拉拉銅礦排土場穩定性的RFPA數值模擬

2013-07-25 03:57:04陳星明張樂健

中國礦業 2013年6期

陳星明，張樂健，王麗

（1.西南科技大學環境與資源學院，四川綿陽 621010；2.非煤礦山安全技術四川省高等學校重點實驗室，四川綿陽 621010；3.涼山礦山股份有限公司拉拉公司，四川涼山 615141）

露天礦山在開采礦石過程中會產生大量剝離表土和廢石，形成了巨大的排土場［1］。由于是裸露式露天堆放，占地面積特別大，帶來很多安全問題和環境問題。一是排土場廢石在很長時間內無法泥化或土化，無法自然恢復生態，如果不治理則是一個長期的水土流失源；二是排土場邊坡穩定性較差，汛期經常發生滑坡、泥石流等崩滑流地質災害，對附近生產生活設施及相應的構筑物等造成威脅，影響礦山安全生產。因此，對排土場實施礦山地質環境治理恢和工程穩定性研究及其治理復有著非常重要的意義［2］。

拉拉銅礦排土場經過建礦50多年來的排土，已形成了單臺階的高邊坡排土場。目前堆置高度達到了近300m，堆置的邊坡角達到50多度，其總堆置高度和最終邊坡角大大大于排土場設計規范要求的堆置高度和巖土自然安息角，并且排土場下部區域是河流，存在嚴重的滑坡（或甚至泥石流）潛在危險。礦山排土場已成為該礦山一個巨大的危險源，在生產過程中常發生失穩現象，對其進行工程穩定性研究具有重要的實際意義。

目前，在計算機和計算方法不斷發展的背景下，以有限元為代表的數值分析方法在20世紀70年代已逐步在巖土工程中推廣應用，并發展成為一種強有力的計算分析工具，可以得出邊坡應力、位移，并且能夠模擬邊坡的漸進破壞過程，同時提供應力、應變和位移等力與變形的信息［3］。本文通過應用RFPA（Realistic Failure Process Analysis，真實破壞過程分析）軟件對拉拉銅礦現有排土場和按相關規范設計的規范排土場進行工程穩定性數值模擬計算。模擬結果表明，拉拉銅礦高陡排土場的穩定性不容樂觀，有待進行相關的工程治理。

1 RFPA功能簡介

RFPA（真實破壞過程分析系統）是將細觀力學方法與數值計算方法有機地結合起來，通過考慮非均勻性特點研究巖石、混凝土等準脆性材料的非線性力學行為，是一種運用連續介質力學方法解決非連續介質力學力學問題的新型數值分析方法，為巖石、混凝土等準脆性材料的非線性力學響應和破壞過程的分析的分析與模擬提供了非常有用的和方便的工具［4］。RFPA系統的基本思路［5］是：①將巖石、混凝土等準脆性介質模型離散化成由細觀基元組成的數值模型；②假定離散化后的細觀基元的力學性質服從某種統計分布規律，由此建立細觀與宏觀介質力學性能的聯系；③引入適當的基元線彈性應力、應變求解方法，分析模型的應力、應變狀態；④引入適當的基元破壞準則（相變準則）和損傷規律，分析基元的力學性質演化即相變狀態；⑤相變基元的力學性質隨演化的發展是不可逆的；⑥基元相變前后均為線彈性體。

RFPA軟件系統具有以下功能：①模擬巖石、混凝土等準脆性介質的破裂過程，特別適宜于研究由局部破壞過程引起的應力重新分布對進一步變形和破壞過程的影響；②模擬巖石、混凝土等準脆性介質破裂過程的聲發射規律，從而研究巖石、混凝土等準脆性介質破裂過程的聲發射頻度與震級關系以及巖石失穩破壞的前兆特征；③通過嵌入的Weibull分布、正態分布等各種統計分布函數，考慮材料力學參數（強度、彈模等）的非均勻性分布特征，從而可以從本質上研究巖石、混凝土等準脆性介質變形的非線性特征；④可以考慮微觀缺陷，也可以考慮節理、裂隙等宏觀缺陷；⑤可以模擬加載引起的破裂過程，也可以模擬自重引起的破壞過程。

本文進行排土場穩定性的RFPA模擬計算，把經過壓實的排土場考慮為一種均勻性較差的巖土體，不考慮其中的節理和裂隙。

2 排土場穩定性RFPA模擬計算

本節進行RFPA試驗以模擬拉拉銅礦現有排土場和規范排土場的工程穩定性。假設拉拉銅礦排土場堆置高度為250m，坡面角為50°（單臺階）；根據《有色金屬礦山排土場設計規范》［6］將此堆置高度的排土場設計成多臺階排土場，假設為6個臺階，最下一臺階高度為25m，其余各臺階高度為45m，臺階坡面角為42°，最終邊坡角為38°。試驗中，兩排土場巖體的力學參數取值一致，根據王麗［7］所進行的研究，取宏觀抗壓強度為4.37MPa，彈性模型為0.6GPa，抗壓強度和彈性模量的均質度取1.5（由于排土場是巖土壓實而成，因此其均質度較低）。試驗中均采用平面應變模型，采用RFPA-2D工程版軟件，試驗中考慮巖體自重條件下的排土場的受力與位移情況，為加速排土場破壞試驗過程，在豎直方向加小載荷擾動，加載量為0.005MPa/步，加載總步數50步。兩排土場的基本條件及單元劃分如圖1所示。

觀察加載到第50步時，兩排土場坡底和邊坡面的應力狀況和位移情況。圖2為加載到第50步時兩排土場坡底各單元的應力狀態圖，圖3為加載到第50步時兩排土場坡底各單元的位移圖；圖4為加載到第50步時邊坡面各單元狀態圖，圖5為加載到第50步時邊坡面各單元的位移圖；圖6為加載到第50步時兩排土場單元破壞狀況，圖6中暗顏色表示單元已破壞。