露天矿爆破荷载等效施加探究范文

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《金属矿山杂志》2014年第七期

1计算方法与原理

以爆破荷载衰减理论为基础，计算出露天矿爆破荷载衰减到粉碎区外边界上的荷载，等效为三角波荷载，计算出粉碎区外边界三角波荷载的峰值和作用时间，采用FLAC强度折减有限差分法计算露天矿边坡的安全系数，用以评价露天矿边坡在爆破作用稳定性。该方法可分为两步骤:①爆破荷载等效;②强度折减法求安全系数。

1.1爆破荷载等效在露天矿爆破中，岩石主要的破坏形式为爆破纵波产生的拉压破坏，这种破坏会使得岩石原有裂隙从炮孔壁向自由面方向继续发展。露天矿的开采场地和边坡都是由岩石构成，岩石的抗压强度远远大于抗拉强度，在破坏时很容易表现为拉伸破坏，爆破过程中岩石即受到拉应力同时也受到压应力，且岩石处在拉压混合三向应力状态下，粉碎区的岩石受到高压的爆破作用而破坏，岩石裂纹是由于拉伸作用形成的。本研究采用三角形脉冲荷载的爆破加载形式来对爆破震动进行数值模拟，相关文献对此做了大量探讨［6-7］，三角形脉冲荷载如图1所示。其中pm为粉碎区外边缘荷载峰值，t1=1ms，t2=5ms。炮孔壁初始爆破荷载峰值有两种，一是爆破时形成的气体压力作用到炮孔壁的最大值，即爆破气压峰值，二是爆破时炮孔壁冲击波峰值。

1.2强度折减法求安全系数利用FLAC动力强度折减法［9］计算安全系数时，对露天矿边坡岩体材料参数进行强度折减，折减过程中考虑到爆破动载所引起拉破坏，同时对边坡岩体的抗拉强度进行相应的折减，强度折减法公式如下。

2算例与分析

2.1计算模型与参数在进行数值模拟计算中，边坡各尺寸和边界条件都将影响到计算结果的准确性，一般认为坡脚到模型左边界的距离是边坡总高的1.5倍，边坡顶端到模型右边界的距离是边坡总高的2.5，上下边界不得小于2倍的边坡总高，此时计算出来的结果和精度较为理想［11］。炮孔距离边坡角20m，两排两列，即考虑了爆破时各个方向上的相互作用影响。本研究模型尺寸符合建模计算要求，数值模型及炮孔位置如图2所示。

2.2计算结果与分析根据上文所述的加载形式和炮孔模型，模拟实际的爆破形式，对爆破动载情况下露天矿边坡进行计算分析，得到边坡在爆破动载下的响应特征和安全系数。为了进行对比研究，将此加载方式与传统的将爆破振动的加速度加载在边坡模型边界上进行对比，利用有限差分软件FLAC3D计算，进行2种加载方式的对比分析。2种动载加载方式在静力计算方面都是一样的，只在动力计算部分不同。FLAC静力计算部分用静态边界条件和弹性模型，再在自重情况下算出初始应力和位移，初始化后利用FLAC强度折减有限差分法计算静力情况下该边坡的安全系数和相应的应力、位移。图3为该露天矿边坡达到屈服极限时的水平位移云图，图4为边坡的剪切应变增量云图，贯通到边坡顶部。由强度折减法计算的边坡在该种范围的材料参数内聚力为0.06944MPa，内摩擦角为34.8541°，由强度折减式(8)得边坡静力情况下的安全系数Fs=1.44。当折减系数小于1.44时边坡的滑动面不贯通，边坡不发生滑动，当折减系数大于1.44时边坡计算过程不收敛，却滑动面迅速贯通，坡顶滑动面处位移发生突变，边坡已经失稳破坏。因此，该露天矿边坡静力情况下边坡的安全系数Fs=1.44。加载爆破荷载时将爆破荷载等效到炮孔粉碎区边缘施加，其爆破荷载等效计算如式(1)～式(7)，将爆破荷载的各峰值和半径计算出来，本研究取炮孔半径0.125m，炮孔间距为6m。通过对爆破参数的统计和计算的炮孔粉碎区边缘距炮孔中心的距离为0.75m，这样就是以炮孔中心为圆心，以0.75m为半径，装药位置为炮孔中间三分之一高处，在该圆柱体外表面施加一个法向的面荷载，荷载矢量图如图5所示。研究爆破荷载下的边坡安全系数时，主要对边坡在爆破过程中的塑性区域的变化进行考察，边坡上塑性区域是否贯通是衡量边坡是否稳定的重要标准［12］，在此基础上再对滑动面上的位移(或速度)和计算是否收敛综合分析考虑，得到边坡的安全系数。

本研究采用强度折减法先将折减系数减小，使边坡不发生失稳或极限平衡状态，此时边坡的塑性区域没有从坡脚贯通到坡顶，再在炮孔上加载上述爆破荷载，计算完成后看边坡上的塑性区域是否贯通，反复调整折减系数，直至加完爆破荷载后边坡塑性区域刚好贯通(且再增大折减系数计算后坡顶塑性区处位移发生突变，计算不收敛)，此时的折减系数为边坡在此爆破荷载下的安全系数。如图6和图7分别为折减系数1.43未加爆破荷载边坡塑性区域贯通情况和加爆破荷载后塑性区域贯通情况。图7塑性区贯通且在坡顶为受拉破坏;当折减系数大于1.43时，塑性区域很快贯通，且计算不收敛，位移发生突变，说明边坡已经失稳破坏，安全系数不大于1.43;折减系数小于1.43时边坡在爆破荷载下塑性区域未完全贯通。图8、图9分别是在折减系数为1.43和1.435情况下测得的坡顶速度时程图，折减系数为1.43时，最终速度收敛为零，边坡最终静止，折减系数为1.435时最终速度越来越大，边坡发生滑动，因此边坡在爆破荷载下的安全系数应该为1.43，该判定方法和相关结论已被广泛运用。在爆破荷载施加方面，一般情况而言都是将爆破时在边坡附近测得的爆破振动速度或加速度以地震波的形式施加在测点所在的截面上。在上述模型和爆破荷载的情况下，在边坡坡脚5m处布置两侧点，两侧点距离炮孔中心距离不同得到两个不同的加速度图像，如图10和图11，再将这两个测得的加速度分别加载到边坡5m处，计算出两个加速度情况下的边坡安全系数，其中图10是距离炮孔中心较远的加速度，加载后计算得到的安全系数为1.445，图11为距离炮孔中心较近的加速度，加载计算得到安全系数为1.415。这种一般常用的等效加载方式会随着测点的位置不同而测到不同的加速度，要想准确全面的测到5m处断面的所有控制点的加速度是一件比较困难的事情，地下测点不可能准确测出，而且将整个面上的加速度统计和分析出来十分困难。一般在实际的工程中，研究人员是在离边坡较近的地方安放爆破振动记录仪，测得该测点的加速度或速度来分析边坡的稳定性，如上所述的分析方法，这种方法存在很大误差，只能将测得数据通过经验衡量边坡的稳定性，而不能较准确的进行数值模拟。

3结论

(1)本研究中露天矿爆破开采时对边坡的稳定性影响不大，就本模型而言边坡安全系数仅相对静力安全系数下降较小，但炮孔附近区域由于爆破形成塑性区较大。(2)本研究针对露天矿边坡在爆破荷载下稳定性研究提出了一种与实际爆破荷载更加吻合的加载方式，通过爆破荷载衰减规律将爆破荷载等效施加到炮孔粉碎区边缘，使得加载方式与实际爆破荷载形式十分相似，可以在数值模拟研究中较为准确的模拟实际爆破荷载，较为准确分析边坡在爆破荷载下的稳定情况。(3)数值模拟时测控制点加速度，将加速度加载到模型上分析边坡的稳定，测得较近点的加速度加载到模型上计算出来的边坡安全系数就会比实际的安全系数偏小;测得较远点的加速度，计算出的安全系数则会偏大。通过测加速度等效加载到模型上的加载方式与本研究加载方式相比存在一定误差。

作者：胡军钟龙单位：辽宁科技大学矿业工程学院