本文選自國(guó)家級(jí)期刊《煤礦開采》，《煤礦開采》期刊是國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局主管、煤炭科學(xué)研究總院主辦的國(guó)家級(jí)綜合性學(xué)術(shù)期刊,面向國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行,國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊 號(hào)：CN:11-3677/TD，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：ISSN:1006-6225。是煤炭行業(yè)礦井開采新技術(shù)、新產(chǎn)品及研究成果的主要發(fā)布媒體之一。《煤礦 開采》期刊是中文核心期刊,中國(guó)科技核心期刊,國(guó)家圖書館重點(diǎn)收藏期刊。讀者對(duì)象:主要是從事工程行業(yè)的技術(shù)人員、科研與設(shè)計(jì)人員、管理干部、大專院校師 生。2012年，《煤礦開采》成為雙核心期刊，《煤礦開采》期刊連續(xù)入編《中文核心期刊要目總覽》，在工程類核心期刊表中位列前茅。

　　摘要：露天礦山安全生產(chǎn)中邊坡的穩(wěn)定性是一項(xiàng)重要的技術(shù)，一直以來不乏國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究和探討。為了分析露天礦山中深孔爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響機(jī)理，結(jié)合某小型露天礦山工程實(shí)際，在確定炸藥及爆破孔網(wǎng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，引入降振技術(shù)并運(yùn)用LS-DYNA有限元分析程序?qū)χ猩羁妆�破邊坡影響情況進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，得出了有指導(dǎo)意義的結(jié)論。

　　關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定,中深孔爆破,露天礦山,LS-DYNA

　　1工程概況

　　本文以某露天小型金屬礦山為依托，對(duì)其中深孔爆破邊坡穩(wěn)定性影響情況進(jìn)行試驗(yàn)研究。

　　1.1工程地質(zhì)

　　該礦區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，礦體呈層狀～似層狀產(chǎn)出，礦體賦存標(biāo)高880m～925.0m，礦床屬沉積熱液疊加改造的矽卡巖型磁鐵礦床。礦區(qū)主要巖性屬于硬巖～相當(dāng)硬巖類矽卡巖，硬度系數(shù)為8.2～13.8，為難爆～極難爆巖體。上部礦體賦存較淺，采用中深孔爆破開采。由于該礦區(qū)巖體裂隙較為發(fā)育，因此進(jìn)行中深孔爆破后露天邊坡的穩(wěn)定性成為了工程重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象。

　　1.2爆破參數(shù)

　　在該礦山以往爆破計(jì)算經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)內(nèi)其他露天礦山爆破參數(shù)，并同時(shí)引入微差爆破和預(yù)裂縫降振技術(shù)。本次設(shè)計(jì)爆破兩排中深孔共32個(gè)，孔間距2.0m，排間距2.3m，平均單孔孔深15.5m，孔徑110mm，采用磁電雷管、毫秒雷管、導(dǎo)爆管聯(lián)合起爆。選用密度為0.76g/cm3、爆轟速度為3400m/s粉狀乳化炸藥，主爆孔采用耦合裝藥，預(yù)裂孔采用不耦合裝藥，導(dǎo)向孔不裝藥。預(yù)裂孔最先起爆，主爆孔分段起爆，預(yù)裂孔與主爆孔起爆時(shí)間間隔不少于150ms，保證預(yù)裂成縫。

　　2模型構(gòu)建

　　在該露天礦山工程實(shí)際的基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)值分析模型，運(yùn)用LS-DYNA程序進(jìn)行中深孔爆破模擬試驗(yàn)。在本次模擬試驗(yàn)之前，進(jìn)行了取樣巖芯物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)、炸藥參數(shù)類比選擇和模擬試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)等工作。

　　2.1模型參數(shù)

　　本次中深孔起爆選用ANSYS/LS-DYNA程序中的爆轟功能進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過模擬炮孔內(nèi)炸藥爆轟及爆轟產(chǎn)物與巖體之間的相互作用確定其爆炸動(dòng)荷載，進(jìn)而研究爆炸荷載對(duì)露天礦山邊坡穩(wěn)定性的影響情況。

　　2.1.1炸藥爆轟參數(shù)

　　在炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程中，涉及該乳化炸藥的主要參數(shù)為：炸藥密度為0.76g/cm3，爆轟速度為3500m/s，JWL狀態(tài)方程中A=326.42GPa，B=5.80892GPa，ω=0.57，R1=5.81，R2=1.56，E0=2.6738。

　　其中，V為體積變量；A，B，ω，R1，R2，E0均為材料常數(shù)。

　　2.1.2巖體損傷破壞參數(shù)

　　由于炸藥爆炸時(shí)具有應(yīng)變大和應(yīng)變率效應(yīng)明顯的主要特征，因此露天礦山邊坡巖體采用包含應(yīng)變率效應(yīng)的Cowper-Symonds塑性硬化模型比較合適。巖體的破壞準(zhǔn)則取決于巖體的性質(zhì)和所受荷載情況，在爆破粉碎區(qū)范圍內(nèi)巖體主要受到爆轟沖擊壓力，主要采用Mises破壞準(zhǔn)則可以判定；然而在爆破粉碎區(qū)之外，巖體則同時(shí)受到壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的作用，由于巖體抗壓和抗拉強(qiáng)度具有較大不對(duì)稱性特點(diǎn)，往往表現(xiàn)為拉伸破壞。巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度和巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度相似，伴隨著加載應(yīng)變率的提高而增大，一般可近似表達(dá)為：

　　其中，σst為巖體單軸靜態(tài)抗拉強(qiáng)度，Pa；σtd為巖體單軸動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，Pa。

　　通過爆炸力學(xué)相關(guān)研究表明，爆轟粉碎區(qū)半徑大致為裝藥半徑的2倍～3倍，露天礦山邊坡主要處于爆破非粉碎區(qū)范圍內(nèi)，故本文主要研究露天礦邊坡拉伸破壞為主。

　　2.2數(shù)值模擬方案

　　在中深孔爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響試驗(yàn)的同時(shí)，引入爆破降振技術(shù)，通過對(duì)比邊坡降振前后的動(dòng)載荷區(qū)別，從而選擇合適的中深孔爆破參數(shù)。許多研究表明，爆破降振的有效手段主要有合適的孔網(wǎng)參數(shù)、微差爆破、緩沖爆破和預(yù)裂爆破等，本次試驗(yàn)主要是在確定孔網(wǎng)參數(shù)的基礎(chǔ)上引入預(yù)裂縫爆破和微差爆破技術(shù)降低爆破對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響。

　　為了使數(shù)值模型盡可能地與實(shí)際工程相似，本試驗(yàn)數(shù)值模型的幾何參數(shù)與工程實(shí)際保持一致，但由于基于有限元的三維動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析計(jì)算量十分大，因此在不影響計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下對(duì)稱分塊構(gòu)建模型。

　　1）最大藥量起爆段：在中深孔爆破中采用分段微差爆破，最大藥量起爆段因其藥量最大而應(yīng)重點(diǎn)研究，該段主要針對(duì)無(wú)預(yù)裂縫和不同預(yù)裂縫長(zhǎng)度存在情況下中深孔爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究。

　　2）邊幫主孔起爆段：雖然該段裝藥量不是最大，但其作為最靠近邊幫的主孔起爆段應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，該段模擬試驗(yàn)中主要進(jìn)行微差爆破對(duì)邊坡的影響研究。

　　3計(jì)算結(jié)果分析

　　為了研究中深孔爆破對(duì)露天礦山邊坡穩(wěn)定影響機(jī)理，在工程實(shí)際的基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于有限元的數(shù)值分析模型，同時(shí)引入微差爆破和預(yù)裂爆破兩種降振技術(shù)，探討邊坡在中深孔爆破過程中的穩(wěn)定性。在工程實(shí)際中，兩幫邊坡作為露天礦山的最終邊坡，其穩(wěn)定性分析是本次試驗(yàn)的重點(diǎn)，因此選取爆心到兩側(cè)邊幫的投影點(diǎn)作為本次試驗(yàn)的觀察點(diǎn)。

　　3.1最大藥量起爆段結(jié)果分析

　　最大藥量起爆段為5號(hào)段（由8個(gè)主炮孔同時(shí)起爆），在最大藥量起爆段起爆過程中同時(shí)引入預(yù)裂縫降振技術(shù)，試圖尋找振動(dòng)峰值和應(yīng)力強(qiáng)度隨預(yù)裂縫變化規(guī)律，對(duì)研究中深孔爆破邊坡穩(wěn)定性機(jī)理起到指導(dǎo)作用。如表1所示，存在不同預(yù)裂縫長(zhǎng)度情況下試驗(yàn)觀察點(diǎn)的振動(dòng)峰值、最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力變化規(guī)律。

　　本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)爆破寬度為5.72m，振動(dòng)峰值、最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力都隨著預(yù)裂縫長(zhǎng)度的增加而減少，模擬試驗(yàn)表明預(yù)裂縫對(duì)爆破降震起到明顯的作用。當(dāng)預(yù)裂縫長(zhǎng)度為5.72m（等于爆破寬度）時(shí)，振動(dòng)峰值較無(wú)預(yù)裂縫時(shí)降低了62.1%，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力也較無(wú)預(yù)裂縫時(shí)降低了一半以上，基本達(dá)到本次試驗(yàn)工程巖體的安全閾值。

　　3.2邊幫主孔起爆段結(jié)果分析

　　由于邊幫主孔起爆段（6號(hào)，7號(hào)段）靠近邊坡，爆破影響更為明顯，因此本次在確定預(yù)裂縫長(zhǎng)度5.72m的基礎(chǔ)上對(duì)最靠近邊幫主爆孔進(jìn)行爆破模擬試驗(yàn)。在此次試驗(yàn)中，引入微差間隔起爆，探尋微差時(shí)間對(duì)邊坡爆破震動(dòng)的影響機(jī)理。

　　相關(guān)理論研究表明，進(jìn)行預(yù)裂爆破時(shí)，爆破震動(dòng)的主頻率下降，其衰減周期也相應(yīng)增長(zhǎng)，進(jìn)而需要更大的微差時(shí)間避免爆破震動(dòng)主相疊加效應(yīng)，且隨著微差時(shí)間的增大爆轟波形分離效果趨好。在預(yù)裂縫5.72m情況下進(jìn)行微差爆破試驗(yàn)，隨著微差間隔時(shí)間的增加觀察點(diǎn)的振動(dòng)峰值減小，但減小的幅度逐漸趨緩。與25ms微差爆破相比較，在35ms微差爆破時(shí)觀察點(diǎn)振動(dòng)峰值由167.6cm/s下降至118.1cm/s，振動(dòng)峰值下降幅度達(dá)29.5%；但隨著微差時(shí)間間隔的進(jìn)一步增加至50ms，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值（108.4cm/s）下降不明顯。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　本文結(jié)合某小型露天礦山工程實(shí)際，對(duì)中深孔爆破邊坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，同時(shí)引入微差爆破和預(yù)裂爆破降振技術(shù)，對(duì)中深孔爆破邊坡穩(wěn)定性影響機(jī)理進(jìn)行了探討，得出以下結(jié)論：

　　1）預(yù)裂縫對(duì)礦山邊坡巖體受爆破動(dòng)載荷影響具有明顯減弱作用，而且伴隨著預(yù)裂縫長(zhǎng)度增加爆破震動(dòng)減弱效果遞增。依據(jù)本文結(jié)合的工程實(shí)際，由于邊坡主要為穩(wěn)固巖體（矽卡巖），當(dāng)預(yù)裂縫長(zhǎng)度達(dá)到5.72m（等于爆破落礦寬度）時(shí)基本滿足巖體的力學(xué)強(qiáng)度要求。

　　2）在進(jìn)行預(yù)裂爆破時(shí)，爆破震動(dòng)的主頻率下降，其衰減周期也相應(yīng)增長(zhǎng)，進(jìn)而需要更大的微差時(shí)間避免爆破震動(dòng)主相疊加效應(yīng)，但伴隨著微差間隔時(shí)間逐步增加，邊坡巖體的降振效果趨于不明顯。通過本文論證該保證工程邊坡穩(wěn)定性選用微差間隔時(shí)間為35ms即可。

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