论文部分内容阅读
[摘 要]露天矿时常用爆破的方式来破岩开采，而爆破过程中引起的震动传到露天矿的高陡边坡上，影响边坡的稳定性，而且露天矿的高陡边坡失稳滑坡成为露天矿生产的重大安全隐患。本文主要分析爆破震动对边坡稳定性的影响意义及破坏形式，从而得出爆破震动对边坡稳定性的影响因素。
[关键词]爆破震动；动载荷；稳定性；影响因素
中图分类号：TD824.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0121-01
1.前言
爆破作为露天矿生产的重要环节，对采矿工程活动起着至关重要的作用。爆破可以松散硬度较大的铁矿石，提高采掘作业的铲装效率，同时，爆破产生的冲击波在矿石与岩层中传递，以爆破震动的形式作用在露天采场的其他矿脉与围岩中，引起岩体的应力结构发生改变，从而造成结构面的损坏，使岩体的抗剪强度降低，形成滑坡。
2.爆破震动对边坡稳定性的影响意义
爆破时，炮孔周围矿体在爆破瞬间受到的压力可达到5×103～5×104 MPa，远远超过岩石的抗压强度，岩体在受到挤压破碎，而后残余的大量能力以地震波的形式向岩体外围传播，并通过对岩体施加动载荷引起岩体横向和纵向震动。露天矿采矿工程活动是时间与空间交互的过程，边坡岩体随着采剥工程的进行逐渐形成。从边坡岩体遭到开挖，其内部的原始地应力遭到破坏，随着采矿活动的逐渐进行，边坡岩体的地应力，重力及外部载荷作用下，通过应力重新分布向临空面进行应力释放，在此过程中结构面逐渐形成一个相对稳定的状态。随着爆破动载荷的影响，存在于边坡岩体内部的结构面受到附加应力作用，使结构面裂隙扩张，结构面剪切强度大大降低。当边坡岩体到爆破点的距离较近时，爆破产生的应力甚至会使边坡沿着软弱结构面产生直接滑动，严重影响边坡工程稳定性。因此分析爆破震动对边坡稳定性的影响因素，对保证边坡稳定性存在重要意义。
3.爆破震动的传播和主要破坏形式
爆破所产生的地震波与天然地震产生的地震波有较多相似之处，总体上按照其传播的位置不同分为面波和体波。破坏形式上，爆破引起的破坏与天然地震破坏在震源处有很大的不同，但在距离震源较远的地方对岩石边坡的破坏，两者基本是一样的。
3.1 爆破地震波的种类及传播方式
爆破地震波总体上分为面波和体波，面波可分为LR波和LQ波，体波也可分为P波和S波。面波是在体波已经与界面相互作用后才开始传播的，而体波传播借助震动物体内部介质。在爆破发生时，这四种波同时产生，但由于其在介质中的传播方式和速度的不同，各波到达作用点的先后顺序就不同，到达作用点的先后顺序为：P波，S波，LQ波，LR波。
P波：即纵波，也称之为拉压波，它传播的速度是最大的，因此最先达到作用点，由此也叫做初至波。纵波传播的特点是：波的传播方向和介质质点的振动方向是相同的，为径向、球形发射状传播，使得介质膨胀和压缩，产生体积变形。
S波：即横波，也称之为剪切波，它的传播速度仅此于P波，在P波到达之后达到作用点，因此也叫做次波。横波传播的特点是：波传播的方向和介质振动的方向相互垂直，产生剪切变形。
LQ波：也称之为勒夫波，这种波与横波相似，波传播的方向与作用点振动的方向相互垂直，但无垂直位移。
LR波：也称之为瑞利波，在这种波作用下的质点，在它运行的通道中沿着椭圆轨迹按推—向上—拉—向下方向运动。
另外还有两种面波：祸合波和流体动力波。这两种波是在较为特殊的介质中发生的，而之前的四种波是较为普遍，也是爆破震动破坏的主要作用波形。
3.2 爆破对周边岩石的破坏形式
研究爆破对岩石的破坏形式，爆破过程中周边岩石的反应，从而确定边坡在爆破影响的哪个区域，根据不同反应区的不同计算模型进行计算，简化计算，直接分析所要研究的边坡区域的爆破振动。
露天矿的爆破主要是以炸药爆破为主，炸药爆破对于周边岩石的破坏主要有：紧挨炮孔的岩石，它是受到炸药爆破时瞬间产生的气体快速膨胀，形成了气体压力，将岩石压碎；这些快速形成的高压气体在炮孔周围会产生压力冲击波，传播过程中形成应力波。
在研究岩石爆破破坏时，首先要做一个假设，假设爆破在半无均匀岩体中，炮孔中心与自由面（岩体表面）的距离w称为抵抗线，当炸药起爆时，爆炸形成的巨大的气体压缩波和冲击波，从炮孔中心向四周传播，在炮孔壁上形成初始冲击波，该冲击波携带着巨大的能量，作用在炮孔壁附近的岩体上，岩体受到巨大的压缩应力而破坏，形成粉碎区，以炮孔中心为圆心形成一个扩大的炮孔。爆破后，冲击波在岩体中逐渐传播开来，其作用强度逐渐减弱，变成压缩波，即之前在介绍爆破地震波种类中的P波。
4.爆破震动对边坡稳定性影响因素
爆破震动效应对露天边坡稳定性影响的因素主要由爆破震动的频率、振幅、持续时间以及结构本身的强度特性决定，且随着爆破震动强度的增大，造成边坡中结构动力响应特征的大幅度改变，对边坡稳定性程度影响也越大。
从研究边坡稳定性角度看，确定爆破震动效应的因素并了解影响其频率、振幅及持续时间的主要安全判据，控制露天矿爆破震动效应对边坡稳定性的影响。结合国内外对爆破震动的研究，归纳影响爆破震动效应的因素包括：
（1） 爆破震动速度、频率和作用时间。爆破震动强度与质点震动速度大小具有明显的相关性，且震动速度与岩土性质关系较为稳定，而与质点的震动位移及加速度之间关系不大。
爆破震动冲击波在岩体中传播时，结构体对于介质中传递来的震动波具有选择放大作用。这种作用主要体现在结构体对于震动波中与其本身固有频率相近的波放大最多，引起震动最为强烈，对岩体破坏作用最明显。
作用时间对爆破震动效应的影响主要体现在其对岩体造成损坏具有累积效应。当爆破震动振幅、频率一致时，结构应力相应最大值基本相同，但随着作用时间增长，岩体结构产生的塑性变形逐渐增大，对岩体产生逐渐破坏作用。
（2）炮孔装药量与爆心距离。根据萨道夫斯基公式，炮孔装药量与爆破震动效应有明显的正比关系，炮孔装药量越大，质点震动峰值速度越大，与爆心距离成反比關系，距离爆心越近，爆破引起震动效应越明显。
萨道夫斯基公式 V=K（）α
式中：V为质点峰值速度，cm/s；Q为炮孔装药量，kg；R为检测点与震源间距离，m；K为系数，与岩石特性有关；α为波震衰减系数。
（3） 传播介质。根据结构动力学理论，当爆破震动通过不同传播介质时，由于传播介质原有的结构特性不同将会导致其动态响应在响应持续时间、频率、响应衰减等特性方面发生较大差异。露天采矿过程中，实施爆破和爆破震动传输多在岩体或土体等无限介质中，其岩石特性主要体现在岩石力学性能，如抗剪强度、弹性模量等。
（4） 起爆条件。爆破设计方案中的起爆顺序、空网参数、微差爆破间隔时间等。根据经验，采用微差爆破相比于齐发爆破来说，产生爆破震动幅度小，频率高，作用周边岩体时间短，可减少爆破震动对边坡破坏程度。
5.结论
（1）露天矿爆破过程中对边坡稳定性影响显著，通过对岩体结构力的破坏，从而使边坡的稳定性发生改变。
（2）影响边坡稳定性的因素包括爆破震动的速度、频率、作用时间三要素，炮孔装药量，传播介质与起爆条件。
参考文献
[1] 夏祥，李海波.岩体力学.
[2] 包辉.工程爆破.
[3] 郑峰，段卫东.爆破震动现状及问题探究.
[关键词]爆破震动；动载荷；稳定性；影响因素
中图分类号：TD824.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0121-01
1.前言
爆破作为露天矿生产的重要环节，对采矿工程活动起着至关重要的作用。爆破可以松散硬度较大的铁矿石，提高采掘作业的铲装效率，同时，爆破产生的冲击波在矿石与岩层中传递，以爆破震动的形式作用在露天采场的其他矿脉与围岩中，引起岩体的应力结构发生改变，从而造成结构面的损坏，使岩体的抗剪强度降低，形成滑坡。
2.爆破震动对边坡稳定性的影响意义
爆破时，炮孔周围矿体在爆破瞬间受到的压力可达到5×103～5×104 MPa，远远超过岩石的抗压强度，岩体在受到挤压破碎，而后残余的大量能力以地震波的形式向岩体外围传播，并通过对岩体施加动载荷引起岩体横向和纵向震动。露天矿采矿工程活动是时间与空间交互的过程，边坡岩体随着采剥工程的进行逐渐形成。从边坡岩体遭到开挖，其内部的原始地应力遭到破坏，随着采矿活动的逐渐进行，边坡岩体的地应力，重力及外部载荷作用下，通过应力重新分布向临空面进行应力释放，在此过程中结构面逐渐形成一个相对稳定的状态。随着爆破动载荷的影响，存在于边坡岩体内部的结构面受到附加应力作用，使结构面裂隙扩张，结构面剪切强度大大降低。当边坡岩体到爆破点的距离较近时，爆破产生的应力甚至会使边坡沿着软弱结构面产生直接滑动，严重影响边坡工程稳定性。因此分析爆破震动对边坡稳定性的影响因素，对保证边坡稳定性存在重要意义。
3.爆破震动的传播和主要破坏形式
爆破所产生的地震波与天然地震产生的地震波有较多相似之处，总体上按照其传播的位置不同分为面波和体波。破坏形式上，爆破引起的破坏与天然地震破坏在震源处有很大的不同，但在距离震源较远的地方对岩石边坡的破坏，两者基本是一样的。
3.1 爆破地震波的种类及传播方式
爆破地震波总体上分为面波和体波，面波可分为LR波和LQ波，体波也可分为P波和S波。面波是在体波已经与界面相互作用后才开始传播的，而体波传播借助震动物体内部介质。在爆破发生时，这四种波同时产生，但由于其在介质中的传播方式和速度的不同，各波到达作用点的先后顺序就不同，到达作用点的先后顺序为：P波，S波，LQ波，LR波。
P波：即纵波，也称之为拉压波，它传播的速度是最大的，因此最先达到作用点，由此也叫做初至波。纵波传播的特点是：波的传播方向和介质质点的振动方向是相同的，为径向、球形发射状传播，使得介质膨胀和压缩，产生体积变形。
S波：即横波，也称之为剪切波，它的传播速度仅此于P波，在P波到达之后达到作用点，因此也叫做次波。横波传播的特点是：波传播的方向和介质振动的方向相互垂直，产生剪切变形。
LQ波：也称之为勒夫波，这种波与横波相似，波传播的方向与作用点振动的方向相互垂直，但无垂直位移。
LR波：也称之为瑞利波，在这种波作用下的质点，在它运行的通道中沿着椭圆轨迹按推—向上—拉—向下方向运动。
另外还有两种面波：祸合波和流体动力波。这两种波是在较为特殊的介质中发生的，而之前的四种波是较为普遍，也是爆破震动破坏的主要作用波形。
3.2 爆破对周边岩石的破坏形式
研究爆破对岩石的破坏形式，爆破过程中周边岩石的反应，从而确定边坡在爆破影响的哪个区域，根据不同反应区的不同计算模型进行计算，简化计算，直接分析所要研究的边坡区域的爆破振动。
露天矿的爆破主要是以炸药爆破为主，炸药爆破对于周边岩石的破坏主要有：紧挨炮孔的岩石，它是受到炸药爆破时瞬间产生的气体快速膨胀，形成了气体压力，将岩石压碎；这些快速形成的高压气体在炮孔周围会产生压力冲击波，传播过程中形成应力波。
在研究岩石爆破破坏时，首先要做一个假设，假设爆破在半无均匀岩体中，炮孔中心与自由面（岩体表面）的距离w称为抵抗线，当炸药起爆时，爆炸形成的巨大的气体压缩波和冲击波，从炮孔中心向四周传播，在炮孔壁上形成初始冲击波，该冲击波携带着巨大的能量，作用在炮孔壁附近的岩体上，岩体受到巨大的压缩应力而破坏，形成粉碎区，以炮孔中心为圆心形成一个扩大的炮孔。爆破后，冲击波在岩体中逐渐传播开来，其作用强度逐渐减弱，变成压缩波，即之前在介绍爆破地震波种类中的P波。
4.爆破震动对边坡稳定性影响因素
爆破震动效应对露天边坡稳定性影响的因素主要由爆破震动的频率、振幅、持续时间以及结构本身的强度特性决定，且随着爆破震动强度的增大，造成边坡中结构动力响应特征的大幅度改变，对边坡稳定性程度影响也越大。
从研究边坡稳定性角度看，确定爆破震动效应的因素并了解影响其频率、振幅及持续时间的主要安全判据，控制露天矿爆破震动效应对边坡稳定性的影响。结合国内外对爆破震动的研究，归纳影响爆破震动效应的因素包括：
（1） 爆破震动速度、频率和作用时间。爆破震动强度与质点震动速度大小具有明显的相关性，且震动速度与岩土性质关系较为稳定，而与质点的震动位移及加速度之间关系不大。
爆破震动冲击波在岩体中传播时，结构体对于介质中传递来的震动波具有选择放大作用。这种作用主要体现在结构体对于震动波中与其本身固有频率相近的波放大最多，引起震动最为强烈，对岩体破坏作用最明显。
作用时间对爆破震动效应的影响主要体现在其对岩体造成损坏具有累积效应。当爆破震动振幅、频率一致时，结构应力相应最大值基本相同，但随着作用时间增长，岩体结构产生的塑性变形逐渐增大，对岩体产生逐渐破坏作用。
（2）炮孔装药量与爆心距离。根据萨道夫斯基公式，炮孔装药量与爆破震动效应有明显的正比关系，炮孔装药量越大，质点震动峰值速度越大，与爆心距离成反比關系，距离爆心越近，爆破引起震动效应越明显。
萨道夫斯基公式 V=K（）α
式中：V为质点峰值速度，cm/s；Q为炮孔装药量，kg；R为检测点与震源间距离，m；K为系数，与岩石特性有关；α为波震衰减系数。
（3） 传播介质。根据结构动力学理论，当爆破震动通过不同传播介质时，由于传播介质原有的结构特性不同将会导致其动态响应在响应持续时间、频率、响应衰减等特性方面发生较大差异。露天采矿过程中，实施爆破和爆破震动传输多在岩体或土体等无限介质中，其岩石特性主要体现在岩石力学性能，如抗剪强度、弹性模量等。
（4） 起爆条件。爆破设计方案中的起爆顺序、空网参数、微差爆破间隔时间等。根据经验，采用微差爆破相比于齐发爆破来说，产生爆破震动幅度小，频率高，作用周边岩体时间短，可减少爆破震动对边坡破坏程度。
5.结论
（1）露天矿爆破过程中对边坡稳定性影响显著，通过对岩体结构力的破坏，从而使边坡的稳定性发生改变。
（2）影响边坡稳定性的因素包括爆破震动的速度、频率、作用时间三要素，炮孔装药量，传播介质与起爆条件。
参考文献
[1] 夏祥，李海波.岩体力学.
[2] 包辉.工程爆破.
[3] 郑峰，段卫东.爆破震动现状及问题探究.