爆破振动对含结构面边坡稳定性影响研究

摘要

岩体是一种不连续、各向异性的非均质结构体，其间断层、节理、裂隙和破碎带等结构面随机分布，爆破振动会对含结构面边坡稳定性产生重要的影响。钻沟石灰石露天矿边坡岩层之间存在较为明显的结构面，由于受边坡岩体结构面和频繁生产爆破等因素的影响，其稳定性已成为制约矿山安全生产的重要因素。因此，必须研究爆破振动对含结构面边坡稳定性的影响。
　　在钻沟石灰石露天矿爆破现场进行地质调查、岩石物理力学指标试验和爆破振动试验，并对现场实测的爆破振动信号进行小波包能量分析。采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元分析软件对矿山边坡进行爆破数值模拟，研究爆破荷载作用下含结构面边坡的动力响应，并提出了邻近边坡爆破的减振措施。本文主要研究成果如下：
　　（1）通过现场地质调查，得到了矿山边坡结构面的分布情况，即结构面倾向为顺坡方向，与水平夹角为70°，结构面厚度为0.5m。
　　（2）现场爆破振动试验表明，爆破地震波穿越结构面时，爆破振动速度衰减较为明显，其平均衰减率为48.59％；而地震波未穿过结构面时，其爆破振动速度并没有明显的变化。小波包分析结果表明，地震波穿越结构面时会造成爆破振动信号高频振动能量比例降低，低频振动能量比例升高。
　　（3）数值模拟结果表明，地震波穿越结构面时，其前后质点振速幅值的平均衰减率约为50%。而通过小波包能量分析发现，50Hz左右频带的能量呈衰减趋势，而20Hz左右频带的能量呈增加趋势。对比现场试验与数值模拟的结果发现，地震波穿越结构面时爆破振动速度平均衰减率为48.59%，而数值模拟所得平均衰减率为56.29%，相对误差为9.68%。此外，数值模拟的小波包能量分析结果与现场实测的小波包能量分析结果基本一致。
　　（4）分别考察爆源距离由20m增加到40m，炮孔孔径由160mm减小到90mm，炮孔孔数由三孔减小到单孔起爆，延期时间由25ms增加到65ms以及由无预裂爆破到有预裂爆破时，爆破振动对边坡稳定性的影响相应减小。因此，在矿山临近边坡爆破时，应采用小孔径爆破、逐孔起爆、65ms排间延时爆破及预裂爆破等减振措施，以保证边坡的稳定性。
　　（5）采用通径系数法分析了爆破振动速度和主频两个特征参量与爆心距、总装药量、最大段装药量、高差、前排抵抗线和岩石完整性系数等爆破条件之间的关联性，得出爆心距和最大段装药量对爆破振动速度的影响较大，而对爆破振动主频影响较大的是爆心距和岩石完整性系数。
　　（6）从能量源和爆破地震波传播过程两个方面提出了科学合理的邻近边坡爆破减振措施，并设计了一套有利于钻沟石灰石矿山生产和保证边坡稳定的生产爆破参数和预裂爆破参数。
　　根据上述研究得到了不同爆破荷载对含结构面边坡稳定性的影响规律，提出了科学合理的邻近边坡爆破减振措施，保证了边坡的稳定性。

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第1章 绪论

1.1 研究课题的意义、目的及来源

1.2 国内外研究现状

1.3研究内容及研究方法

第2章 地震波传播规律及其穿越结构面的能量衰减机制分析

2.1 概述

2.2 爆破地震波传播规律及其影响因素分析

2.3 爆破地震波穿越结构面的能量衰减机制分析

2.4 本章小结

第3章 结构面对地震波传播规律影响的试验研究

3.1 工程概况

3.2 地震波穿越结构面的爆破振动试验

3.3 本章小结

第4章 结构面对地震波传播规律影响的数值模拟分析

4.1 动力有限元及LS-DYNA介绍

4.2 模型建立与参数设置

4.3 结构面对爆破地震波幅频衰减效应分析

4.4 本章小结

第5章 不同爆破荷载对含结构面边坡的稳定性分析

5.1 概述

5.2 模型建立及参数设置

5.3 模拟结果与分析

5.4 本章小结

第6章 邻近边坡爆破减振措施研究

6.1 邻近边坡爆破振动速度安全判据

6.2 爆破振动影响因素敏感性的通径系数分析

6.3 邻近边坡爆破减振措施

6.4 钻沟石灰石矿山爆破参数优化

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及成果