宮長亮，楊繼海，孫哲申，王 雄，申作棟

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司 大孤山分公司，遼寧 鞍山 114046；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

隨著我國現(xiàn)代化事業(yè)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)建設(shè)所需的礦產(chǎn)資源日益增加，許多礦山開始對深部的礦體進(jìn)行開采，從而轉(zhuǎn)入深凹露天開采的階段，在這個過程中諸多高陡巖質(zhì)邊坡隨之出現(xiàn)[1-3]。國內(nèi)的一些年代較久的礦如大冶鐵礦、大孤山露天鐵礦、南芬露天鐵礦等，都已經(jīng)進(jìn)入了該階段，形成大量不穩(wěn)定的高陡邊坡。這些高陡邊坡在施工過程中巖體因爆破開挖作用，其強(qiáng)度被極大弱化[4]。同時，由于國內(nèi)外的一些大型露天礦為了達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)效益，普遍采用大角度、高臺階開挖法，導(dǎo)致生成大量的高陡邊坡，隨著臺階的加寬和坡度的不斷加大及高度的增加，邊坡坡體本身的穩(wěn)定性就會急轉(zhuǎn)直下，當(dāng)這些高陡巖質(zhì)邊坡在受到爆破或者地震作用后，能會發(fā)生滑坡或者泥石流等災(zāi)害，從而造成巨大的損失[5-10]。

目前已有大量的學(xué)者對爆破荷載作用下巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性和動力響應(yīng)規(guī)律展開了研究。宋光明等[11]通過現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測試驗(yàn)得到了露天礦邊坡爆破振動速度的衰減規(guī)律，并且提出了用垂直方向的質(zhì)點(diǎn)振速來作為評價(jià)爆破振動強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)；陳明等[12]通過數(shù)值模擬以及實(shí)際案例分析，發(fā)現(xiàn)巖質(zhì)邊坡振速的高程放大效應(yīng)是在一定條件下產(chǎn)生的，只有當(dāng)坡形發(fā)生突變，臺階巖體的振動產(chǎn)生“鞭梢效應(yīng)”時才會出現(xiàn)該現(xiàn)象，當(dāng)邊坡坡形無較大變化時，監(jiān)測點(diǎn)的振速隨著高程的增大而減小，出現(xiàn)了相應(yīng)的衰減規(guī)律；宋光仁[13]以弓長嶺露天礦高陡邊坡為研究背景，通過FLAC3D模擬水平向、豎直向振動波以及兩者耦合作用下邊坡的加速度動力響應(yīng)規(guī)律，并考慮波型、振幅、持時、頻率等因素對巖質(zhì)邊坡動力響應(yīng)規(guī)律的影響；周子涵等[14]基于二維斜坡平面滑動失穩(wěn)力學(xué)模型，引入爆破荷載因素，建立了露天爆破荷載作用下巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變理論模型，探討了爆破荷載幅值和爆破荷載頻率對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，導(dǎo)出了邊坡的動態(tài)自穩(wěn)臨界高度，并提出了失穩(wěn)的判據(jù)條件。

為此，以大孤山鐵礦邊坡為背景，利用FLAC3D研究了爆破荷載擾動下邊坡的破壞動力響應(yīng)規(guī)律（速度、加速度和位移），并且分析了多次爆破擾動作用下的塑性區(qū)、位移演化規(guī)律及安全系數(shù)的變化。

1 邊坡數(shù)值模型及參數(shù)

大孤山鐵礦所在的鞍鋼礦業(yè)公司是鞍鋼集團(tuán)旗下的主要子公司，同時也是鞍鋼集團(tuán)的主要礦石原料生產(chǎn)基地。大孤山露天鐵礦隨著開采深度的逐漸增加，形成了具有高陡巖質(zhì)邊坡的深凹露天礦；與此同時，采礦作業(yè)的難度和邊坡的破壞幾率越來越大，邊坡的爆破開采過程中的穩(wěn)定性現(xiàn)已成為該露天礦持續(xù)開采過程中需要關(guān)注的重點(diǎn)問題。

研究區(qū)域位于大孤山鐵礦西北幫邊坡，巖性主要為鐵礦石和邊坡混合巖。模型整體高300 m，底部寬度425 m，坡頂寬度160 m，其中邊坡整體高215 m，邊坡整體坡度52°，模型中部某臺階的坡度為72°，且單個臺階最大坡度達(dá)到了75°，臺階的高度為8～12 m，寬度5～8 m，每隔2 個5 m 的臺階設(shè)置較寬的8 m 臺階。為了較為準(zhǔn)確且全面地研究大孤山露天礦巖質(zhì)邊坡的動力響應(yīng)規(guī)律，分別在坡體內(nèi)部和邊坡表面設(shè)置一系列監(jiān)測點(diǎn)，以此來研究邊坡內(nèi)外不同的動力響應(yīng)規(guī)律，地質(zhì)剖面簡圖及具體的監(jiān)測點(diǎn)位置如圖1。

圖1 邊坡模型剖面簡圖及邊坡監(jiān)測點(diǎn)位置圖

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)資料可知，大孤山露天礦邊坡的巖性比較復(fù)雜，由多種巖性組成，但主要是混合花崗巖，鑒于數(shù)值模擬的計(jì)算量以及實(shí)際情況，在模擬時將模型設(shè)置為單一巖性，主要巖體力學(xué)參數(shù)為：①巖性：混合巖；②巖石密度：2 800 kg/m3；③彈性模量：14.25 GPa；④泊松比：0.25；⑤內(nèi)摩擦角：37.2°；⑥抗壓強(qiáng)度：13.71 MPa；⑦抗拉強(qiáng)度：0.45 MPa；⑧黏聚力：5.1 MPa。

建立的數(shù)值模型只采用自由場邊界條件，選擇瑞利阻尼進(jìn)行動力分析，最小臨界阻尼比為4.2 %，最小中心頻率為2.395 Hz。本構(gòu)模型選擇Mohr-Columb模型。

大孤山露天礦存在常年爆破的情況，研究的爆破區(qū)域位于坡腳水平距離不遠(yuǎn)處，現(xiàn)場監(jiān)測的爆破波既不是單純的橫波也不是單純的縱波，而是面波和體波耦合的一種混合波。鑒于爆破波施加的位置以及考慮到模擬的效果，本次模擬選取所監(jiān)測的1組x 方向的波形圖，并對該波形的振幅進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)而通過FLAC3D內(nèi)置的Wizard 模塊進(jìn)行濾波處理和基線校正。處理后的波形如圖2。

圖2 處理后的爆破振動波

2 邊坡模擬結(jié)果

2.1 速度響應(yīng)規(guī)律。

速度響應(yīng)規(guī)律作為工程爆破中評判振動危害效應(yīng)的1 個重要指標(biāo)，一直是國內(nèi)外諸多學(xué)者研究的對象，同時質(zhì)點(diǎn)峰值速度可以作為振動波所攜帶瞬時能量大小的表征參量。因此從爆破振動波峰值的大小來討論邊坡監(jiān)測點(diǎn)速度響應(yīng)規(guī)律。根據(jù)坡面和坡內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的速度時程曲線模擬結(jié)果，利用origin軟件分析坡面坡內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的峰值速度。測點(diǎn)振速衰減規(guī)律曲線如圖3。

由圖3 可知：①坡面和坡內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)爆破振速峰值都一個共同特點(diǎn)，即振速峰值整體上是隨著爆破距離的增大而不斷減小，符合爆破衰減的基本規(guī)律；②坡面上監(jiān)測點(diǎn)z 向振速基本大于x 向振速；③坡面監(jiān)測點(diǎn)在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了高程放大效應(yīng)，坡面的第5 個監(jiān)測點(diǎn)的x 向、z 向振速并沒有像其他測點(diǎn)一樣隨距離衰減，而是均出現(xiàn)了增大的現(xiàn)象，也就是所說的局部高程放大效應(yīng)，隨后的測點(diǎn)振速衰減恢復(fù)正常，這是因?yàn)? 號監(jiān)測點(diǎn)處于臺階的邊緣位置，該處坡形驟變，由于振動的“鞭梢效應(yīng)”，故而出現(xiàn)局部的高程放大效應(yīng)；④坡面監(jiān)測點(diǎn)的振速矢量和大于坡內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的振速矢量和，這是由于在相同爆距的情況下，邊坡表面監(jiān)測點(diǎn)多了一個自由面，所受約束較少，能量衰減的較慢，故而振速較大。

圖3 測點(diǎn)振速衰減規(guī)律曲線

2.2 加速度響應(yīng)規(guī)律

加速度響應(yīng)規(guī)律是評價(jià)邊坡動力響應(yīng)的重要方式之一，為此對邊坡各監(jiān)測點(diǎn)的加速度情況展開分析。根據(jù)坡面和坡內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的加速度時程曲線模擬結(jié)果，利用origin 軟件分析坡面坡內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的峰值加速度。測點(diǎn)加速度衰減規(guī)律曲線如圖4。

由圖4 可知：①坡面和坡內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)，其加速度峰值大體上是隨著爆距的增大而逐漸減小，坡面監(jiān)測點(diǎn)雖然沒有出現(xiàn)明顯的高程放大效應(yīng)，但也出現(xiàn)了加速度衰減變緩的現(xiàn)象；②坡腳處的加速度峰值最大，說明坡腳處對于爆破波的響應(yīng)最為敏感，而且隨著監(jiān)測點(diǎn)高度（對于坡面監(jiān)測點(diǎn)）的增加，這種響應(yīng)就越遲鈍；③坡內(nèi)和坡面監(jiān)測點(diǎn)的加速度峰值在80 m 以內(nèi)衰減地較為明顯，80 m 以后其加速度峰值趨近于0，變化率則不明顯，這由于爆破距離較大，邊坡較遠(yuǎn)處的監(jiān)測點(diǎn)受到的爆破振動的影響很小。

圖4 測點(diǎn)加速度衰減規(guī)律曲線

2.3 位移響應(yīng)規(guī)律

位移響應(yīng)是邊坡動力響應(yīng)規(guī)律的一個重要表現(xiàn)形式，也是研究邊坡穩(wěn)定性的重要依據(jù)之一。根據(jù)坡面和坡內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的位移時程曲線模擬結(jié)果，利用origin 軟件分析坡面坡內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的峰值位移。測點(diǎn)峰值位移衰減規(guī)律曲線如圖5。

由圖5 可知：①坡面監(jiān)測點(diǎn)最大x 向位移6.35 mm，最大z 向位移11.7 mm，發(fā)生在邊坡坡腳處，且坡面各監(jiān)測點(diǎn)的位移時程曲線逐漸發(fā)生了收斂，所以邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，無局部破壞現(xiàn)象；②無論是坡面還是坡內(nèi)，監(jiān)測點(diǎn)的最大位移基本上隨爆距的增大而逐漸減小，但坡面監(jiān)測點(diǎn)局部發(fā)生放大效應(yīng)，這與振速的高程放大效應(yīng)有關(guān)聯(lián)，即在爆破振速較高的地方其位移變化值也較大，所以要注意邊坡臺階的合理設(shè)置；③在相同爆距的情況下，坡面監(jiān)測點(diǎn)的最大位移值大于坡內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的最大位移值，這說明臨空面所受約束較小，爆破能量較之于內(nèi)部的大，故而爆破對坡面監(jiān)測點(diǎn)位移值的影響較大。

圖5 測點(diǎn)峰值位移衰減規(guī)律曲線

2.4 塑性區(qū)和位移演化特征

通過FLAC3D中內(nèi)置的Fish 語言循環(huán)語句，對邊坡模型和爆破荷載進(jìn)行多次累計(jì)爆破的模擬，初步擬定4 組爆破且每組循環(huán)10 次，分別分析爆破10、20、30、40 次后邊坡的塑性區(qū)和位移演化規(guī)律。多次爆破后邊坡塑性區(qū)演化如圖6，多次爆破后邊坡位移演化如圖7。

圖6 多次爆破后邊坡塑性區(qū)演化

圖7 多次爆破后邊坡位移演化

由圖6 可以看出：隨著爆破次數(shù)的增加，邊坡的塑性區(qū)逐漸增大，并有逐步發(fā)生貫通的趨勢；其中圖6（a）是爆破10 次后邊坡的塑性區(qū)圖，可以看出在爆源位置和邊坡坡腳處有小面積的塑性區(qū)；圖6（b）是爆破20 次后邊坡的塑性區(qū)圖，可以看出邊坡的塑性區(qū)從坡腳處繼續(xù)向上發(fā)展；圖6（c）是爆破30 次后邊坡的塑性區(qū)圖，塑性區(qū)面積繼續(xù)增大，進(jìn)一步向上發(fā)展；圖6（d）是爆破40 次后邊坡的塑性區(qū)圖，此時邊坡塑性區(qū)發(fā)生貫通，說明邊坡處于失穩(wěn)破壞狀態(tài)。

如圖7，模擬時在邊坡中部的某一臺階上設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，坐標(biāo)為（243，3，194），從模擬結(jié)果可知：該監(jiān)測點(diǎn)經(jīng)過4 組爆破后，總位移量分別是19、55、110、225 mm，且增速越來越快，這說明隨著爆破次數(shù)的增加巖體邊坡的損傷程度也隨之加深?？傊?，通過上述總位移云圖可以看出，邊坡位移分布變化呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：隨著爆破次數(shù)的增加，位移變化區(qū)域越來越大，當(dāng)爆破40 次之后邊坡整體處于失穩(wěn)狀態(tài)。

2.5 邊坡穩(wěn)定性規(guī)律

利用FLAC3D中的強(qiáng)度折減法對邊坡在爆破后的安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算求解，邊坡安全系數(shù)變化如圖8。

由圖8 可以知：第10 次爆破后邊坡安全系數(shù)降低2.86%，第20 次爆破后邊坡安全系數(shù)降低7.56%，第30 次爆破后邊坡安全系數(shù)降低18.64%，第40 次爆破后邊坡安全系數(shù)降低39.11%；每次爆破振動的直接作用會使邊坡安全系數(shù)降低，并且隨邊坡強(qiáng)度的折減，呈增大趨勢；邊坡動力安全系數(shù)的降低是由于爆破振動和前幾次爆破振動產(chǎn)生的巖石損傷所造成的，這說明對邊坡連續(xù)爆破會大大增加巖體損傷程度，嚴(yán)重影響邊破穩(wěn)定性。

圖8 邊坡安全系數(shù)變化

3 結(jié)語

1）坡面和坡內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的速度、加速度、位移峰值大致上都隨著爆距的增大而逐漸減小。在相同爆距的情況下，坡面監(jiān)測點(diǎn)的爆破振速和爆破位移要大于坡內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)，說明邊坡表面更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2）經(jīng)過多次爆破后其塑性區(qū)面積逐漸擴(kuò)大，位移變化量逐漸增大，當(dāng)?shù)?0 次爆破完之后，邊坡的塑性區(qū)發(fā)生貫通。

3）隨著爆破次數(shù)的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸減小，并最終發(fā)生失穩(wěn)破壞。同時在爆破的過程中邊坡安全系數(shù)變化率逐漸變大，這表明隨著爆破次數(shù)的增加，巖石的力學(xué)性能會發(fā)生改變，連續(xù)爆破會大大增加巖體損傷程度，嚴(yán)重影響邊破穩(wěn)定性。