石寶鐵礦露天邊坡穩(wěn)定性的顆粒流數(shù)值模擬

蒲章鵬 許洪亮 張建勇 周顏軍 于 振 葉洪濤 王 振

（1.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司；2.河北省綠色智能礦山工程設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新中心；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院）

隨著露天邊坡不斷加高加陡，針對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性開展分析研究已變得越來越重要［1］。邊坡穩(wěn)定性分析的方法較多，以有限元法、離散元法為代表的數(shù)值分析方法被廣泛使用［2-4］。其中，理想顆粒離散元能夠模擬巖土體破壞演化過程，進(jìn)而研究其破壞的細(xì)觀機(jī)制，更直觀地判斷模型最容易破壞的部位，具有更廣的適用性，實(shí)現(xiàn)了邊坡局部破壞特征及邊坡整體穩(wěn)定性分析的研究［5-10］。

為研究露天邊坡破壞的細(xì)觀機(jī)制，本項(xiàng)目以石寶鐵礦為研究對(duì)象，首先進(jìn)行了巖石類型的室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，并構(gòu)建了符合石寶鐵礦露天邊坡力學(xué)性質(zhì)的顆粒模型，對(duì)邊坡從變形到破壞失穩(wěn)全過程進(jìn)行模擬，得出邊坡破壞過程的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，研究結(jié)論為露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

石寶鐵礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗石寶鎮(zhèn)，礦山生產(chǎn)規(guī)模為120萬t/a，采用露天開采方式，公路—汽車開拓運(yùn)輸方案。礦山1 620 m以上臺(tái)階高度為10 m；1 620 m以下臺(tái)階高度為12 m，終了境界靠幫時(shí)，2個(gè)臺(tái)階一并段。礦山共形成2個(gè)相互獨(dú)立的露天采場(chǎng)，分別為中東采場(chǎng)和西采場(chǎng)。本研究主要針對(duì)中東采場(chǎng)西南邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

中東采場(chǎng)西南邊坡目前出露巖性較為簡(jiǎn)單，以片巖和磁鐵石英巖為主。礦體為穩(wěn)定層狀，走向近南北，礦層傾向?yàn)?45°～180°，傾角為40°～70°。中東采場(chǎng)的西南邊坡整體受褶皺構(gòu)造影響略小，地表節(jié)理產(chǎn)狀整體相近，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。中東采場(chǎng)西南邊坡最低開采標(biāo)高為1 440 m，最高開采標(biāo)高為1 680 m，共20個(gè)臺(tái)階。終了時(shí)臺(tái)階坡面角為65°，安全平臺(tái)兼清掃平臺(tái)寬度為12 m，最終邊坡角為46°。中東采場(chǎng)西南邊坡及主要巖石類型見圖1，主要巖石物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

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2 顆粒流模型細(xì)觀參數(shù)確定

顆粒流模型參數(shù)的選取需要依照原位試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果，本次模擬的中東采場(chǎng)西南邊坡巖石類型主要為片巖和磁鐵石英巖，對(duì)這2種巖石的單軸壓縮試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了片巖和磁鐵石英巖模型的微觀參數(shù)見表2。

本次模擬將顆粒半徑統(tǒng)一設(shè)定為0.5 mm，顆粒密度參考巖石的實(shí)際密度，單位為kg/m3。顆粒與顆粒間采用的接觸模型為平行黏結(jié)模型。

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3 邊坡數(shù)值模型

根據(jù)上述數(shù)值模型微觀參數(shù)構(gòu)建數(shù)值模型。數(shù)值模型主要由3個(gè)墻體構(gòu)成，上面為自由面。在邊坡區(qū)域內(nèi)生成指定孔隙率的密實(shí)顆粒；然后，通過編制Fish函數(shù)使顆粒得到均勻的初始應(yīng)力，并對(duì)片巖組顆粒與磁鐵石英巖組顆粒賦上表2中的微觀參數(shù)，刪除多余的墻體，運(yùn)行一定的步數(shù)使其在重力作用下平衡。在邊坡內(nèi)部設(shè)置監(jiān)測(cè)顆粒，監(jiān)測(cè)顆粒位置處的應(yīng)力。通過采用顆粒流程序?qū)吰禄掳l(fā)生、發(fā)展的全過程進(jìn)行仿真模擬（在1.2倍重力場(chǎng)下進(jìn)行）。在模擬過程中，對(duì)邊坡模型坡面上的顆粒進(jìn)行位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置由高到低進(jìn)行設(shè)置。應(yīng)力監(jiān)測(cè)中拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。生成邊坡初始模型與監(jiān)測(cè)顆粒位置如圖2所示。

注：①～⑤為顆粒編號(hào)，同時(shí)表示顆粒位置。

4 露天邊坡模擬結(jié)果及穩(wěn)定性分析

4.1 位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

采用顆粒流程序?qū)β短爝吰掳l(fā)生破壞的全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模型共運(yùn)行500 000步，選擇步驟分別為30 000步、100 000步、200 000步、300 000步、400 000步、500 000步的6次結(jié)果作為典型過程來分析，如圖3～圖8所示。

顆粒在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)30 000步時(shí)，1 596和1 572 m臺(tái)階的坡頂及坡腳處出現(xiàn)微小的裂隙，隨著微裂縫的發(fā)生，坡面上裂縫逐漸擴(kuò)大。在100 000步時(shí)，微裂縫加大，在剪應(yīng)力大于顆粒間的強(qiáng)度時(shí)，局部邊坡發(fā)生剪切破壞，1 596 m臺(tái)階邊坡頂部巖石開始向下快速滑落，此時(shí)，1 572 m臺(tái)階因受重壓而變形，1 572 m臺(tái)階坡腳發(fā)生破壞。在200 000步時(shí)，破壞的落石沿坡向下滾動(dòng)，落在1 572 m臺(tái)階及1 548 m臺(tái)階上，致使1 572 m臺(tái)階及1 548 m臺(tái)階受到的重力過大，相繼破壞，落石堆積在1 524 m臺(tái)階上，各臺(tái)階剪切帶自上而下貫通，最終形成圓弧形滑裂面。在300 000步時(shí)，坡頂位置1 660 m臺(tái)階發(fā)生破壞，由于1 596 m臺(tái)階坡腳發(fā)生破壞，上部1 620 m臺(tái)階巖石受重力而產(chǎn)生滑動(dòng)，邊坡進(jìn)入加速滑動(dòng)狀態(tài)。在400 000步時(shí)，上部臺(tái)階因受重壓而明顯變形，邊坡進(jìn)入急劇變形階段，剪切帶自上而貫通，最終形成滑裂面，上部臺(tái)階基本破壞。在500 000步時(shí)，可以看到坡面上部臺(tái)階已經(jīng)全部破壞，破壞的碎石堆積在1 524 m臺(tái)階上。

顆粒位移基本發(fā)生在坡面的臺(tái)階上，其中坡面顆粒位移最大值為83.15 47 m。邊坡內(nèi)部顆粒并沒有發(fā)生位移，邊坡的坡腳處顆粒也沒有發(fā)生位移，說明露天邊坡總體基本保持穩(wěn)定。

4.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9～圖13所示，可以看出，各個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)顆粒的數(shù)值都為負(fù)，說明在監(jiān)測(cè)顆粒單位范圍內(nèi)的顆粒在X方向上的正應(yīng)力為壓應(yīng)力。

從監(jiān)測(cè)顆粒應(yīng)力變化來看，監(jiān)測(cè)顆粒⑤所受到的影響并不明顯。因?yàn)轭w粒⑤處于坡腳處，且坡腳并未發(fā)生較大的顆粒位移，其應(yīng)力并沒有發(fā)生很明顯的變化。隨著坡面臺(tái)階的破壞，所受到的壓應(yīng)力逐漸減小。從監(jiān)測(cè)顆粒②的應(yīng)力變化圖可以看出，300 000～400 000步時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)較大范圍的波動(dòng)，說明在這期間監(jiān)測(cè)顆粒②附近的顆粒發(fā)生破壞。從圖5和圖6也看出坡頂顆粒發(fā)生了破壞。顆粒破壞最先發(fā)生在監(jiān)測(cè)顆粒③附近，故監(jiān)測(cè)顆粒③的應(yīng)力在時(shí)步較小時(shí)就發(fā)生了突然下降，隨后由于上部坡頂破壞，破壞的顆粒滾落導(dǎo)致監(jiān)測(cè)顆粒在300 000步時(shí)發(fā)生較大的應(yīng)力波動(dòng)。400 000～500 000步期間應(yīng)力發(fā)生嚴(yán)重波動(dòng)，說明該監(jiān)測(cè)顆粒附近發(fā)生了破壞，從圖6和圖7中可以看出，在400 000～500 000步時(shí)，1 524 m臺(tái)階發(fā)生破壞。

5 結(jié)論

（1）采用顆粒流進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，可以較直觀地觀察到邊坡失穩(wěn)的發(fā)展過程，能直觀地辨別出邊坡易失穩(wěn)的部位及其破壞過程。模擬結(jié)果表明，石寶鐵礦中東采場(chǎng)西南邊坡在模擬過程中，并未出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū)，基本以壓應(yīng)力為主，即邊坡若發(fā)生破壞，則以“壓—剪”破壞模式為主。

（2）邊坡模型在1.2倍重力計(jì)算下總體穩(wěn)定，坡體模型內(nèi)部沒有發(fā)生明顯的滑動(dòng)面，但發(fā)生了坡面臺(tái)階的破壞，臺(tái)階破壞可能對(duì)后續(xù)的邊坡穩(wěn)定造成不良影響，建議在生產(chǎn)過程中及時(shí)清理中東采場(chǎng)西南邊坡滑坡的碎石，警惕坡面臺(tái)階破壞所帶來的影響和安全隱患。