爆破誘發周邊岩體損傷破裂及邊坡失穩的機理與評價方法研究

1、所屬領域

爆破工程

2、適用範圍

露天采場

3、基本原理

本項目的力學分析主要藉助中國科學院力學研究所自主研發的連續-非連續數值模擬軟體（CDEM）完成。藉助該軟體獲得了爆區周邊岩體損傷因子的計算公式，建立了起爆順序與爆區周邊岩體破裂程度的對應關係，給出了不同爆破距離、不同岩體結構對邊坡爆破穩定性的影響，建立了邊坡破裂度與邊坡整體穩定性的內在聯繫。

本項目通過鑽孔注水測試、內窺鏡測試等實驗手段，掌握爆破開採對周邊岩體損傷破裂程度的影響規律；利用鑽孔落錘等實驗方法，獲得爆區周邊岩體等效彈性參數的變化範圍；通過含結構面岩體中應力波傳播規律的實驗，獲取應力波通過結構面或爆生破裂面的傳播特性改變；通過地表位移及深部位移的實時監測，掌握爆破開採對周邊岩體變形破壞的影響規律；通過大量的數值分析，給出爆破開採對周邊岩體損傷破裂程度的定量化評價方法。

4、關鍵技術與裝備

提出了利用鑽孔注水實驗測試爆破周邊岩體等效損傷場的方法、利用鑽孔落錘法測試周邊岩體等效力學性質的方法、利用錘擊試驗測試岩體結構面力學性質的方法；對爆破誘發周邊岩體損傷破裂的過程進行了量綱分析，提出了採用損傷因子來刻畫岩體的損傷程度的方法，給出了爆區周邊岩體任意位置損傷因子的計算公式；藉助CDEM軟體，探討了不同起爆順序對露天礦爆破效果及周邊岩體損傷破裂情況的影響規律；在露天礦邊坡處安裝深部位移監測系統及地表位移監測系統，對地表位移和深部位移進行實時監測；利用CDEM數值計算軟體，研究了爆破距離、節理產狀、節理強度等對爆區後方台階邊坡的影響規律；提出了一種基於破裂度的邊坡爆破穩定性評價方法和台階邊坡防護及爆破開採應遵循的基本原則。

5、工藝流程

本項目採用中國科學院力學研究所自主研發的連續-非連續單元數值模擬方法（CDEM）進行力學分析計算，利用CDEM中的朗道模型描述炸藥的起爆及爆生氣體的膨脹過程，利用應變強度分布模型表徵岩體的損傷過程，利用單元內部破裂模型表徵岩體中裂縫的萌生擴展過程，利用半彈簧-接觸邊模型描述破裂岩體的失穩運動過程，並利用基於CUDA的GPU並行技術及基於OpenMP的CPU並行技術對整個數值計算過程進行加速計算。

本項目採用鑽孔注水測試滲流速度的方法來分析不同埋深岩體的等效損傷破裂場。實驗步驟為：1）用牙輪鑽機打若干個直徑250mm的孔，孔深與炮孔深度一致；2）向鑽孔內注滿水，觀察水位隨時間的變化；3）孔內水位基本不變後，起爆爆區，觀察孔內水位隨時間的變化；4）爆後水位基本不變後，向孔內重新注滿水，觀察水位隨時間的變化；5）建立水位變化與岩體損傷破裂的關係。

本項目採用中科院力學所自主研發的拉線式深部位錯測試裝置進行坡體內部滑移錯動的實時監測。拉線的一端固定在測管內壁的特定位置，另一端從測管內部延伸至地表，並繞過角位移感測器與一重物相連。深部測點出現位移時，測管發生傾斜變形，固定在測管內壁的鋼線也發生位移，進而帶動鋼線整體出現運動，運動信息被地表的角位移感測器記錄，從而解析出深部某一點的側斜位移情況。如在測管內每隔一定間距設置上述鋼線，則可和固定式測斜儀一樣，對兩監測點間的相對位移進行捕捉，並可就此判斷出滑面的位置。更為重要的是，當坡體深部出現大位移或者滑面錯動較大距離，甚至測管被錯斷後，拉線式深部位移計仍然可以通過拉線距離的變化準確得出坡體內部各點的側移情況。

6、主要創新點

本項目提出了三種測試露天礦爆區周邊岩體損傷破裂程度的方法，分別為鑽孔注水測試周邊岩體損傷場的方法、鑽孔落錘測試周邊岩體等效破裂場的方法及錘擊實驗測試岩體結構面損傷特性的方法，可以實現爆破損傷場、破裂場的定量化描述，為露天礦邊坡穩定性分析提供了準確的輸入參數，進而實現邊坡防護措施的最優設計；提出了爆區周邊岩體損傷因子的計算公式，可以準確分析爆破對周邊岩體的損傷深度、損傷程度及損傷範圍，基於該公式獲得的露天礦爆區後方岩體損傷因子的空間分布，可為後續的爆破設計提供依據；提出了基於CDEM的邊坡穩定性評價方法，該方法為邊坡爆破穩定性的科學評估提供了依據，使得現場的爆破設計及邊坡防護有理可依、有據可循。

7、主要技術指標及同類技術對比情況

露天爆破開採是鞍千礦的主要開採模式，一般每年進行大爆破380次，每次爆破的藥量約為35噸。爆破開採以其開採速度快、開採成本低等特點被廣泛使用。然而，爆破過程中產生的強烈地衝擊效應將導致周邊岩體出現嚴重的損傷破壞，進而影響邊坡的整體穩定性。目前，國內外的專家學者對爆破引起的岩體損傷破裂及對邊坡穩定性的影響進行了大量的研究。

在爆破引起的岩體損傷破裂方面，大部分的研究關注爆區內岩體的損傷破裂機理及破裂過程，詳細探討了炸藥與岩石的匹配關係，重點研究了炸藥單耗、孔網參數等對岩體破裂塊度的影響規律，並以此來指導爆破設計及生產；然而，爆破開採同樣會引起爆區外部的岩體出現局部損傷破壞，從而誘發滑坡、落石等災害的發生，而關於該區域岩體損傷破壞的機理研究較少。

在爆破引起邊坡失穩破壞方面，大部分的研究以地面測得的振動時程曲線為基礎展開，或是通過數學統計及人工智慧的方法直接建立振動曲線與邊坡爆破穩定性的聯繫，或是將時程曲線輸入數值計算軟體，利用數值分析回答邊坡的爆破穩定性問題。事實上，由於受場地條件及地層特性的影響，地表測得的振動時程曲線與通過岩體內部傳遞至坡體的應力波並不完全等價，因此上述將爆破過程與邊坡失穩過程割裂開來的分析方法，無法準確反映爆破對邊坡的損傷破壞作用。

本項目提出了利用鑽孔注水實驗測試爆破周邊岩體等效損傷場的方法、利用鑽孔落錘法測試周邊岩體等效力學性質的方法、利用錘擊試驗測試岩體結構面力學性質的方法；對爆破誘發周邊岩體損傷破裂的過程進行了量綱分析，提出了採用損傷因子來刻畫岩體的損傷程度的方法，給出了爆區周邊岩體任意位置損傷因子的計算公式；藉助CDEM軟體，探討了不同起爆順序對露天礦爆破效果及周邊岩體損傷破裂情況的影響規律；在露天礦邊坡處安裝深部位移監測系統及地表位移監測系統，對地表位移和深部位移進行實時監測；利用CDEM數值計算軟體，研究了爆破距離、節理產狀、節理強度等對爆區後方台階邊坡的影響規律；提出了一種基於破裂度的邊坡爆破穩定性評價方法和台階邊坡防護及爆破開採應遵循的基本原則。

上述的科研成果提升了露天礦在爆區周邊岩體損傷程度的測試分析、台階邊坡爆破穩定性分析等方面的技術水平，使得露天礦的爆破設計、邊坡設計更加科學化、精細化，實現了預期研究目標，社會效益顯著，項目成果達到國內領先水平。

8、典型實例及成效

本項目提出了三種測試爆區周邊岩體損傷破裂程度的方法，分別為鑽孔注水測試周邊岩體損傷場的方法、鑽孔落錘測試周邊岩體等效破裂場的方法及錘擊實驗測試岩體結構面損傷特性的方法。藉助上述三類測試方法，可以實現爆破損傷場、破裂場的定量化描述，為邊坡穩定性分析提供了準確的輸入參數，進而實現邊坡防護措施的最優設計，升了鞍千礦的核心競爭力，提升了鞍千礦邊坡分析及防護的精度，邊坡清掃、維護及砌築費用年均節省470萬元。

本項目提出了爆區周邊岩體損傷因子的計算公式。利用該公式，鞍千礦的技術人員可以準確分析爆破對周邊岩體的損傷深度、損傷程度及損傷範圍。基於該公式獲得的爆區後方岩體損傷因子的空間分布，可為後續的爆破設計提供依據。後續爆破設計時，可以減少損傷因子大於0.5範圍內的炸藥單耗（如減少臨空面附近炮孔內的裝藥量等），降低爆區大塊率，提高爆破效率，創效1310萬元。

本項目提出了基於CDEM的邊坡穩定性評價方法。利用該方法，鞍千礦的技術人員可以準確獲得不同起爆順序、不同孔網參數、不同裝葯結構對邊坡穩定性的影響，而後獲得邊坡表面、內部的破裂度隨爆破次數的演化規律，進而給出當前狀態下邊坡的穩定狀態及潛在災變模式。該方法為邊坡爆破穩定性的科學評估提供了依據，使得現場的爆破設計及邊坡防護有理可依、有據可循。基於該方法，一方面節省了鞍千礦技術人員進行爆破設計及邊坡防護設計的時間成本；更為重要的，提升了鞍千礦邊坡穩定性分析的整體水平。

9、推廣應用前景

本項目的研究團隊經過一年多的努力，藉助原位測試、室內實驗、現場監測、理論分析、數值模擬等多種手段，給出了露天爆破開採對周邊岩體損傷程度及損傷範圍的計算公式，形成了利用數值模擬及破裂度評價邊坡爆破穩定性及潛在災變模式的方法，提出了以鑽孔注水實驗測試爆區周邊岩體損傷程度為代表的多項實驗技術，提升了鞍千礦在邊坡爆破穩定性分析及爆破參數優化設計方面的整體水平。

本項目的力學分析主要藉助中國科學院力學研究所自主研發的連續-非連續數值模擬軟體（CDEM）完成。CDEM是國際一流的岩體破裂數值模擬軟體，可以準確模擬爆炸載荷下岩體的損傷、破裂及破碎過程，再現台階邊坡在爆炸載荷下的動態響應規律及邊坡內部的損傷演化情況。藉助該軟體，項目組獲得了爆區周邊岩體損傷因子的計算公式，建立了起爆順序與爆區周邊岩體破裂程度的對應關係，給出了不同爆破距離、不同岩體結構對邊坡爆破穩定性的影響，建立了邊坡破裂度與邊坡整體穩定性的內在聯繫。

本項目創新性地提出了鑽孔注水、鑽孔落錘、結構面錘擊等三項測試爆區周邊岩體彈性場及損傷場的方法，上述方法可以為鞍千礦的邊坡爆破穩定性分析提供準確的輸入參數。其中，鑽孔注水實驗通過實測鑽孔內水位下降曲線並結合數值計算反演的方法，給出了測試區域內岩體的等效損傷場，其創新性在於利用岩體滲流特性的改變表徵岩體等效損傷破裂場的改變；鑽孔落錘實驗通過彈性波的起振時刻分析計算出測試區域的等效彈性模量，其創新點是提出了利用孔內落錘進行激勵的方法，解決了傳統爆炸激振及高能氣體激振等方法操作複雜、適應性不強等缺點；結構面錘擊實驗通過測試應力波通過結構面的耗時，並結合數值計算反分析，給出了結構面的法向接觸剛度及切向接觸剛度，解決了傳統室內實驗測試範圍小、無法反映地應力影響等缺點。

此外，項目組基於鞍千礦三大採區岩質硬、節理髮育等特點，提出了台階邊坡防護及爆破開採應遵循的基本原則，內容涉及數值模擬與原位測試相結合進行定期跟蹤、靠幫採用預裂爆破、留足安全平台寬度、合理設計逐孔起爆延時、適時進行邊坡監測及爆破振動監測等多個方面。

本成果提升了露天礦在爆區周邊岩體損傷程度的測試分析、台階邊坡爆破穩定性分析等方面的技術水平，使得露天礦的爆破設計、邊坡設計更加科學化、精細化，實現了預期研究目標，項目成果達到國內領先水平，可以在鞍礦和國內外同類礦山推廣應用。

10、專利及獲獎情況

申請專利3件；獲冶金礦山科學技術獎三等獎。

來源：中國冶金礦山企業協會

排版：王廣運

監製：趙 鵬

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