賈新昆 盧邦飛

（天津華北地質(zhì)勘查局，天津300170）

隨著現(xiàn)代露天采礦工藝技術(shù)與安全科學(xué)的發(fā)展，越來越多的礦床能夠滿足新環(huán)境下的露天開采條件。然而，隨之產(chǎn)生了大量的高陡邊坡與凹陷露天深坑，受區(qū)域環(huán)境影響，加上開采過程中各種生產(chǎn)擾動(dòng)，使得邊坡構(gòu)造發(fā)生變化，在開采工作區(qū)周圍出現(xiàn)一系列力學(xué)現(xiàn)象或巖層內(nèi)部損傷，進(jìn)而可能導(dǎo)致崩塌、滑坡、地面塌陷、泥石流及不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害［1］。如何在保證礦石開采的同時(shí)，兼顧邊坡與露天坑整體穩(wěn)定性，有效防止自然與人為因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的破壞，是露天采場安全高效生產(chǎn)的重中之重。近年來，我國金屬非金屬礦山露天開采深度增長明顯，一方面由于露天開采本身存在諸多安全高效的優(yōu)點(diǎn)，另一方面我國露天開采技術(shù)也在逐步成熟與進(jìn)步，機(jī)械化和深孔穿鑿爆破工藝技術(shù)等方面均有長足的發(fā)展［2］。同時(shí)，隨著土地復(fù)墾與露天礦二次開發(fā)的廣泛推行，我國礦業(yè)未來將以實(shí)現(xiàn)“綠色采礦，無廢開采”［3］為目標(biāo)。然而，隨著露天采礦逐步向深部發(fā)展，高陡邊坡與深凹露天坑的增加，造成了大量的安全隱患。我國安全環(huán)保管控力度正逐步加大，工程擾動(dòng)下的露天礦邊坡穩(wěn)定性研究也逐步成為重要的科研課題［4］。

從國內(nèi)現(xiàn)有成果來看，對(duì)邊坡穩(wěn)定性研究所采用的方法主要有彈性理論、承壓理論，現(xiàn)行的相關(guān)理論也重點(diǎn)圍繞這些方法來展開應(yīng)用研究。安全系數(shù)是邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，其來源主要是依據(jù)邊坡體的強(qiáng)度與本構(gòu)特性。相似模型模擬、有限元、離散元、邊界元等數(shù)值分析模擬方法理論以及現(xiàn)場實(shí)測(cè)分析等方法，是當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法。其中，劉暢［5］提出了“轉(zhuǎn)動(dòng)滑坡”、“結(jié)構(gòu)面控制”、“空洞的影響”及“差異沉降”這4種構(gòu)想；劉殿柱［6］利用Matlab軟件對(duì)有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析及回歸分析處理，總結(jié)了高陡邊坡的爆破振動(dòng)特點(diǎn)及爆破振動(dòng)衰減規(guī)律；董英健等［7］以露天礦開采為例，對(duì)露天邊坡爆破開采的危險(xiǎn)源進(jìn)行了分析，并提出了露天礦山爆破安全的預(yù)防和治理措施；嚴(yán)鵬等［8］通過回歸分析建立了不同爆心距處質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度與損傷深度的關(guān)系；胡英國等［9］針對(duì)預(yù)裂爆破等兩種不同方式，應(yīng)用LS-DYNA軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，成功模擬仿真出損傷時(shí)變效果，得出巖石高陡邊坡在2種開挖方式下最終保留巖體的損傷分布特征；楊天鴻等［10］基于國內(nèi)外邊坡穩(wěn)定性研究成果，結(jié)合“邊坡巖體漸進(jìn)損傷破壞是邊坡巖體失穩(wěn)前兆本質(zhì)特征”這一思路，提出了露天礦邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)識(shí)別表征方法和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。然而，隨著開采深度逐年增加，傳統(tǒng)分析方法難以解決高陡邊坡的復(fù)雜問題，針對(duì)應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的穩(wěn)定性分析方法比較簡單，且大多側(cè)重考慮單方面因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，缺乏多方面的分析，因而存在一定的不合理性。

針對(duì)某露天礦山高陡邊坡復(fù)雜多因素影響導(dǎo)致滑坡、泥石流以及大范圍崩塌的工程實(shí)際［11］，在研究高陡邊坡穩(wěn)定性分析相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)邊坡優(yōu)化理論，綜合考慮區(qū)域地質(zhì)條件，建立邊坡穩(wěn)定性分析的三維數(shù)值模型，并從應(yīng)力遷移與動(dòng)力擾動(dòng)相結(jié)合的角度進(jìn)行分析，以安全生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)為目標(biāo)，開展露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性優(yōu)化研究。

1 高陡邊坡工程技術(shù)條件

露天采場平面呈橢圓形，長軸寬度與短軸寬度分別為646 m和601 m。巖性以似斑狀二長花崗巖為主，剝離后露天采場邊坡角為55°，隨著開采的推進(jìn)，在區(qū)域內(nèi)形成了高陡邊坡。本研究所選計(jì)算區(qū)域?yàn)榈V區(qū)1號(hào)采坑，根據(jù)境界圈定原則和邊坡參數(shù)，確定+315 m以上為山坡露天開采，+315 m以下為凹陷露天開采。露天采場規(guī)劃布置采用螺旋形坑線，布置在各采坑邊幫上，形成環(huán)形固定坑線，如圖1所示。原采坑按順時(shí)針方向下降展線，至坑底+60 m標(biāo)高平臺(tái)。1號(hào)采坑按逆時(shí)針方向下降展線，至坑底+35 m標(biāo)高平臺(tái)。采坑預(yù)計(jì)最終深度將到達(dá)300 m，為礦山最突出的高陡邊坡露天采坑，因此針對(duì)這一區(qū)域展開研究具有代表性。通過圈定露天境界，獲得開采境界尺寸數(shù)據(jù)為臺(tái)階高度15 m，坡面角65°，邊坡角43°～47°。1號(hào)采坑邊坡角為45°～46°

數(shù)值模型以1號(hào)采坑境界圈定為依據(jù)，其尺寸為：上部長1 167 m，寬894 m，底部長338 m，寬254 m，頂部標(biāo)高+375 m，當(dāng)前底部標(biāo)高+190 m。采坑內(nèi)部使用穿孔作業(yè)，每日3班，干孔采用乳化粉狀炸藥，水孔采用漿裝乳化炸藥，鉆孔采用“Ⅴ”形布置，采用非電導(dǎo)爆管排間微差起爆的松動(dòng)爆破方式。礦山一次爆破作業(yè)量見表1。

爆破動(dòng)力數(shù)值模擬選取的深凹高陡邊坡研究區(qū)域如圖1所示，其邊坡輪廓線與滲流分析模型一致，均為高陡邊坡。

2 顯式—隱式分析模型聯(lián)合構(gòu)建

2.1 顯式—隱式算法轉(zhuǎn)換

顯—隱結(jié)合的計(jì)算模型需要借助ANSYS與LSDYNA仿真軟件平臺(tái)。ANSYS軟件靜力學(xué)隱式分析的主要原理是通過迭代法解方程組，這種方程組是非線性的，對(duì)變形比較小的問題求解效果較好；但對(duì)于大變形的求解精度將會(huì)降低很多，且收斂性一般。其求解方法的優(yōu)點(diǎn)在于，時(shí)間步長可調(diào)范圍大，計(jì)算精度與整體計(jì)算過程并行，迭代次數(shù)越多，精度也越高。一般來說，數(shù)值模擬的計(jì)算時(shí)間成本大多與自由度數(shù)目緊密相關(guān)。LS-DYNA軟件以顯式分析見長，屬于非線性計(jì)算軟件，但還具有隱式分析功能。顯式分析的特點(diǎn)是需要考慮時(shí)間，即計(jì)算過程中需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行差分，因此不存在多次迭代后不收斂的問題，其最小時(shí)間步長受最小單元尺寸控制。

為了在高陡邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性分析中考慮地應(yīng)力的影響，如果在LS-DYNA軟件中施加載荷則該變量具備時(shí)變性，因此計(jì)算過程中荷載會(huì)隨時(shí)間一直持續(xù)下去，與現(xiàn)實(shí)情況不符。故通過ANSYS軟件計(jì)算地應(yīng)力時(shí)，待地應(yīng)力收斂后，將地應(yīng)力數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入LS-DYNA軟件中進(jìn)行爆破動(dòng)力計(jì)算［12-13］。顯式—隱式分析的主要步驟如圖2所示。

首先根據(jù)礦山實(shí)測(cè)邊坡剖面建立邊坡坡體數(shù)值模型，劃分網(wǎng)格并賦予材料參數(shù)，求解獲得地應(yīng)力分布結(jié)果；然后清理邊坡體上部覆蓋的巖土體，即進(jìn)行開挖，獲得土體剝離后的高陡邊坡應(yīng)力分布結(jié)果。靜力學(xué)計(jì)算結(jié)束之后更改工作名，再保存文件。如果沒有此項(xiàng)操作，在完成顯式求解后，隱式結(jié)果文件會(huì)被覆蓋。隱式分析與顯式分析單元類型有所不同，隱式分析時(shí)采用的是3D solidf185單元，在進(jìn)行爆破動(dòng)力分析時(shí)一般采用3D solid164顯式單元。工作名更改完成后選取“隱式—顯式轉(zhuǎn)換”模式并確認(rèn)，即完成單元類型轉(zhuǎn)換。在隱式求解設(shè)置過程中，邊界條件設(shè)置與顯式邊界條件有很大區(qū)別。故轉(zhuǎn)換到顯式設(shè)置界面后需將多余的邊界條件去除，再添加顯式動(dòng)力求解所需的邊界條件。此步驟是顯隱轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，顯式設(shè)置界面通過讀取該文件進(jìn)行顯隱計(jì)算關(guān)聯(lián)。

Drelax文件中的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)被賦值于顯式分析結(jié)構(gòu)中，并且考慮了計(jì)算前期收斂的地應(yīng)力預(yù)荷載?！癉ynamic relax”命令指示LS-DYNA軟件求解器使用動(dòng)力松弛進(jìn)行應(yīng)力初始化。靜態(tài)分析在虛擬時(shí)程上進(jìn)行，在時(shí)間步內(nèi)，所有動(dòng)能由阻尼消除。在進(jìn)行顯式分析時(shí)，需要定義時(shí)間相關(guān)變量，設(shè)置完后生成K文件，修改巖石及炸藥材料參數(shù)保存為最終K文件。調(diào)用LS-DYNA Solver，遞交K文件進(jìn)行求解。

2.2 材料參數(shù)及模型構(gòu)建

將邊坡模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，顯式動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)由于施加了爆破載荷，在模型相應(yīng)邊界需施加無反射邊界條件來模擬無限大區(qū)域，消除應(yīng)力波反射作用對(duì)分析結(jié)果的影響。對(duì)于無反射邊界條件的施加，三維單元較二維單元更為方便快捷，僅需選擇邊界節(jié)點(diǎn)建立節(jié)點(diǎn)組，通過命令施加即可。考慮到二維與三維模型各自優(yōu)點(diǎn)，建立了準(zhǔn)二維數(shù)值模型，即在Z方向僅取一個(gè)單位長度20 cm，并且在Z方向施加位移約束，有利于選取邊界節(jié)點(diǎn)建立節(jié)點(diǎn)組施加無反射邊界條件。

材料模型采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型［14-15］，該模型考慮了彈塑性力學(xué)特征。在應(yīng)力未到達(dá)屈服應(yīng)力前，應(yīng)力與應(yīng)變之間通過楊氏模量系數(shù)E進(jìn)行關(guān)聯(lián)，應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系通過小于楊氏模量的切線模量系數(shù)Et進(jìn)行關(guān)聯(lián)，其本構(gòu)模型如圖3所示，圖中l(wèi)0與l表示試件單軸壓縮時(shí)的未變形及變形后的長度。

圖3中所示硬化參數(shù)β在[0 ,1]區(qū)間內(nèi)取值，對(duì)應(yīng)的材料特性為：隨動(dòng)硬化模型β=0，混合硬化模型0＜β＜1，各向同性硬化模型β=1。等向強(qiáng)化模型假定材料在塑性變形后，仍保持各向同性性質(zhì)，忽略了由于塑性變形引起的各向異性的影響，模擬中將巖石視為隨動(dòng)硬化模型（β=0）。巖石材料本構(gòu)模型為

式中，σ為應(yīng)力，GPa；ε為應(yīng)變；E為彈性模量，GPa；σy為屈服應(yīng)力，GPa；H為應(yīng)變硬化指數(shù)，Et為切線模量。

巖石物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。

模型一般采用高爆材料模型與JWL狀態(tài)方程來定義［16-17］。ANSYS軟件中并無該材料模型，需采用其它材料定義，在K文件中手動(dòng)添加相關(guān)關(guān)鍵字來賦值材料參數(shù)。LEE于1965年在JONES和WILKINS工作的基礎(chǔ)上提出了JWL方程［18］：

式中，P為爆轟壓力，MPa，V為相對(duì)體積；Ev為單位體積內(nèi)能，J/m3；ω，A，B，R1，R2為材料參數(shù)。巖石炸藥材料參數(shù)取值見表3。

注：LS-DYNA單位制采用cm-g-μs。

在邊界條件方面，顯式與隱式分析的邊界條件有所不同。模型靜力分析的邊界條件采用定向位移約束，坡面邊界忽略地表起伏，設(shè)定為自由面。轉(zhuǎn)換為動(dòng)力分析界面后，邊坡上覆巖體已經(jīng)剝離，左右邊界及下邊界增加溢出邊界條件，藥包模型布置在邊坡最低臺(tái)階位置。

3 模型運(yùn)算及工程應(yīng)用

3.1 動(dòng)靜耦合力學(xué)分析

3.1.1 靜力狀態(tài)

在開挖前，初始應(yīng)力采用自重應(yīng)力加載和單元清除的方式生成，水平應(yīng)力均勻設(shè)置，且應(yīng)力值隨深度增加而增加。初始應(yīng)力計(jì)算過程中采用線彈性材料，故無塑性區(qū)形成［19］。模型選取的高陡邊坡區(qū)域長210 m，高180 m，清除單元總數(shù)為13 329個(gè)。初始應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示。

邊坡上部單元?jiǎng)冸x后產(chǎn)生卸荷力學(xué)作用，由于上層巖體約束被解除，邊坡面形成了部分回彈效應(yīng)，坡面應(yīng)力值驟減。模型下邊界應(yīng)力值逐級(jí)減小，也是由于失去上覆壓力造成的。高應(yīng)力區(qū)主要集中在邊坡體原點(diǎn)位置，低應(yīng)力區(qū)主要分布在坡面。當(dāng)受到劇烈爆破振動(dòng)影響時(shí)，坡面會(huì)率先發(fā)生動(dòng)力響應(yīng)，且極易發(fā)生破壞。因?yàn)樵谶@一階段，邊坡面已形成自由面，爆破波傳來時(shí)有足夠的自由震蕩空間，當(dāng)邊坡坡面振動(dòng)速度超過巖體承載臨界值時(shí)即發(fā)生破壞。

3.1.2 動(dòng)靜耦合穩(wěn)定性分析

目前深孔臺(tái)階爆破法已經(jīng)成為露天礦生產(chǎn)爆破的主要方法。邊坡體自由面較大，在動(dòng)力擾動(dòng)下振動(dòng)波在坡面極易產(chǎn)生反射。邊坡上覆巖體剝離之后形成高陡邊坡體，形成的臨空面越高其危險(xiǎn)系數(shù)也越大。隨著生產(chǎn)裝藥量不斷增加，邊坡體承受的動(dòng)力擾動(dòng)強(qiáng)度也隨之增大，其穩(wěn)定性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，故有必要對(duì)動(dòng)靜耦合作用下的邊坡體動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究。為了考慮整個(gè)邊坡體的應(yīng)力場影響，動(dòng)力分析時(shí)需要建立完整模型。如果爆破載荷依據(jù)實(shí)際的炮孔尺寸進(jìn)行施加，則炮孔尺寸與邊坡尺寸相差較大，不利于模型構(gòu)建以及網(wǎng)格劃分，因此需要將單孔裝藥等效為裸露藥包模型。由于邊坡上方生產(chǎn)工作已經(jīng)結(jié)束，上部邊坡即為最終邊坡，根據(jù)模型設(shè)定將裸露藥包置于露天坑最底部。本次分析的藥包尺寸為100 cm×100 cm×20 cm（長×寬×高），等效藥量為250 kg。由于動(dòng)力穩(wěn)定性分析過程中爆破載荷要與邊坡體地應(yīng)力耦合，故列出應(yīng)力云圖進(jìn)行對(duì)比分析。將隱式分析結(jié)果導(dǎo)入LS-DYNA軟件后的應(yīng)力云圖存在細(xì)微差異，主要原因是因?yàn)橛?jì)算原理不同，但邊坡體整體應(yīng)力分布保持了較好的一致性，故在爆破動(dòng)力分析中通過顯式—隱式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入地應(yīng)力的方法是可行的。

藥包起爆時(shí)刻設(shè)定為0時(shí)刻，起爆后能量以波的形式向巖體內(nèi)傳播（圖6）。由于藥包附近巖體表面較為平整，故爆破應(yīng)力波以同心圓弧的形式向下傳播。當(dāng)應(yīng)力波遇到下邊界及右邊界時(shí)，受無反射邊界條件影響，應(yīng)力波在此界面發(fā)生透射。另一側(cè)應(yīng)力波沿介質(zhì)傳遞，藥包近區(qū)巖體處于高應(yīng)力加載狀態(tài)。另一方面，邊坡體坡頂、平臺(tái)與坡面均為自由面，應(yīng)力波傳播到上述位置將發(fā)生分散并疊加，故后續(xù)應(yīng)力云圖出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)。隨著應(yīng)力波繼續(xù)傳遞，能量逐漸耗散。為定量研究邊坡體受爆破載荷的影響，對(duì)臺(tái)階邊界單元的應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，單元位置如圖7所示，各監(jiān)測(cè)單元標(biāo)高自上而下依次為+205、+135、+60、+50、+35 m。

各單元應(yīng)力—時(shí)程曲線如圖8所示。分析圖8可知：距離藥包最近的86709單元率先發(fā)生響應(yīng)，其應(yīng)力值比其它4個(gè)單元高。86709單元?jiǎng)恿憫?yīng)不同于其他單元，故需進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)測(cè)。隨著卸荷狀態(tài)起步，86709單元初始應(yīng)力為0.938 MPa，受到爆破應(yīng)力波作用后應(yīng)力迅速下降，直至應(yīng)力方向改變?yōu)閅反向。此后應(yīng)力值發(fā)生波動(dòng)，在7 190 μs時(shí)刻應(yīng)力絕對(duì)值達(dá)到峰值40.8 MPa，此后應(yīng)力波不斷震蕩并衰減。所有單元都是在初始應(yīng)力影響下發(fā)生動(dòng)力響應(yīng)，在爆破應(yīng)力波影響下呈現(xiàn)卸荷狀態(tài)。各監(jiān)測(cè)單元的應(yīng)力極值如表4所示。

結(jié)合表4分析可知：最遠(yuǎn)兩個(gè)單元相距50 m，應(yīng)力極值隨著影響距離的增加而減小，最遠(yuǎn)的84945單元的應(yīng)力極值僅為1.9 MPa。從響應(yīng)程度分析，爆破對(duì)邊坡的影響主要集中在86829單元所在臺(tái)階。由于藥包是裸露安放，因此初始爆破能積蓄較小。

對(duì)邊坡體響應(yīng)分析的依據(jù)，除了有效應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果外，也可采用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度來衡量。坡面及臺(tái)階均為自由面，故振動(dòng)比較明顯，本研究主要從質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度變化來分析，對(duì)5個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖9所示。

各測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5所示。由表5可知：該當(dāng)量藥量測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度極大值均高于安全規(guī)程規(guī)定范圍。測(cè)點(diǎn)上邊界及右邊界均為自由面，屬于典型的卸荷自由面。應(yīng)力釋放后該位置應(yīng)力值較小，質(zhì)點(diǎn)具有相對(duì)自由的響應(yīng)空間。測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度較高，其原因除了炸藥量較高外，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于邊坡頂部自由面，應(yīng)力波反射作用較強(qiáng)也是關(guān)鍵因素。實(shí)際生產(chǎn)中，邊坡開挖過程經(jīng)歷長時(shí)間卸荷作用，特別是坡頂位置巖土體處于松散狀態(tài)，當(dāng)受到爆破振動(dòng)影響時(shí)，邊坡坡面經(jīng)常有砂石滾落。

根據(jù)應(yīng)力以及測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度綜合分析可知，邊坡體總體穩(wěn)定性較好，受爆破動(dòng)力影響，坡頂位置質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度較大，生產(chǎn)中易掉落碎石，需重點(diǎn)防范。隨著節(jié)點(diǎn)位置變化，爆心距也在增加，若在完整巖體中，距離爆源位置越遠(yuǎn)，爆破能量逐漸衰減，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨之下降。在工程實(shí)踐中，爆破引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度會(huì)隨著測(cè)點(diǎn)與爆心高程差的增加而增大，這一現(xiàn)象稱之為高程放大效應(yīng)。這種效應(yīng)受多方面因素控制，比如巖土體完整性、不良地質(zhì)構(gòu)造、爆破規(guī)模等。正常情況下，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與爆心距、高程、開挖深度呈反比關(guān)系。高程放大效應(yīng)也具有一定范圍，超過這個(gè)范圍就會(huì)消失，恢復(fù)正常狀態(tài)。X方向振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，28592點(diǎn)位小于28576點(diǎn)位，對(duì)于Y方向振動(dòng)速度，28599點(diǎn)位小于28592點(diǎn)位，這就是典型的高程放大效應(yīng)，說明本研究仿真分析結(jié)果具有可靠性。通過動(dòng)靜耦合分析可知，爆破振動(dòng)效應(yīng)與坡度大小緊密相關(guān)，在過爆心的坡面、邊坡、坡面角平分線圍成的區(qū)域內(nèi)較為明顯。如果坡度大于1∶2，高程放大效應(yīng)才會(huì)出現(xiàn)，坡面的自由反射作用也會(huì)影響坡體的振動(dòng)頻率。

3.2 邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律

上述分析僅對(duì)固定藥量作用下的邊坡體動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了分析，在實(shí)際生產(chǎn)中每次爆破量均不相等，故有必要對(duì)不同藥量爆破作用下的邊坡體動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究。采用的計(jì)算方法仍為考慮地應(yīng)力作用的顯式—隱式轉(zhuǎn)換法，共設(shè)定4組模型，如表6所示。圖10所示為不同藥量下的邊坡塑性變形情況，隨著藥包藥量增加，塑性區(qū)范圍不斷增大，不同方案對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)尺寸見表7。

塑性區(qū)范圍對(duì)應(yīng)于實(shí)際生產(chǎn)中的爆破漏斗，由于上部為自由面，爆破漏斗呈現(xiàn)出的水平尺寸大于豎直尺寸的特征。隨著裝藥量增加，水平方向塑性區(qū)增幅遠(yuǎn)大于豎直方向。根據(jù)網(wǎng)格變形幅度也可以看出，后兩組模型呈現(xiàn)出明顯的“凹坑”，且“凹坑”兩側(cè)受到擠壓有輕微凸起，說明起爆藥量控制著爆源附近的巖石破碎范圍。4組模型監(jiān)測(cè)同一位置單元的位移—時(shí)程曲線如圖11所示。

由圖11可知：單元變形發(fā)生在初始應(yīng)力作用的基礎(chǔ)上，當(dāng)爆破應(yīng)力波傳至單元后，單元迅速產(chǎn)生較大形變，曲線第1個(gè)上升階段對(duì)應(yīng)爆破動(dòng)力主導(dǎo)下的變形階段。由于巖石材料是彈塑性材料，上述單元變形量大部分超過彈性形變的極值，呈現(xiàn)出一定的塑性變化。而大藥量爆破動(dòng)力加載過后的單元位移維持在一個(gè)特定水平發(fā)生波動(dòng)，這一階段的變形是衰減后的爆破動(dòng)力與地應(yīng)力共同作用的結(jié)果。對(duì)于藥量最小的A組模型，距離爆源較遠(yuǎn)單元的初始動(dòng)力響應(yīng)表現(xiàn)為小范圍變形，隨后變形量才產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，說明小藥量藥包對(duì)遠(yuǎn)處單元影響較小，主要是提供擾動(dòng)后作用。

不同藥量方案單元位移結(jié)果如圖12所示。由圖12可知：隨著監(jiān)測(cè)單元與藥包距離增加，位移呈減小趨勢(shì)。起爆藥量越大，該趨勢(shì)愈加明顯，說明單元位移受藥量影響較大，這與上述分析一致。同一單元的位移也會(huì)隨著起爆藥量增加而增加。當(dāng)爆心距持續(xù)增加，不同藥量方案的單元位移差距越來越小。因此，單次起爆藥量是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一，最佳的起爆藥量不僅能保證起爆時(shí)的邊坡穩(wěn)定性，又能確保礦山采剝生產(chǎn)高效進(jìn)行。藥包破碎范圍主要為藥包下方半圓形區(qū)域，距離坡底25 m。隨著起爆藥量增加，藥包近區(qū)單元位移不斷上升。藥包截面尺寸為150 cm×150 cm時(shí)（藥量562.5 kg），爆源近區(qū)單元位移約為藥包截面尺寸為200 cm×200 cm（藥量1 000 kg）下的1 /2。藥包藥量增大則破碎范圍增大，隨之而來的爆震危害也更明顯。藥量過大也會(huì)造成爆源附近的碎石飛散，不利于裝運(yùn)。

為減輕爆震危害，應(yīng)當(dāng)盡可能維持最優(yōu)藥量爆破，且炸藥選型應(yīng)選取爆速較低、威力較小的炸藥。當(dāng)炸藥量較大時(shí)，盡可能分散布置到多個(gè)炮孔中，采用分段微差起爆方式。爆破作業(yè)時(shí)，應(yīng)注意邊坡上部滾落碎石。當(dāng)起爆點(diǎn)附近有重要構(gòu)筑物時(shí)可采用預(yù)裂爆破形成預(yù)裂縫，削弱爆破振動(dòng)對(duì)構(gòu)筑物的影響。

4 結(jié) 論

本研究運(yùn)用AUTO CAD與ANSYS聯(lián)合建模技術(shù)建立高陡邊坡動(dòng)靜耦合分析數(shù)值模型，采用ANSYS靜力隱式計(jì)算方法得到邊坡剝離后的地應(yīng)力分布規(guī)律，將其導(dǎo)入LS-DYNA軟件中進(jìn)行顯式動(dòng)力分析，有效還原了地應(yīng)力遷移環(huán)境下的爆震傳播效果，實(shí)現(xiàn)了顯式—隱式轉(zhuǎn)換下的高陡邊坡動(dòng)靜力學(xué)耦合分析，得出如下結(jié)論：

（1）動(dòng)靜耦合的計(jì)算模式有效還原了高陡邊坡的初始應(yīng)力，上覆巖層剝離后邊坡體坡面及臺(tái)階位置發(fā)生卸荷力學(xué)行為，單元變形產(chǎn)生小范圍回彈，使爆破應(yīng)力波作用均在應(yīng)力重分布的基礎(chǔ)上開始響應(yīng)。在這一計(jì)算模式下，邊坡面成為了應(yīng)力波傳播的自由震蕩空間，當(dāng)振動(dòng)速度超過其臨界值時(shí)即發(fā)生破壞，實(shí)際生產(chǎn)中坡頂易發(fā)生碎石滾落，需重點(diǎn)防范。

（2）對(duì)顯式—隱式聯(lián)合計(jì)算結(jié)果進(jìn)行塑性變化分析發(fā)現(xiàn)，炸藥量越大，塑性范圍隨之呈正比增長關(guān)系；爆心距較小的單元?jiǎng)恿憫?yīng)過程始于爆破引發(fā)的大變形加載階段，隨后在爆破動(dòng)力與地應(yīng)力耦合作用下持續(xù)震蕩直至平穩(wěn)。通過對(duì)不同起爆藥量下的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度及單元位移分析，確定藥包尺寸為150 cm×150 cm×20 cm為安全高效生產(chǎn)的最優(yōu)裝藥參數(shù)。

（3）根據(jù)不同藥量爆破動(dòng)力強(qiáng)度分析，提出了減震降災(zāi)措施：當(dāng)炸藥量較大時(shí)，盡可能分散到多個(gè)炮孔中，采用分段微差起爆方式；有爆破生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)注意邊坡上部滾落碎石。當(dāng)起爆點(diǎn)附近有重要構(gòu)筑物時(shí)可采用預(yù)裂爆破形成預(yù)裂縫，削弱爆破振動(dòng)對(duì)構(gòu)筑物的影響。顯隱轉(zhuǎn)換分析方法有效實(shí)現(xiàn)了地應(yīng)力影響下的爆震傳播規(guī)律研究，但分析中對(duì)邊坡坡體內(nèi)的不良地質(zhì)體考慮有限，在今后研究中通過融合節(jié)理的精細(xì)化建模方法，能夠更好地實(shí)現(xiàn)仿真效果。