大孤山露天矿边坡爆破动力响应与稳定性研究

宫长亮，杨继海，孙哲申，王 雄，申作栋

（1.鞍钢集团矿业有限公司 大孤山分公司，辽宁 鞍山 114046；
2.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

随着我国现代化事业的不断发展，生产建设所需的矿产资源日益增加，许多矿山开始对深部的矿体进行开采，从而转入深凹露天开采的阶段，在这个过程中诸多高陡岩质边坡随之出现[1-3]。国内的一些年代较久的矿如大冶铁矿、大孤山露天铁矿、南芬露天铁矿等，都已经进入了该阶段，形成大量不稳定的高陡边坡。这些高陡边坡在施工过程中岩体因爆破开挖作用，其强度被极大弱化[4]。同时，由于国内外的一些大型露天矿为了达到一定的经济效益，普遍采用大角度、高台阶开挖法，导致生成大量的高陡边坡，随着台阶的加宽和坡度的不断加大及高度的增加，边坡坡体本身的稳定性就会急转直下，当这些高陡岩质边坡在受到爆破或者地震作用后，能会发生滑坡或者泥石流等灾害，从而造成巨大的损失[5-10]。

目前已有大量的学者对爆破荷载作用下岩质边坡的稳定性和动力响应规律展开了研究。宋光明等[11]通过现场爆破振动监测试验得到了露天矿边坡爆破振动速度的衰减规律，并且提出了用垂直方向的质点振速来作为评价爆破振动强度的标准；
陈明等[12]通过数值模拟以及实际案例分析，发现岩质边坡振速的高程放大效应是在一定条件下产生的，只有当坡形发生突变，台阶岩体的振动产生“鞭梢效应”时才会出现该现象，当边坡坡形无较大变化时，监测点的振速随着高程的增大而减小，出现了相应的衰减规律；
宋光仁[13]以弓长岭露天矿高陡边坡为研究背景，通过FLAC3D模拟水平向、竖直向振动波以及两者耦合作用下边坡的加速度动力响应规律，并考虑波型、振幅、持时、频率等因素对岩质边坡动力响应规律的影响；
周子涵等[14]基于二维斜坡平面滑动失稳力学模型，引入爆破荷载因素，建立了露天爆破荷载作用下岩质边坡失稳的尖点突变理论模型，探讨了爆破荷载幅值和爆破荷载频率对边坡稳定性的影响规律，导出了边坡的动态自稳临界高度，并提出了失稳的判据条件。

为此，以大孤山铁矿边坡为背景，利用FLAC3D研究了爆破荷载扰动下边坡的破坏动力响应规律（速度、加速度和位移），并且分析了多次爆破扰动作用下的塑性区、位移演化规律及安全系数的变化。

大孤山铁矿所在的鞍钢矿业公司是鞍钢集团旗下的主要子公司，同时也是鞍钢集团的主要矿石原料生产基地。大孤山露天铁矿随着开采深度的逐渐增加，形成了具有高陡岩质边坡的深凹露天矿；
与此同时，采矿作业的难度和边坡的破坏几率越来越大，边坡的爆破开采过程中的稳定性现已成为该露天矿持续开采过程中需要关注的重点问题。

研究区域位于大孤山铁矿西北帮边坡，岩性主要为铁矿石和边坡混合岩。模型整体高300 m，底部宽度425 m，坡顶宽度160 m，其中边坡整体高215 m，边坡整体坡度52°，模型中部某台阶的坡度为72°，且单个台阶最大坡度达到了75°，台阶的高度为8～12 m，宽度5～8 m，每隔2 个5 m 的台阶设置较宽的8 m 台阶。为了较为准确且全面地研究大孤山露天矿岩质边坡的动力响应规律，分别在坡体内部和边坡表面设置一系列监测点，以此来研究边坡内外不同的动力响应规律，地质剖面简图及具体的监测点位置如图1。

图1 边坡模型剖面简图及边坡监测点位置图

根据现场工程地质资料可知，大孤山露天矿边坡的岩性比较复杂，由多种岩性组成，但主要是混合花岗岩，鉴于数值模拟的计算量以及实际情况，在模拟时将模型设置为单一岩性，主要岩体力学参数为：①岩性：混合岩；
②岩石密度：2 800 kg/m3；
③弹性模量：14.25 GPa；
④泊松比：0.25；
⑤内摩擦角：37.2°；
⑥抗压强度：13.71 MPa；
⑦抗拉强度：0.45 MPa；
⑧黏聚力：5.1 MPa。

建立的数值模型只采用自由场边界条件，选择瑞利阻尼进行动力分析，最小临界阻尼比为4.2 %，最小中心频率为2.395 Hz。本构模型选择Mohr-Columb模型。

大孤山露天矿存在常年爆破的情况，研究的爆破区域位于坡脚水平距离不远处，现场监测的爆破波既不是单纯的横波也不是单纯的纵波，而是面波和体波耦合的一种混合波。鉴于爆破波施加的位置以及考虑到模拟的效果，本次模拟选取所监测的1组x 方向的波形图，并对该波形的振幅进行了适当调整，进而通过FLAC3D内置的Wizard 模块进行滤波处理和基线校正。处理后的波形如图2。

图2 处理后的爆破振动波

2.1 速度响应规律。

速度响应规律作为工程爆破中评判振动危害效应的1 个重要指标，一直是国内外诸多学者研究的对象，同时质点峰值速度可以作为振动波所携带瞬时能量大小的表征参量。因此从爆破振动波峰值的大小来讨论边坡监测点速度响应规律。根据坡面和坡内监测点的速度时程曲线模拟结果，利用origin软件分析坡面坡内各监测点的峰值速度。测点振速衰减规律曲线如图3。

由图3 可知：①坡面和坡内的监测点爆破振速峰值都一个共同特点，即振速峰值整体上是随着爆破距离的增大而不断减小，符合爆破衰减的基本规律；
②坡面上监测点z 向振速基本大于x 向振速；
③坡面监测点在一定范围内出现了高程放大效应，坡面的第5 个监测点的x 向、z 向振速并没有像其他测点一样随距离衰减，而是均出现了增大的现象，也就是所说的局部高程放大效应，随后的测点振速衰减恢复正常，这是因为5 号监测点处于台阶的边缘位置，该处坡形骤变，由于振动的“鞭梢效应”，故而出现局部的高程放大效应；
④坡面监测点的振速矢量和大于坡内监测点的振速矢量和，这是由于在相同爆距的情况下，边坡表面监测点多了一个自由面，所受约束较少，能量衰减的较慢，故而振速较大。

图3 测点振速衰减规律曲线

2.2 加速度响应规律

加速度响应规律是评价边坡动力响应的重要方式之一，为此对边坡各监测点的加速度情况展开分析。根据坡面和坡内监测点的加速度时程曲线模拟结果，利用origin 软件分析坡面坡内各监测点的峰值加速度。测点加速度衰减规律曲线如图4。

由图4 可知：①坡面和坡内的监测点，其加速度峰值大体上是随着爆距的增大而逐渐减小，坡面监测点虽然没有出现明显的高程放大效应，但也出现了加速度衰减变缓的现象；
②坡脚处的加速度峰值最大，说明坡脚处对于爆破波的响应最为敏感，而且随着监测点高度（对于坡面监测点）的增加，这种响应就越迟钝；
③坡内和坡面监测点的加速度峰值在80 m 以内衰减地较为明显，80 m 以后其加速度峰值趋近于0，变化率则不明显，这由于爆破距离较大，边坡较远处的监测点受到的爆破振动的影响很小。

图4 测点加速度衰减规律曲线

2.3 位移响应规律

位移响应是边坡动力响应规律的一个重要表现形式，也是研究边坡稳定性的重要依据之一。根据坡面和坡内监测点的位移时程曲线模拟结果，利用origin 软件分析坡面坡内各监测点的峰值位移。测点峰值位移衰减规律曲线如图5。

由图5 可知：①坡面监测点最大x 向位移6.35 mm，最大z 向位移11.7 mm，发生在边坡坡脚处，且坡面各监测点的位移时程曲线逐渐发生了收敛，所以边坡处于稳定状态，无局部破坏现象；
②无论是坡面还是坡内，监测点的最大位移基本上随爆距的增大而逐渐减小，但坡面监测点局部发生放大效应，这与振速的高程放大效应有关联，即在爆破振速较高的地方其位移变化值也较大，所以要注意边坡台阶的合理设置；
③在相同爆距的情况下，坡面监测点的最大位移值大于坡内监测点的最大位移值，这说明临空面所受约束较小，爆破能量较之于内部的大，故而爆破对坡面监测点位移值的影响较大。

图5 测点峰值位移衰减规律曲线

2.4 塑性区和位移演化特征

通过FLAC3D中内置的Fish 语言循环语句，对边坡模型和爆破荷载进行多次累计爆破的模拟，初步拟定4 组爆破且每组循环10 次，分别分析爆破10、20、30、40 次后边坡的塑性区和位移演化规律。多次爆破后边坡塑性区演化如图6，多次爆破后边坡位移演化如图7。

图6 多次爆破后边坡塑性区演化

图7 多次爆破后边坡位移演化

由图6 可以看出：随着爆破次数的增加，边坡的塑性区逐渐增大，并有逐步发生贯通的趋势；
其中图6（a）是爆破10 次后边坡的塑性区图，可以看出在爆源位置和边坡坡脚处有小面积的塑性区；
图6（b）是爆破20 次后边坡的塑性区图，可以看出边坡的塑性区从坡脚处继续向上发展；
图6（c）是爆破30 次后边坡的塑性区图，塑性区面积继续增大，进一步向上发展；
图6（d）是爆破40 次后边坡的塑性区图，此时边坡塑性区发生贯通，说明边坡处于失稳破坏状态。

如图7，模拟时在边坡中部的某一台阶上设置监测点，坐标为（243，3，194），从模拟结果可知：该监测点经过4 组爆破后，总位移量分别是19、55、110、225 mm，且增速越来越快，这说明随着爆破次数的增加岩体边坡的损伤程度也随之加深。总之，通过上述总位移云图可以看出，边坡位移分布变化呈现如下特点：随着爆破次数的增加，位移变化区域越来越大，当爆破40 次之后边坡整体处于失稳状态。

2.5 边坡稳定性规律

利用FLAC3D中的强度折减法对边坡在爆破后的安全系数进行了计算求解，边坡安全系数变化如图8。

由图8 可以知：第10 次爆破后边坡安全系数降低2.86%，第20 次爆破后边坡安全系数降低7.56%，第30 次爆破后边坡安全系数降低18.64%，第40 次爆破后边坡安全系数降低39.11%；
每次爆破振动的直接作用会使边坡安全系数降低，并且随边坡强度的折减，呈增大趋势；
边坡动力安全系数的降低是由于爆破振动和前几次爆破振动产生的岩石损伤所造成的，这说明对边坡连续爆破会大大增加岩体损伤程度，严重影响边破稳定性。

图8 边坡安全系数变化

1）坡面和坡内监测点的速度、加速度、位移峰值大致上都随着爆距的增大而逐渐减小。在相同爆距的情况下，坡面监测点的爆破振速和爆破位移要大于坡内监测点，说明边坡表面更容易发生失稳破坏。

2）经过多次爆破后其塑性区面积逐渐扩大，位移变化量逐渐增大，当第40 次爆破完之后，边坡的塑性区发生贯通。

3）随着爆破次数的增加，边坡安全系数逐渐减小，并最终发生失稳破坏。同时在爆破的过程中边坡安全系数变化率逐渐变大，这表明随着爆破次数的增加，岩石的力学性能会发生改变，连续爆破会大大增加岩体损伤程度，严重影响边破稳定性。

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