露天转地下开采边坡爆破振动传播特性及安全判据研究

发布时间：2018-03-28 07:18

本文选题：露天转地下开采　切入点：岩质边坡　出处：《中国地质大学》2017年博士论文

【摘要】：随着我国深凹露天矿的不断开采,露天边坡不断加高、加陡,其稳定性不断降低,而且浅部资源逐步枯竭,采矿成本不断攀升,越来越多矿山必将在高陡边坡条件下转入地下开采。爆破是我国矿山开采、岩体开挖等采矿生产与工程建设的必要手段,在带来巨大效益同时,爆破动载诱发的滑坡、崩塌等地质灾害现象屡见不鲜。与单一露天开采边坡相比,露天转地下开采环境下的边坡,经历了露天开采和地下开采的两种扰动,其稳定性更为劣化,而且露天转地下开采,特别是崩落法地下开采,具有爆源空间位置集中、爆破规模大两大特点,会对边坡的爆破动力稳定性产生重要的影响。开展露天转地下开采边坡爆破振动传播特性及安全判据研究,是研究露天转地下开采边坡爆破动力稳定性的基础性工作,同时也是工程地质学、爆炸力学、岩石动力学等多学科交叉的前沿与热点课题,具有重要的理论意义和实际应用价值。本文采用现场测试、数值模拟、理论分析相结合的综合研究方法,对地下开采中深孔爆破荷载特征、不同开采深度影响下岩质边坡爆破振动传播特性、不同开采深度影响下爆破振动速度预测模型、顺层结构面对边坡爆破振动传播特性的影响、竖直裂隙对边坡爆破振动传播特性的影响和缺陷边坡的爆破振动安全判据等进行研究分析,论文主要研究内容和成果如下:(1)地下开采中深孔爆破动力荷载特征研究。依托大冶铁矿东露天采场地下开采工程实际,采用LS-DYNA动力有限元软件,建立了地下开采中深孔爆破的计算模型,分析了模型边界上爆破荷载特征,提出了边坡动力稳定性分析的爆破荷载施加方式。结果表明:模型边界位于裂隙区以外的弹性区,其时程曲线可作为露天转地下开采边坡爆破振动速度分布特征的数值计算分析的输入荷载,并基于课题组已取得的数值建模成果和现场实测数据,对其可靠性进行了检验和验证。(2)不同开采深度影响下边坡爆破振动传播特性研究。依托大冶铁矿无底柱崩落法分段高度为12m的工程背景,综合考虑我国露天矿山的边坡设计现状,选定边坡角为50o并建立了简化的矿山边坡数值模型,采用已验证的荷载施加方式,研究了不同采矿深度时(36m、48m、60m和72m),爆破振动在坡面上以及坡体内的传播规律。研究结果表明:(a)坡面爆破振动速度沿坡面的传播规律以衰减为主,随着采矿深度的增加,坡面爆破振动速度明显减小;(b)在距离坡面一定距离范围内,高程对边坡爆破振动速度具有放大效应,表现出明显的坡面效应,但不同采矿深度对应的范围并不一样,整体来看,对于水平方向质点振动速度,坡面效应的范围随采矿深度的增加逐渐减小,对于竖直方向质点振动速度,坡面效应的范围基本保持不变。(3)不同开采深度影响下爆破振动速度预测模型研究。基于量纲分析原理,综合考虑采矿深度和高程效应的影响,对传统萨道夫斯基公式进行了改进;采用改进的爆破振动速度预测模型对不同采矿深度下邻近边坡表面的爆破振动速度进行预测分析,并与传统萨道夫斯基公式的预测结果进行对比分析,发现改进的爆破振动速度预测模型的精度大大提高。(4)顺层结构面对边坡爆破振动传播特性的影响研究。在实际矿山边坡工程中,边坡岩体内部通常存在各种各样、尺度不一的结构面,结构面的存在往往会对爆破地震波的传播特性产生重要的影响。论文首先以坡角为50o、结构面倾角为30o的边坡为例,研究了该结构面对爆破振动在边坡表面上以及边坡岩体内部传播特性的影响进行了计算分析,接着分别研究了结构面的法向刚度、切向刚度以及结构面倾角的影响。研究结果表明:(a)结构面会对其附近的坡面爆破振动传播规律产生明显的影响,使质点振动速度峰值衰减速率穿过结构面之前明显减小,穿过结构面之后突然增大,但采矿深度对坡面爆破振动整体的传播规律影响较小;(b)结构面两侧质点振动速度峰值沿结构面方向的分布规律并不一致,而且采矿深度会对其产生重要的影响,对比结构面两侧的质点振动速度峰值,发现结构面上侧的质点振动速度峰值整体大于结构面下侧;(c)结构面使得结构面两侧的质点振动速度峰值沿竖直方向的分布规律产生明显的变化,与完整边坡有明显差别,而且采矿深度也会对其产生重要的影响;(d)结构面法向刚度的增大在一定范围内能显著提高爆破地震波的透射效应;(e)结构面切向刚度的增大在一定范围内能显著增大结构面上方的水平方向质点振动速度,但降低竖直方向质点振动速度;(f)结构面倾角对坡面上和坡体内的爆破振动的影响不同,对于坡面监测点S6,水平方向和竖直方向质点振动速度峰值随结构面倾角增大先增大后减小,对于坡体内监测点D2,水平方向和竖直方向质点振动速度峰值随结构面倾角增大而增大。(5)竖直裂隙对边坡爆破振动传播特性的影响研究。露天转地下开采过程中,由于长期的地质运动、风化作用以及人为的开挖等因素的存在,经常会遇到坡面含竖直裂隙的情况,对爆破地震波的传播特性产生重要的影响。论文首先以坡角为50o且含单条深度为20m的竖直裂隙的边坡为例,研究了裂隙对爆破振动在边坡表面上以及边坡岩体内部传播特性的影响进行了计算分析,接着研究了裂隙深度的影响。结果表明:(a)裂隙会对坡面爆破振动传播规律产生重要的影响,在其左侧一定范围内,能显著增大爆破振动速度,但其范围随采矿深度的增加而减小;(b)裂隙两侧的质点振动速度峰值沿竖直方向的分布规律均存在明显的坡面效应,但坡面效应的范围并不一致,整体来看,对于水平方向振动速度,坡面效应影响的范围随采矿深度的增加逐渐减小,对于竖直方向振动速度,坡面效应范围随采矿深度的增加有增大的趋势;(c)质点振动速度峰值穿过裂隙的衰减率随高程的增加而增加,但随采矿深度的增加而减小;(d)裂隙深度对坡面不同位置处的质点振动速度峰值的影响是不一样的。对于裂隙右侧监测点,裂隙深度对整体质点振动速度峰值沿坡面的分布规律影响较小,只是对其量值存在一定的影响;对于裂隙左侧监测点,结构面越深,对结构面左侧爆破振动沿坡面传播规律的影响范围越大。(e)裂隙深度对质点振动速度峰值沿竖直方向的分布规律存在较大的影响,特别是坡面效应的范围,对于水平方向振动速度,坡面效应的范围随结构面深度的增加逐渐减小,对于竖直方向振动速度,随着结构面深度的增加,坡面效应的范围随结构面深度的增加逐渐增大;(f)质点振动速度峰值穿过裂隙的衰减率随裂隙深度的增加而增加。(6)露天转地下开采缺陷边坡爆破振动安全判据研究。(a)针对含顺层结构面的边坡,基于位移不连续方法的原理,推导了爆破地震波入射结构面时透、反射系数的表达式,并基于安全系数确定了此类边坡的爆破振动安全判据模型;以坡角为50o、结构面倾角为30o的边坡模型为例,计算了爆破地震波主频为100Hz时的爆破振动安全判据为3.12cm/s。(b)针对含竖直裂隙的边坡,基于断裂动力学理论,推导了爆破地震波入射时裂隙尖端处应力强度因子的表达式,基于断裂韧度确定了此类边坡的爆破振动安全判据模型;以坡角为50o、裂隙深度为20m的边坡为例,计算了爆破地震波主频为100Hz时的爆破振动安全判据为10.614cm/s。(c)随着爆破地震波主频的增加,上述两类边坡的爆破振动安全判据均增大,说明低频的爆破地震波更容易引起缺陷边坡的破坏,在实际工程中要尽可能避免低频爆破地震波的出现。
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【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD235.1;TD80

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