基于PFC的尾礦庫滑坡運動規律分析

(華北科技學院 北京 101601)

基于PFC的尾礦庫滑坡運動規律分析

張紅

(華北科技學院北京101601)

為保證尾礦壩的持續穩定運行，本文運用PFC顆粒流軟件結合強度折減法模擬尾礦庫滑坡過程，分析滑坡過程中微觀粒子的運行規律，將尾礦庫微觀粒子滑坡運動過程分為三個階段，并確定尾礦庫薄弱位置，為進一步提升尾礦壩本質安全水平提供理論支撐。

顆粒流；強度折減法；尾礦壩；運動規律

一、引言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的用以貯存金屬非金屬礦山進行礦石選別后排除的尾礦的場所[1]。據統計，歷年來發生的尾礦庫事故中尾礦庫潰壩事故約占事故總數的60%以上是尾礦庫事故發生的主要原因[2]。加強尾礦庫安全管理水平，提升尾礦庫本質安全，對遏制尾礦庫事故具有重要意義。本文運用PFC軟件結合強度折減法模擬尾礦庫滑坡過程，分析滑坡過程中微觀粒子的運行規律，確定尾礦庫薄弱位置，為進一步提升尾礦壩本質安全水平提供理論支撐。

二、尾礦庫滑坡演示

PFC是將研究對象分解成為微觀粒子集合體，從微觀方面研究粒子之間的運動關系[3-4]。由于PFC微觀參數與宏觀參數之間并沒有明顯數量級關系[5]，因此需通過模擬雙軸壓縮調整微觀參數。以我國北方某尾礦庫為例進行滑坡模擬。該尾礦庫位于我國西北部，屬二等尾礦庫，尾礦壩四級臺階寬度5m，壩頂標高650m，匯水面積1.23km2。

尾礦庫模型如圖1所示，微觀參數如表1所示。

圖1 尾礦庫模型圖

運用強度折減法對尾礦壩抗剪強度參數及內聚力進行折減，運行時步設置為15000次，以壩體裂隙達到穩定作為判斷尾礦庫平衡條件，折減過程中粒子位移變化如圖2所示。

(a)

(b)

(c)

圖4 尾礦壩滑坡階段裂隙數量與時間對比圖

經分析，尾礦壩位移變化規律分三個階段：①薄弱位置位移趨勢線集中。當折減系數較小時，尾礦的抗剪強度較高，整個壩坡基本處于彈性狀態。逐漸增加折減系數，則尾礦的抗剪強度逐漸降低，壩坡中相對薄弱位置彈性范圍降低，逐漸出現局部應力集中，位移趨勢聚集。本項目壩體薄弱位置位于尾礦壩壩頂至第二階壩體位置處，如圖3(a)；②初步形成滑動位移面。折減系數繼續，尾礦的抗剪強度進一步減小，壩坡的塑性區進一步增大，壩體裂隙逐漸貫通，薄弱位置應力值加大并逐漸開始顯現出滑動趨勢，位移線呈現連續性。折減系數為1.25時項目邊坡出現滑動位移趨勢，如圖3(b)；③壩體滑動。當折減系數增加到某一數值時，塑性區形成連通的區域，尾礦沿該剪切面發生不收斂的塑性剪切變形，壩體裂隙滑動面裂隙幾乎全部貫通，應力分布于滑動趨勢面周圍并逐漸形成清晰滑動面，最終造成尾礦壩滑動，如圖3(c)。

尾礦庫滑坡階段裂隙數量與時間對比圖如圖4所示。尾礦庫產生滑坡后，尾礦壩體裂隙在40s左右達到穩定，表明該壩體沖擊時間40s，根據該時間段位移顯示數據可知沖擊位移為53m。

三、結論

本文運用PFC軟件結合強度折減法模擬尾礦庫滑坡過程，分析滑坡過程中微觀粒子的運行規律，確定尾礦庫薄弱位置，得出如下結論：

1、運用PFC軟件結合強度折減法進行尾礦庫滑坡模擬，分析微觀粒子位移變化規律并將尾礦壩位移變化規律分三個階段。

2、首次將壩體裂隙穩定作為判定衡量尾礦庫運算平衡的方法，并通過與實際時間進行對比，確定壩體滑坡沖擊時間及沖擊位移。

[1]謝旭陽,王云海,張興凱,等.我國尾礦庫數據庫的建立[J].中國安全生產科學技術,2008,4(2):53-56.

[2]楊麗紅,李全明, 程五一,等.國內外尾礦壩事故主要危險因素的分析研究[J].中國安全生產科學技術,2008,4(5):28-31.

[3]ITASCA Consulting Group. PFC2D(Particle Flow Code in 2 Dimensions)User' s Guide[M]. USA: Itasca Consulting Group, Minneapolis, Minnesota 55401, 2002.

[4]史旦達, 鄧益兵, 劉文白等.顆粒離散元法及在砂土力學特性模擬中的應用[M].北京:人民交通出版社,2016.

[5]石崇,徐衛亞.顆粒流(PFC2D/3D)數值模擬技巧與實踐[M].北京:中國建筑工業出版社,2015.

華北科技學院科技基金項目(編號3142017041)

張紅(1988.09-)，女，碩士研究生，華北科技學院，研究方向巖土工程-尾礦庫邊坡穩定。