考虑损伤累积效应的矿山边坡稳定性分析及加固方案研究.pdf

Series No.568October 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第568 期2023 年第 10 期收稿日期 2022-06-17基金项目 河南省科技攻关计划项目(编号:192102310520)。作者简介 靳玉娟(1986),女,讲师,硕士。考虑损伤累积效应的矿山边坡稳定性分析及加固方案研究靳玉娟 王嘉琪(黄河水利职业技术学院土木与交通工程学院,河南 开封 475000)摘 要 矿山开采过程中,爆破作为一种极其常用的手段,对周围岩体产生了不可逆转的损伤,一旦超过岩体的损伤极限,将会造成边坡失稳,导致严重的安全生产事故。通过声波测试技术,以声波波速为介质定义了损伤变量,用于描述岩石的损伤程度,对矿山爆破损伤累积效应进行了现场测试,基于现场实测结果建立了考虑累积效应的损伤模型。将该模型进行二次开发,导入 FLAC 数值模拟软件,对持续爆破条件下矿山边坡的稳定性进行了分析,并提出了加固方案。研究表明:随着岩体经历爆破次数增加,内部损伤程度逐渐增加,最终以突变激增的形式达到完全破坏;通过拟合试验过程中损伤变量与爆破次数、爆破装药量的关系,认为损伤变量的增长与爆破次数的指数关系成正比,同时与爆破装药量的 0.5 次方成正比;对频繁爆破条件下的边坡稳定性控制方法进行了分析,所提加固方案有助于控制损伤累积导致的边坡失稳。关键词 边坡稳定性 损伤 爆破 声波 FLAC 中图分类号TD325 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-10-214-07DOI 10.19614/ki.jsks.202310030Study on the Stability Analysis and Reinforcement Scheme of Mine Slope Considering Damage Accumulation EffectJIN Yujuan WANG Jiaqi(School of Civil Engineering and Transportation Engineering,Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475000,China)Abstract In the process of mining,blasting,as a very common means,produces irreversible damage to the surrounding rock mass.Once the damage limit of the rock mass is exceeded,the slope instability will be caused and serious safety accidents will be caused.Through acoustic testing technique,the damage variable is defined with acoustic wave velocity as the medium,which is used to describe the damage degree of rock.The cumulative effect of blasting damage is tested in the field,and a dam-age model considering the cumulative effect is established based on the field measured results.The model is developed and in-troduced into FLAC numerical simulation software,the stability of mine slope under continuous blasting is analyzed,and the re-inforcement scheme is put forward.The results show that:With the increase of blasting times,the internal damage degree of rock mass increases gradually,and finally reaches complete failure in the form of sudden surge;By fitting the relationship between damage variable and blasting times and blasting charge in the test process,it is considered that the growth of damage variable is proportional to the exponential relationship of blasting times,and is proportional to the 0.5 square of blasting charge;The stability control method of slope under frequent blasting is analyzed,and the proposed reinforcement scheme is helpful to control the slope instability caused by damage accumulation.Keywords slope stability,damage,blasting,acoustic testing technique,FLAC 在矿山生产过程中,爆破作为一种常用的技术手段,有效提高了生产效率,但给矿山边坡稳定性带来了一定的隐患1-2。实际上,单次爆破对矿山围岩的损伤效应并不明显,但是在实际开采过程中,随着矿石不断采出,矿山岩体要经历多次爆破冲击,这就导致露天高陡边坡或预留矿柱内部产生的损伤不断累积,一旦累积的损伤超过其损伤极限,边坡将失去原有的稳定性,易造成滑坡,给矿山人员安全和生产作412业造成巨大的影响3-7。因此,在对矿山边坡稳定性分析过程中,考虑损伤累积效应十分必要。为了准确描述岩石的损伤程度,声波检测技术是损伤探测方法中认可度较高且应用最为广泛的手段之一8-9。SAYERS 等10通过探究岩石受力与裂纹发育之间的关系,发现当岩石中存在大量裂纹后,穿过岩石中的弹性波波速将会降低,证明了采用弹性波波速表征损伤特性的合理性。BARTMANN 等11-12利用声波对花岗岩、混凝土材料的损伤进行了探测分析,探究了损伤程度与波速的关系,建立了声波波速与损伤程度的关系。近年来,不少学者基于声波技术进行了岩体损伤试验,以探究损伤累积效应对矿山边坡稳定性的影响。杨小林等13以爆炸应力波为例,利用声波探测技术分析了爆炸对岩石损伤断裂机理,提出了围岩的安全判据。陆菜平等14-15对岩石的破裂过程进行了研究,分析了岩石的内部损伤机理。此外,数值模拟技术同样在损伤累积效应研究中发挥了重要作用。TANG16通过开发用于分析岩体破裂的数值计算软件,模拟了震动对边坡所产生的累积损伤。MA 等17将 Johnson-Holmquist 模型嵌入 LS-DYNA,对裂纹扩展进行了数值模拟试验,并基于试验结果给出了边坡稳定性的爆破控制方法。杨栋等18采用三维有限差分软件 FLAC3D讨论了爆破荷载和地应力动态卸荷复合作用下的围岩损伤分布。综上分析可知,目前关于边坡累积损伤的研究倾向于采用数值模拟或相似材料模拟方法,研究成果与实际存在一定的偏差。本研究通过开展现场爆破试验,基于损伤理论分析与数学计算方法,建立考虑损伤累积效应的损伤模型,并将其进行二次开发,嵌入至 FLAC3D数值模拟软件中进行数值分析,为频繁爆破作业条件下边坡累积损伤研究及长期稳定控制提供参考。1 现场试验及分析1.1 岩体损伤效应测试方法爆破作业对岩体的损伤主要分为两类:直接破碎,当岩体距离装药空腔较近时,岩体将直接发生破碎;损伤区,当距离爆破点位置较远时,岩体虽然不会产生宏观的破碎现象,但爆破地震波会促使岩体内部节理、裂隙尖端应力集中,放大了地震波对岩体的损伤。尽管单次爆破对岩体的损伤效果不明显,但矿山长期开采中,持续的爆破作业必然使得裂隙尖端的裂纹不断扩展,导致岩体不断劣化,一旦损伤超过极限后,将发生动力灾害。上述缓慢的损伤过程称为“累积损伤效应”。随着矿产资源开采强度持续提升,爆破次数不断增加,导致边坡岩体中的节理不断扩张贯通,工程岩体的完整性不断产生劣化,大量试验结果表明,随着劣化程度增加,岩体内声波波速也不断下降。因此,本研究通过测量岩体爆破前后的波速变化,分析岩体的损伤程度。1.2 现场试验本研究试验区位于某露天矿南部矿区 325 m 平台,区内附近岩体以中砂岩和灰岩为主,岩石中等坚硬,普氏系数为 68,密度约 2 600 kg/m3,矿体普氏系数为 811,密度为 2 550 kg/m3。试验共布置了 5 个声波测试孔,确保 5 个声波测试钻孔轴向保持平行,同时应尽量避免钻孔作业过程对周围岩体的损伤。为了避免表层破碎岩体(3 m 左右的破碎层)对波速的影响,将钻孔深度设计为 10 m。声波钻孔布置及位置关系如图 1 所示。图 1 声波测试钻孔分布Fig.1 Distribution of acoustic testing boreholes本次测试时间持续 1 周,共经历了 8 次爆破。炮孔直径为 220 mm,爆破使用乳化炸药,波速采集器型号为 HS-YS401E,数据采集过程中一个钻孔发射,另外一个钻孔接收,并确保发射器和接收器在同一水平。测量从 9 m 深度开始,每间隔 0.5 m 自下而上进行测量,至 3 m 位置时停止。声波测量对象共计为 8处岩体,第 1 类是以中间钻孔为中心的 1#2#、1#3#、1#4#、1#5#钻孔区域的岩体波速;第 2 类为 2#3#、3#4#、4#5#、5#2#钻孔区域的岩体波速。8 次爆破参数取值见表 1,其中爆破距离是指爆破点与 1#测试孔的距离。512 靳玉娟等:考虑损伤累积效应的矿山边坡稳定性分析及加固方案研究 2023 年第 10 期表 1 爆破参数Table 1 Blasting parameters序号水平/m总装药量/g爆破距离/m单段最大装药量/g13074 79915354623254 80740289233793 8396680543614 81452092253254 79843271063254 23218927573614 61022584583073 8202049041.3 试验结果分析1.3.1 初始波速在第 1 次爆破测量前,首先应对初始状态下的岩体波速进行测量,将初始波速作为后期岩体损伤分析的重要参考值。为了直观反映岩体波速情况,绘制了初始波速图,如图 2 所示。在实际测量中,1#4#孔之间岩体在 7.58.5 m深度内没有波速值,4#5#孔之间岩体在 5.06.5 m位置同样没有波速值,这是由于岩体在打孔过程中或在打孔之前就已经存在宏观节理,无法与其他完整岩体一样存在一个合理范围的波速值。由图 2 可知:各图 2 爆破前各测量孔之间不同深度的波速Fig.2 Wave velocity of different depths between measuring holes before blasting位置的波速值存在差异,从一定程度上证明了岩体的各向异性特征。612总第 568 期 金 属 矿 山 2023 年第 10 期1.3.2 损伤累积分析以弹性模量为基础建立损伤变量关系式,则损伤变量与波速之间的关系可表示为D=1-E/E0=1-(V/V0)2,(1)式中,E0为初始状态下的弹性模量,GPa;E 为爆破后的弹性模量,GPa;V 为爆破前波速,m/s;V0为爆破后波速,m/s。每进行一次爆破后,对爆破孔之间的波速进行测量,将测量结果代入式(1)中,计算得到爆破后岩体的损伤变量,如图 3 所示。图 3 不同深度下岩体损伤变量随爆破次数的关系Fig.3 Relationship between damage variable of rock mass and blasting times under different depths 由图 3 可知:岩体的损伤变量随着爆破次数增长逐渐增大,经历第 1 次爆破后损伤变量出现了明显增长,随后,随着爆破次数增加,损伤变量逐渐增大。在经历几次爆破后,岩体存在一个明显的激增过程,在最后几次爆破过程中,损伤变量突然增大,直至完全破坏。由此可见,一旦岩体中裂纹形成后,无法自行恢复,岩体的损伤变量结果反映出了这一特性,损伤变量随着爆破次数增加均呈现增长趋势,没有出现明显的下降趋势,说明岩体的损伤过程是一个不可逆的过程。2 损伤模型构建本研究构建损伤变量模型,进一步分析爆破作业对岩体损伤变量的影响。从上述试验结果可知:损伤变量增长较为明显的爆破作业集中在第 6 次和第 7次。这两次爆破作业特征为:与其他爆破次数相比装药量较大;爆破位置距离测量点较近;爆破次数较大,岩体已累积了一定的损伤。本研究基于上述分析,提出如下假设:(1)单次爆破损伤变量的增长与装药量呈正相关,同时采用 1 次方关系、2 次方关系和 0.5 次方关系进行拟合。(2)单次爆破损伤变量的增长与爆破距离呈负相关关系,即爆破距离越小,爆破导致的损伤越大。采用负 1 次方的关系进行拟合。(3)爆破次数与损伤变量增长呈正相关,即经历爆破的次数越大,岩体在完全损伤前,越容易产生损伤,采用线性关系和指数关系进行拟合。根据上述假设,损伤变量增量的表达式为D=k1nQL,(2)式中,D为损伤变量增量;Q 为装药量,kg;L 为爆破距离,m;n 为爆破次数;k1为比例系数。本研究将该模型记为 E1模型。根据不同装药量模型假设,损伤变量增量与装药量呈 0.5 次方关系和 2 次方关系下的损伤变量增量表达式分别记为 E2、E3模型。表达式分别为D=k2n QL,(3)D=k3nQ2L,(4)式中,k2、k3为比例系数。同时考虑爆破次数对损伤变量的指数模型,相应地,E4、E5、E6模型分别为D=k4e1 nQL,(5)712 靳玉娟等:考虑损伤累积效应的矿山边坡稳定性分析及加固方案研究 2023 年第 10 期D=k5e2 nQ2L,(6)D=k6e3 n QL,(7)式中,k4、k5、k6为比例系数。基于 1#5#孔之间岩体损伤变量测量结果,利用上述模型进行拟合,结果如图 4 所示,图中横坐标为损伤变量的试验测量结果,纵坐标为损伤变量的模型计算结果,直线表示 x=y。若模型计算结果越精确,数据点越接近该直线;若模型计算结果等于实测结果,则数据点落在直线上。图 4 不同模型准确性对比Fig.4 Accuracy comparison of different models 由图 4 可知:E3、E6模型的拟合结果存在明显偏差,说明该模型难以描述损伤累积效应,其他 4 组模型数据靠近标准线 x=y,说明上述模型能够相对准确地描述损伤的累积效应。为了进一步确定精度最高的模型,通过对上述 4 组模型计算偏差取平方和,最终确定 E5模型为最优模型,其次为 E1模型。再次利用 E5、E1模型对所有测量得到的其他数据点进行数值计算,计算结果如图 5 所示。由图 5 可知:由于岩体本身的随机性较强,E5、E1模型在预测损伤变量过程中不可避免地存在一定量的偏差。综合分析可知:E5模型的计算偏差小于 E1模型,说明该模型的计算精度优于 E1模型。图 5 E1和 E5模型计算结果对比Fig.5 Comparison of calculation results of E1 and E5 model 最终确定的损伤变量增长拟合模型为D=0.046e0.25nQL.(8)3 稳定性数值分析将模型进行二次开发,并嵌入 FLAC 软件中,进行数值模拟分析,以探究现场边坡稳定性特征并提出边坡加固方案。3.1 数值模拟试验3.1.1 网格模型构建根据现场边坡剖面尺寸建立网格模型(图 6),模型长为 78 m,高为 70 m。边坡岩性以石灰石矿石为主,围岩以中砂岩和灰岩为主。数值模拟中,各岩层均采用 Mohr-Coulomb 屈服准则,岩石参数取值见表2,共建立了 14 120 个网格、14 194 个节点。模型边界条件为两侧固定水平位移,底部固定水平、垂直位移,顶部无约束。图 6 数值模型网格划分与边界条件Fig.6 Mesh generation and boundary conditions of numerical model表 2 岩石力学参数Table 2 Rock mechanics parameters类型密度/(kg/m3)弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa摩擦角/()石灰石2 5501.30.260.8932砂岩2 6003.20.271.4643灰岩2 6002.80.261.05383.1.2 爆破加载条件施加在爆破位置的应力波函数采用文献19提出的应力波模型,该应力波动态加载曲线被广泛应用于爆破数值模拟研究,其时间历程函数为Pt=4Pk e-t/2-e-2 t(),(9)式中,为阻尼系数;t 为爆炸动力加载时间,us;Pk为炮孔孔壁应力,MPa。该指标可进行如下计算19Pk=eve8dedh()3,(10)式中,e为炸药密度,kg/m3;ve为炸药爆炸时的爆轰速度,m/s;de为装药药卷直径,cm;dh为炮孔壁直径,cm。3.2 损伤累积效应模拟结果在加固情况下,模拟表 1 中的 8 次爆破过程,爆破后的边坡损伤变量云图如图 7 所示。由图 7 可知:随着爆破次数增加,岩体的损伤程度不断累积,在局812总第 568 期 金 属 矿 山 2023 年第 10 期部位置突发完全损伤现象,与现场实测规律一致。证明了本研究提出的损伤模型在描述现场岩体累积损伤特性方面具有一定的可靠性。考虑到现场岩体中岩石节理裂隙分布的复杂性与现场测量的风险程度,对于整个岩体损伤的量化有待于进一步研究。3.3 加固方案稳定性分析3.3.1 现场加固方案根据上述分析成果,本研究在边坡垂直方向布置图 7 损伤变量云图与爆破次数的关系Fig.7 Relationship between damage variable and blasting times4 排预应力锚杆,自上而下长度分别为 18、16、14、12 m,锚杆间隔为 3 m,其中锚固段长 4.5 m,锚杆水平方向间距为 4 m,孔径为 100 mm,倾角为 20。考虑到岩体中裂纹有一定的发育情况,采用水泥砂浆进行注浆,压力不小于 0.4 MPa,锚杆的预应力不小于 120 kN。3.3.2 数值模拟结果在有无加固两种情况下,经过 8 次爆破后边坡的塑性区云图如图 8 所示。由图 8 可知:在无加固条件下,在经历 8 次爆破后,边坡塑性区从坡底线位置向上延伸,最终与上一水平的坡底线位置相互连通;在有加固情况下,塑性区主要集中在各水平的坡底线附近,塑性区并未发生相互贯通现象,呈现零星散落分布,且塑性区面积小于无加固情况。数值模拟结果表明:现场采用加固方案有效减小了岩体塑性破坏区域,证明了加固方案能够有效控制边坡失稳。4 结 论本研究利用声波测试技术对矿山爆破损伤累积效应进行了现场测试,建立了考虑爆破条件下的岩体图 8 塑性区分布Fig.8 Distribution of plastic zone损伤模型,并将其嵌入 FLAC 数值模拟软件,对边坡912 靳玉娟等:考虑损伤累积效应的矿山边坡稳定性分析及加固方案研究 2023 年第 10 期稳定性控制方法进行了分析。所得结论如下:(1)随着岩体经历爆破次数增加,内部损伤程度逐渐增加,岩体通常以突变激增的形式达到完全破坏。(2)通过拟合试验过程中损伤变量与爆破次数、爆破装药量的关系,认为损伤变量增量与爆破次数的指数关系成正比,同时与爆破装药量的 0.5 次方成正比关系。(3)结合 FLAC 模拟分析,对比现场边坡无加固与有加固工况,发现通过边坡加固加固后能够有效控制损伤累积导致的边坡失稳。参 考 文 献1 戴俊.深埋岩石隧洞的周边控制爆破方法与参数确定J.爆炸与冲击,2004,24(6):493-498.DAI Jun.The controlled contour blasting technique and its parameter determination for rock tunnel at depthJ.Explosion and ShockWav-es,2004,24(6):493-498.2 冷振东,高启栋,卢文波,等.岩石钻孔爆破能量调控理论与应用技术研究进展J.金属矿山,2023(5):64-76.LENG Zhendong,GAO Qidong,LU Wenbo,et al.Research 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