支护设计时建议初始预应力值应为设计值的 倍,研究结果对于指导露天矿施工具有一定的借鉴意义.关键词:边坡稳定性;爆破动荷载;锚索支护;多次爆破;预应力损失中图分类号:T D 文献标志码:A文章编号:()S t u d yo nr o c ks l o p e s t a b i l i t ya n ds u p p o r t o fo p e n p i t o r eu n d e rb l a s t i n gd y n a m i c l o a d i n gZ HOUC h e n g,D E NGT a o,L I AOY u a n h u a n,XUJ i y e,P ANGX i n,WAND a o c h u n,Z HANGC h e n g l i a n g(F a c u l t yo fL a n dR e s o u r c e sE n g i n e e r i n g,K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,K u n m i n g ,C h i n a;P a n g a n gG r o u pM i n i n gC o,L t d,P a n z h i h u aS i c h u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h es t a b i l i t yo ft h eo p e n p i tm i n es l o p ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h es a f ep r o d u c t i o no ft h em i n e U n d e r t h e l o n g t e r mi n f l u e n c eo fb l a s t i n g,t h e r o c km a s sw i l l c a u s ed a m a g e a c c u m u l a t i o n T h e r e f o r e,t h i sp a p e r t a k e sa no p e n p i tm i n ei nt h eP a n x ia r e aa st h er e s e a r c ho b j e c t,a n dt h eb l a s t i n gv i b r a t i o no b t a i n e dt h r o u g ho n s i t em o n i t o r i n gv e l o c i t y,b a s e do nF L A C Dn u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r e,t os t u d yt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f r o c km a s su n d e rd y n a m i cb l a s t i n g l o a d,d e t e r m i n e t h ed a n g e r o u sa r e aa n dd e s i g na n c h o r c a b l e s f o r s u p p o r t a n a l y s i s T h e l a wo fp r e s t r e s s l o s su n d e rt h ea c t i o no fb l a s t i n g,t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r em a i n l yd r a w nt h r o u g ht h es t u d y:t h es l o p eu n d e r t h ea c t i o no fb l a s t i n gd y n a m i c l o a dp r o d u c e s l o c a l s h e a r f a i l u r ea t t h eb o t t o mo f t h e s l o p e a n dg r a d u a l l yd e v e l o p s a l o n g t h eu p p e rp a r t,a n d t h eb l a s t i n gv i b r a t i o n r e s p o n s e o f v e l o c i t ya n dd i s p l a c e m e n t c a nb ek n o w nb ya n a l y z i n gt h em o n i t o r i n gd a t a T h e l a wi sm o r ec o n s i s t e n tw i t ht h e i n p u tw a v e U n d e r t h ea c t i o no fm u l t i p l eb l a s t i n g,t h em a x i m u mp r e s t r e s sl o s sr a t i oi s ,a n dt h ep r e s t r e s sl o s st r e n di sg r a d u a l l yr e d u c e d T h e r e f o r e,t h e i n i t i a lp r e s t r e s sv a l u e i nt h es u p p o r td e s i g ns h o u l db e o f t h ed e s i g nv a l u e T h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d eac e r t a i nr e f e r e n c e f o r t h ec o n s t r u c t i o no fo p e n p i tm i n e s K e yw o r d s:s l o p es t a b i l i t y;b l a s t i n gd y n a m i c l o a d;a n c h o rc a b l es u p p o r t;m u l t i p l eb l a s t i n g;a x i a l f o r c e l o s s收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()作者简介:周成(),男,硕士,主要从事磷矿开采、岩土工程方面研究,E m a i l:a c o m.通信作者:邓涛(),男,讲师,硕士生导师,主要从事边坡工程、采矿工程方面研究,E m a i l:q q c o m.随着露天矿的不断开采,深凹露天矿已经成为一种发展趋势,由此所产生的边坡稳定性问题备受关注,爆破开采作为露天矿生产的主要方式,爆破动荷载所产生的边坡稳定性问题直接影响着矿区的安全生产(是诱发边坡失稳的主要原因之一),特别是第期周成等:爆破动荷载作用下露天矿岩质边坡稳定性及支护研究对于含有断层的复合边坡,在爆破荷载作用下通常会成为发生滑坡的滑动面,因此有必要对此类边坡进行稳定性分析并设计合理的支护方式以减少爆破载荷对边坡的影响.目前许多学者已对爆破动荷载作用下边坡失稳进行相关研究,如范刚等通过建立隧道边坡数值计算模型,研究爆破开挖对岩质边坡的影响,结果表明隧道洞口段边坡坡底受爆破影响显著,爆破所产生的水平振速影响大于竖向振速且在锚杆支护作用下边坡水平位移控制明显.刘少虹通过建立爆破振动速度损伤函数式,运用F L A C D模拟边坡损伤程度,结果表明损伤程度与距离成反比,随着爆破次数的增加,岩体损伤累计连续多次爆破荷载作用下边坡发生破坏;陈光辉等以归来庄露天金矿为例,针对不同折减系数施加爆破载荷,引入加卸载响应比理论,以此为判定依据确定边坡的稳定性;曹兰柱等以贵州某水电站大坝为背景运用U d e c分析边坡的破坏模型,在自然状况下边坡沿断层发生滑移趋势;石洪超等针对斜交断层基于岩体构造理论,运用A n s y s数值分析软件得出坡体沿断层面、弱层面滑动;胡帅伟等利用大型振动边台边坡模型试验分析了在不同峰值加速度地震动荷载作用下边坡的稳定性情况及锚索的轴力损失,研究发现锚索最大预应力损失率为 ;许梦飞等通过抗爆模型试验探讨了爆破引起的预应力变化特点,得出不同锚杆的预应力变化特点.已有研究大多侧重于单次爆破作用下边坡的稳定性研究,对多次爆破作用下边坡稳定性研究较少,同时研究中对于支护结构的分析较少.因此,本文依托攀西某露天矿边坡工程,基于现场测得的数据,建立边坡数值计算模型,分析在单次爆破动荷载作用下动力响应特征的基础上,通过设计支护措施,进一步分析在爆破作用下锚索轴力响应特征及预应力变化特点,同时露天矿爆破作业是一个持续的过程,通过分析多次爆破作用下预应力损失规律及锚杆损失,研究结果对于理解预应力锚索对边坡的抗爆加固作用具有重要意义.数据收集及模型建立 爆破波输入及监测设备爆破测振仪(图)采用重庆中科测控仪器生产的T C 测波器,记录精度为 c m/s.为了数值模拟的准确性,在F L A C D动力计算过程中可选择加速度、速度、应力时程三种加载方式,本次数值模拟采用现场监测所得的速度振动波,如图所示,水平方向最大振速为 c m/s,竖直方向最大振速为 c m/s.图监测设备F i g M o n i t o r i n ge q u i p m e n t图露天矿边坡爆破现场实测振动数据F i g M e a s u r e dv i b r a t i o nd a t ao fo p e n p i tm i n e s l o p eb l a s t i n g s i t e 计算模型及边界确定某露天矿岩质边坡,本区域为N E向断裂组,其走向与地层、岩体分布基本一致,本组断裂在矿区内颇为发育,岩体完整性较差,节理裂隙较发育,如图所示,在生产过程中受爆破因素的影响边坡已产生局部破坏.根据矿区南帮实际情况,利用R h i n o F L A C D建立三维计算模型,如图所示.数值计算模型X轴长 m、Z轴高 m、Y轴长 m,本构模型为M o h r c o u l o m b模型,岩石 力学参数如 表所 示,F L A C D进行动力学分析过程中,模型边界存在波的反射、折射和吸收,对动力学分析产生很大的影响,因此F L A C D提供了静态边界和自由场边界,计算过程中模型四周边界采用自由场边界,模型底部采用黏性吸收边界.有色金属(矿山部分)第 卷表岩体力学参数T a b l eM e c h a n i c a l p a r a m e t e r so f r o c km a s s岩层弹性模量/G P a泊松比黏聚力/MP a内摩擦角/()容重/(k Nm)橄榄辉长岩 F 断层 爆破波在模型内部传播过程中会产生能量损失,在动力计算过程中采用非材料阻尼矩阵进行表示,目前F L A C D动力计算过程中都需要使用阻尼来抑制动力荷载作用的振动,F L A C D内部提供了局部阻尼、瑞尼阻尼、滞后阻尼三种,本次计算采用局部阻尼,因其不需要求解系统自动频率,不会减少计算时间步,适用于动力学简单求解问题,其阻尼系数见式().LD()式中,D为临界阻尼比取 ,计算可得局部阻尼系数为 .图露天矿采场现场破坏F i g O p e n p i tm i n e s t o p em a p图数值计算模型F i g N u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm o d e l 爆破动荷载条件下边坡稳定性分析 最大剪切应变分析对边坡加载爆破动力荷载进行分析,剪切应变的贯通虽无法定量边坡稳定性与否,但可以通过其变化趋势来判断边坡的稳定性,图为不同时刻下边坡最大剪切应变云图,在爆破荷载作用下边坡底产生局部剪切应变,随着时间的增加,变形区域向上部逐渐扩展,屈服面积逐步增大,在s处出现最大剪切应变值为 mm,可以看出在爆破动荷载作用下边坡逐渐变得不稳定,最大剪切应变沿断层出现贯通趋势.第期周成等:爆破动荷载作用下露天矿岩质边坡稳定性及支护研究图爆破振动作用下不同时刻最大剪切应变云图F i g C l o u dm a po fm a x i m u ms h e a r s t r a i na td i f f e r e n t t i m e su n d e rb l a s t i n gv i b r a t i o n 速度位移监测分析为研究边坡内部速度、位移响应规律,根据图所选取的监测点对永久构筑物所在边坡进行监测分析,可以清楚地了解爆破动荷载作用下监测点位移、速度变化情况.边坡内部、监测点位移变化如图所示,位移变化随着输入爆破波变动,边坡各监测点水平竖、直方向位移大小表现为,速度峰值大小表现为(图),表明坡底变形量大于其余两处位置,坡底发生剪切变形,且随着高程的增加振动速度逐渐减小.图爆破振动作用下边坡位移时程曲线F i g T i m e h i s t o r yc u r v eo f s l o p ed i s p l a c e m e n t u n d e rb l a s t i n gv i b r a t i o n图爆破振动作用下边坡速度时程曲线F i g T i m e h i s t o r yc u r v eo f s l o p ev e l o c i t yu n d e r t h ea c t i o no fb l a s t i n gv i b r a t i o n有色金属(矿山部分)第 卷综上,由数值计算结果可知,边坡在单次爆破动荷载作用下虽未出现较大的破坏特征,但在动荷载作用下坡脚已发生局部剪切破坏,断层内部节理进一步发育增大了边坡的失稳概率,且多次爆破动荷载作用下边坡仍有发生失稳的风险,因此采取必要的支护措施至关重要.边坡支护分析 边坡支护设计试验由于边坡长期受爆破荷载影响且含有断层,如上述分析在爆破动荷载作用下坡脚已发生细微的剪切应变,因此必须对其支护防止边坡失稳 ,锚索作为一种简单快捷施工效率高的支护方式,可有效控制在爆破荷载作用下边坡表面加速度的放大作用 ,控制坡体位移,具有良好的抗震效果,目前在露天矿边坡支护中已经得到广泛应用.在支护作用中,锚索不仅受地压影响还受爆破等动荷载作用的影响,爆破振动波的扰动常导致锚固段受损,使其预应力出现损失,目前对于爆破动载作用下锚索支护效果及锚索的动力响应并未有足够的研究,因此在支护过程中,为了确定锚索的支护效果,通过分析预应力损失情况来确定锚索支护效果,表、表所示为支护参数,计算过程中施加如图所示的速度波,图为锚索动力计算模型.表锚索支护参数T a b l eA n c h o rc a b l e s u p p o r tp a r a m e t e r s弹性模量/G P a泊松比间距/m行距/m半径/c m锚索长度/m锚固段长度/m自由段长度/m预应力/k N 表锚索砂浆物理力学参数T a b l eP h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fa n c h o rc a b l em o r t a r浆体黏聚力/(Nm)浆体刚度/(Nm)横截面积/mm 图支护锚索动力计算模型F i g D y n a m i cc a l c u l a t i o nm o d e l o f s u p p o r t i n gc a b l e 锚索轴力动力响应分析爆破动荷载作用会导致锚索的预应力损失,在爆破动荷载作用前锚索已处于一定受力状态,对于选取锚索轴力监测的位置,应考虑具有代表性的部位,因此选择自由端中部位置进行轴力监测,图为、锚索自由端轴力时程,可以看出轴力时程与输入速度有相似形态.在爆破动荷载作用下、锚索轴力变化情况为平稳徒 增减 小平 稳 四 个 阶 段,分 别 从 k N降 至 、k N,较 初 始 值 分 别 减 小 、和 .多次爆破作用下预应力锚索损伤分析 锚索变形分析前述分析主要针对单次爆破振动作用下锚索轴力时程分析,由于爆破动荷载力相对较小且时间较短,稳定的边坡在单次爆破作用下失稳概率极低,然而露天矿边坡由于长期处于爆破振动作用下,为了模拟研究矿山生产过程中多次爆破振动作用下锚索变化情况,进行 次爆破动荷载计算,锚索预应力残余值及位移变化如表所示.多次爆破动荷载作用下锚索水平和竖直方向位移变形如图 所示,可知边坡在逐次爆破振动作用下锚索变形量逐次增加,、锚索锚固段、自由端位移变形趋势相似,锚固段(a)水平变形量最大为 mm,竖直方向最大变形量为 mm,自由端(b)水平变形量最大为 mm,竖直方向最大变形量为 mm,可知在循环爆破作用下锚索已出现损伤.第期周成等:爆破动荷载作用下露天矿岩质边坡稳定性及支护研究图爆破动荷载作用下自由端预应力时程曲线F i g T i m e h i s t o r yc u r v eo fa x i a l f o r c eu n d e rd y n a m i cb l a s t i n g l o a d表循环爆破动荷载作用下锚索轴力预应力残余值T a b l eR e s i d u a l v a l u eo fa n c h o rc a b l ea x i a l f o r c ep r e s t r e s su n d e rc y c l i cb l a s t i n gd y n a m i c l o a d相对高差/m锚索编号预应力残余值/k N 图 爆破次数与锚索位移关系F i g T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb l a s t i n g t i m e sa n da n c h o rc a b l ed i s p l a c e m e n t有色金属(矿山部分)第 卷 多次爆破作用下锚索预应力损失分析结合表和图 可知,随着爆破次数的增加,锚索预应力整体呈递减趋势.在经历 次爆破动荷载作用下,、锚索预应力分别从 k N下降至 、k N,说明在爆破动荷载作用下锚索出现预应力损失,最大损失率为 .锚索在第二次爆破作用下轴力出现了明显上升的现象,表明此时坡底开始出现失稳,这是由于锚索处于断层处,岩土体性质较差,为了抑制边坡出现失稳,锚索开始承受坡体的下滑力,形成了新的力学平衡,较初始值增大 ,并且如图所示,同一边坡不同区域预应力锚索预响应差距较大,因此在设计露天矿边坡锚索支护时应考虑不同位置的锚索轴力的动力响应特征.图 循环爆破作用下锚索预应力残留值F i g R e s i d u a lp r e s t r e s so fa n c h o rc a b l eu n d e rc y c l i cb l a s t i n g 现场监测验证现场施工锚索轴力监测曲线如图 所示,选取三 根 锚 索 进 行 预 应 力 监 测,可 以 看 出 锚 索 在 期间,锚索轴力的变化情况.图 锚索应力变化曲线F i g A n c h o rc a b l e s t r e s s c h a n g ec u r v ec a b l e 预 应 力 由 k N升 至 k N,c a b l e 预应力由 k N降至 k N,损失率达 .c a b 预 应 力 由 k N降 至 k N,损失率为 .因此可以看出,在此期间在爆破动荷载作用下预应力出现降低.结论本文以攀西某露天矿边坡为研究背景,利用现场监测所得的爆破振动波数据,运用F L A C D动力计算分析在爆破动荷载作用下露天矿边坡的稳定性情况,并对边坡进行支锚索支护,主要可以得到以下结论:)在单次爆破动荷载作用下模型坡底产生局部剪切破坏,变形区域向上部逐步扩展,虽未有明显的破坏特征,但在动荷载作用下断层内部节理进一步发育增大了边坡的失稳概率,同时通过所布置的监测点,可以得到各位置的振动速度等安全评价依据,与现场监测对比能很好的指导现场施工.)在多次爆破动荷载作用下,通过监测锚索变形量及轴力可知,锚索预应力会损失.根据数值计算结果,多次爆破动荷载作用下锚索的最大预应力损失率为 ,且随着爆破次数的增加,锚索的预应力损失逐渐降低,与现场监测进行对比,变化总体趋势相近,因此施工时应适当增加锚索预应力初始值.)在预应力锚索设计时,目前同一工程条件区域在进行锚索支护设计时均考虑同一受力条件,同一区域不同锚索在爆破动荷载作用下轴力差别较大,因此设计时应考虑“分区设计”思想以此保证动荷载作用下边坡的稳定性.参考文献范刚,张建经,付晓,等双排桩加预应力锚索加固边坡锚索轴力地 震 响 应 特 性 研 究 J岩 土 工 程 学 报,():F ANG a n g,Z HANGJ i a n j i n g,F U X i a o,e ta l A x i a lf o r c eo fa n c h o r c a b l e s i ns l o p er e i n f o r c e db yd o u b l e r o wa n t i s l i d ep i l e sa n d p r e s t r e s s e d a n c h o r c a b l e sJC h i n e s e J o u r n a l o fG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g,():刘 少 虹 F L A C D中 爆 破 震 动 下 锚 杆 轴 力 损 失 的 修 正 及 应用J煤炭学报,():L I US h a o h o n g I m p l e m e n t a t i o no fb o l ta x i a lf o r c el o s s e si nF L A C Du n d e rb l a s t i n ga n da p p l i c a t i o nJ J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y,():陈光辉,李夕兵,董陇军,等排土场与爆破荷载共同作用下的露天矿边坡稳定性分析J中国安全科学学报,():(下转第 页)有色金属(矿山部分)第 卷m e c h a n i s mf o ri t se f f e c to nt h es t a b i l i t yo ft a i l i n gd a mJB u l g a r i a nC h e m i c a lC o mm u n i c a t i o n s,():Z HAN G X,Z HU Y,F ANGC T h er o l ef o r ea i rf l o wi ns o i ls l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sJ J o u r n a l o fH y d r o d y n a m i c s(S e r B),():韩同春,马世国,徐日庆强降雨条件下气压对滑坡延时效应研究J岩土力学,():HANT o n g c h u n,MAS h i g u o,XUR i q i n g S t u d yo nd e l a ye f f e c to fp r e s s u r eo nl a n d s l i d eu n d e rh e a v yr a i n f a l lJ R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s,():李援农,吕宏兴,林性粹土壤入渗过程中空气压力变化规律的研究J西北农业大学学报(自然科学版),():L IY u a n n o n g,L YU H o n g x i n g,L I NX i n g c u i R e g u l a r i t i e so f a i rp r e s s u r e c h a n g e s i ns o i l i n f i l t r a t i o nJ J o u r n a l o fN o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n),():李援农,林性粹均质土壤积水入渗的气阻变化规律及其影响J土壤侵蚀与水土保持学报,():L IY u a n n o n g,L I NX i n g c u i R e g u l a r i t yo f t h e s o i l a i r r e s i s t a n c ec h a n g ea n di t s i n f l u e n c e su n d e rw a t e r a c c u m u l a t e di n f i l t r a t i o ni n t h e h o m o g e n o u s s o i lJ J o u r n a l o f S o i la n d W a t e rC o n s e r v a t i o n,():李援农,费良军土壤空气压力影响下的非饱和入渗格林安姆特模型J水利学报,():L I Y u a n n o n g,F E I L i a n g j u n G r e e n Am p tm o d e l f o ru n s a t u r a t e di n f i l t r a t i o na f f e c t e db ya i rp r e s s u r ee n t r a p p e di ns o i lJ J o u r n a l o fH y d r a u l i cE n g i n e e r i n g,():(编辑:周叶)(上接第 页)C HE N G u a n g h u i,L IX i b i n g,D ON G L o n g j u n,e ta l S t a b i l i t ya n a l y s i s f o r o p e n p i tm i n e s l o p eu n d e rw a s t e d u m pa n db l a s t i n gl o a dJ C h i n aS a f e t yS c i e n c eJ o u r n a l,():曹兰柱,王珍,王东边坡受爆破振动损伤及其稳定性分析J中国安全科学学报,():C A O L a n z h u,WAN G Z h e n,WAN G D o n g L a w o fb l a s t i n gv i b r a t i o nd a m a g ea n ds t a b i l i t ya 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