摘 要

在露天矿开采中，露天边坡岩体作为一种不连续、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的稳定性产生重要影响。

本文将以兴山县唐垭山石灰石矿山作为研究对象，借助于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，研究爆破作用下含断层石灰岩露天采场的动力响应规律，并对边坡进行稳定性分析。

本文的主要成果如下：

（1）一般情况下，爆破地震波在穿过断层后，边坡质点振动最大速度会变小，这说明地震波能量发生了衰减。

（2）爆破地震波在通过断层后，边坡质点速度时程曲线波形会被拉宽，主震持续时间会延长，这说明地震波在通过断层后，对边坡的破坏作用可能会增强。

（3）爆破地震波在通过断层时，局部地区，特别是离爆源较远地方，边坡质点振动最大速度可能会增强，这可能是爆破振动在远区发生叠加导致的。这种情况可能对边坡造成意想不到的危害。

（4）对边坡单元应力进行分析发现，同一平面，坡脚处的最大von mises应力远大于坡顶处的应力；并且发现断层前、后边坡单元的最大von mises应力分布差别不大。

（5）对边坡质点的位移进行分析发现，同一平面，坡顶处的最大位移大于坡脚处的最大位移。

关键词：断层；爆破振动；数值模拟；边坡稳定性

Abstract

In the open pit mining,the slope rock mass of open-pit mine is a discontinuous and anisotropic heterogeneous structure,and the structures such as fault, joint,fracture and fracture zone are randomly distributed.The blasting vibration will have an important impact on slope stability.

In this paper, the Tangyashan limestone mine is taken as the object of study. Using ANSYS/LS-DYNA dynamic finite element analysis software to study the dynamic response of the mine slope with blasting.And then analyzing the stability of the slope.

The main results of this paper are as follows:

(1) Under normal circumstances, after the blasting seismic waves through the fault, the maximum vibration velocity of slop quality will become smaller, indicating that the seismic wave energy has been attenuated.

(2) After the blasting seismic waves through the fault, the slope quaities' waveform of the velocity curve will be widened and the duration of the main vibration will be prolonged, which indicates that the damage effect of the seismic wave on the slope may be enhanced after passing through the fault.

(3) After the blasting seismic waves through the fault, at the local areas, especially where away from the source of explosion, the maximum vibration velocity of the slop quality may be enhanced, which may be caused by the superposition of blasting vibration in the far area. This may cause unexpected damage to the slope.

(4) The analysis of the stress of the slope unit shows that at the same plane the maximum von mises stress at the bottom of slop is larger than the top of slope. It is found that the effect of the fault on the von mises stress distribution is small

(5) The analysis of the displacement of the slope particle found that at the same plane the maximum displacement at the top of the slope is greater than the maximum displacement at the bottom of slope.

Key Words：Fault;Blasting vibration;Numerical simulation;Slope stability

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究课题的意义、目的及来源 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 边坡稳定性研究现状 1

1.2.2 爆破振动对边坡稳定性影响的研究现状 2

1.2.3 断层对爆破振动传播规律的影响研究现状 4

1.3 研究内容及研究方法 4

1.3.1 研究内容 4

1.3.2 研究方法 5

1.3.3 技术路线 5

第2章 爆破地震波传播规律及其穿越断层的能量衰减机制 6

2.1 爆破地震波传播规律 6

2.2 爆破地震波穿越断层的能量衰减机制分析 7

2.2.1 地震波在断层处的反射、透射和绕射 7

2.2.2 地震波穿越断层时的透、反射关系 8

2.2.3 地震波在断层上的能量衰减 10

第3章 断层对爆破地震波传播规律影响的数值模拟分析 12

3.1动力有限元及LS-DYNA介绍 12

3.2 模型建立与参数设置 12

3.2.1 材料模型及参数设置 12

3.2.2 爆破模型及边界条件 13

3.3 计算结果分析 14

3.3.1 边坡质点振速规律分析 14

3.3.2 边坡单元有效应力分析 26

3.3.3 边坡节点位移规律分析 29

第4章 结论与展望 32

4.1 结论 32

4.2 不足与展望 32

参考文献 33

致谢 35

第1章 绪论

1.1 研究课题的意义、目的及来源

在露天矿山的发展建设中，边坡是最常见的工程形式，其稳定性对于矿山生产具有重要意义。在实际工程中，导致边坡失稳的因素有很多，诸如边坡地质条件、地表水、地下水、气候状况、人为因素因素等等。而对于露天矿山，由于爆破技术的大量运用，造成采场边坡事故的主要外部因素就是爆破振动。尤其对于含有断层的边坡，由于边坡岩体内存在大量裂隙和节理，其强度特性和抵抗变形的能力都大大弱化，因此，在爆破作用下，边坡就更易发生破坏。在矿山生产中，由于爆破作业而导致的采场边坡的失稳垮塌，不仅会损坏矿山设备、危及矿山工作人员的人身安全，也会严重影响矿山正常的生产活动，从而降低矿山的经济效益。因此，开展爆破作用下含断层露天采场边坡的力学响应研究,对于减少由爆破诱发的灾害,确保矿山生产的安全,具有十分重要的意义。

塘垭矿区属高中山区，山脉总体走向为南北向，呈西部低、东部高的山坡地势。矿区为一面坡，海拔高程800-1300m，相对高差500m，地形坡度25～35°，矿区内分布地层主要有三叠系下统大冶组（T1d）和嘉陵江组（Ｔ1j）及第四系（Q）。矿区覆盖层较薄，矿体赋存在当地侵蚀基准面以上。经调查统计，在矿山边坡共发现了35条断层，按断层走向分类，边坡断层主要有4类，即NNW、NWW、SWW和SSW。其中NWW走向断层最为发育，倾角62～85°；其次是NNW走向断层，倾角77～89°。塘垭矿区边坡岩体坚硬，其边坡开挖和采矿过程中常采用爆破方式，由于长期受爆破震动附加力的影响，边坡岩体中出现裂隙，降低了边坡的稳定性。调查发现，经放炮以后，矿区除北面发生了局部崩塌，大量碎石堆积，部分平台上有危岩存在；同时中部边坡后缘已经完全开裂，可能发生大规模下滑，严重影响后续采矿安全。因此，矿山生产爆破对含结构面边坡岩体稳定性的影响已成为该矿山亟需解决的问题。