基于PFC2D的排土場邊坡穩(wěn)定性研究①

賀 超，崔松軍，王 亮，許永權(quán)，鄒 平，王飛飛

（1．北方礦業(yè)有限責(zé)任公司，北京100053；2．長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙410012）

排土場的穩(wěn)定性直接影響著礦山的正常生產(chǎn)活動［1－2］。近年來，排土場穩(wěn)定性研究逐漸受到礦山企業(yè)和學(xué)者的重視［3－7］。但目前針對排土場可能發(fā)生的災(zāi)害機理與產(chǎn)生過程研究尚不明晰［8］，排土場邊坡破壞機理與災(zāi)害形成過程方面的研究亦不多，根據(jù)生產(chǎn)需要，行業(yè)亟需開展該方面的研究工作以便更好地指導(dǎo)礦山排土場災(zāi)害防治工作。目前，離散元方法在礦山領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［9－10］。為了揭示排土場邊坡破壞機理與災(zāi)害形成過程，本文以現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，采用離散元PFC2D建立排土場邊坡模型，得到了剛果（金）卡莫亞銅鈷礦1＃排土場邊坡在自然狀態(tài)與含水狀態(tài)下的位移變化情況。研究結(jié)果可為同類型排土場安全穩(wěn)定性分析提供參考。

1 排土場概況

1．1 地層與構(gòu)造

卡莫亞銅鈷礦區(qū)位于贊比亞-剛果（金）銅礦帶（又稱“中非銅鈷成礦帶”）的北西段，屬非洲中部盧菲利弧形構(gòu)造帶外部褶皺推覆帶的一部分，區(qū)域地層構(gòu)造展布以北西向為主。

1．2 工程地質(zhì)情況

礦區(qū)地表90%以上被第四系松散堆積物所覆蓋。

1）第四系人工堆積和殘坡堆積。人工堆積物主要為礦區(qū)內(nèi)的工程和采礦廢棄尾礦堆積物，結(jié)構(gòu)松散、巖層穩(wěn)定性差；在地下水和其他外來因素作用下，極易形成滑動和坍塌。第四系殘坡積堆積物的巖性和成分與山坡上的基巖巖性和殘坡積發(fā)育程度相關(guān)，一般堆積物無規(guī)則，結(jié)構(gòu)松散，巖層穩(wěn)定性差，在降水和其他外來因素作用下極易滑動和坍塌。

2）第四系分布區(qū)。該層分布廣泛、穩(wěn)定，一般不易產(chǎn)生不良工程地質(zhì)問題，較適宜作為一般性建筑物的基礎(chǔ)。

3）基巖分布區(qū)。基巖為白云巖類為主的碳酸鹽巖，局部夾有軟弱夾層和構(gòu)造破碎帶。1＃排土場布置在主礦體附近，主礦體內(nèi)巖石風(fēng)化強烈，風(fēng)化帶深；構(gòu)造破碎帶和軟弱層發(fā)育，巖石工程地質(zhì)力學(xué)條件極劣。

1．3 排土場現(xiàn)狀

1＃排土場場址為剛果（金）卡莫亞銅鈷礦南Ⅱ礦體和東Ⅱ礦體露天境界中部山溝，主要承擔(dān)南Ⅱ礦體和東Ⅱ礦體露天境界采出的廢石排棄任務(wù)。排土場占地面積約60萬平方米，堆置標高1 415．00～1 515．00 m，最高堆高100 m，分層堆置，設(shè)計總庫容大于3 000萬立方米。廢石采用自卸汽車運輸，推土機輔助作業(yè)方式。排廢采用逆排工藝，分別從東、西兩側(cè)往中間推進排土。單臺階高20 m，安全平臺寬20 m，臺階邊坡為1∶1．5，最終邊坡角小于22°。

目前排土場主要堆放的是南Ⅱ采場剝離廢石，以及1 445 m平臺的少量東Ⅱ采場剝離廢石，已形成了1 515 m、1 495 m、1 475 m、1 445 m等幾個排土平臺。目前1 515 m平臺（目前最高）正處于排廢作業(yè)，其余平臺未作業(yè)。從排土場踏勘結(jié)果看，排土場整體穩(wěn)定。

1．4 巖土體力學(xué)參數(shù)

經(jīng)室內(nèi)試驗得到排土場巖土體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 排土場邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2．1 顆粒流細觀參數(shù)確定

對強風(fēng)化巖石和中風(fēng)化巖石單軸壓縮試驗和直接拉伸試驗進行數(shù)值模擬，對5種巖石進行直接剪切試驗，得出細觀參數(shù)見表2。

表2 顆粒細觀參數(shù)

2．2 排土場邊坡模型建立

對卡莫亞銅鈷礦1＃排土場優(yōu)化后的邊坡剖面數(shù)值分析模型進行建模，根據(jù)卡莫亞排土場邊坡地質(zhì)情況，在排土場現(xiàn)狀圖中對排土場選出5個代表剖面，分別為1-1、2-2、3-3、4-4、5-5剖面，分布在排土場四周，排土場剖面上部為排土場的散體物料，下部為基巖體。剖面位置如圖1所示。

圖1 排土場邊坡穩(wěn)定性分析剖面位置

由于PFC軟件內(nèi)部程序語言及命令較適合于建立室內(nèi)試驗尺寸大小及形狀的模型，對于邊坡剖面這種大型及復(fù)雜邊界形狀模型，單純使用軟件自帶的命令流和編程語言進行建模較為困難、繁瑣，工作量大，花費時間長。隨著計算機軟件發(fā)展，PFC建模能夠借助AutoCAD軟件的幫助，在AutoCAD中完成模型邊界的繪制，再將其導(dǎo)入到PFC中，根據(jù)繪制好的圖形，生成相應(yīng)的模型及單元［11－12］。建立的1-1邊坡模型如圖2所示。

圖2 剖面1-1邊坡模型

2．3 結(jié)果分析

采用PFC2D數(shù)值分析方法對優(yōu)化后的卡莫亞1＃排土場穩(wěn)定性狀態(tài)進行研究，依據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果分析目前礦區(qū)排土場邊坡剖面穩(wěn)定性，以及模擬研究排土場體內(nèi)的應(yīng)力、位移的分布狀態(tài)。5個剖面在自然狀態(tài)和含水狀態(tài)下的總位移分別如圖3和圖4所示。

由圖3可知，排土場邊坡發(fā)生移動，邊坡坡頂明顯出現(xiàn)下沉，坡底出現(xiàn)擠壓變形，具有加速增大的趨勢，說明坡底出現(xiàn)一定程度的滑動，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并有可能發(fā)生滑坡災(zāi)害，需要采取措施防范災(zāi)害發(fā)生。

圖3 自然狀態(tài)下的邊坡位移云圖

剖面1-1和2-2邊坡位移發(fā)生機理一致，均在排土場坡頂發(fā)生較大變形，坡腳處產(chǎn)生的位移相對較小，主要是因為剖面1-1與2-2處的基底層內(nèi)部的傾角逆向排土場整體邊坡角，有利于排土場整體的穩(wěn)定性。

剖面3-3、4-4與5-5邊坡位移發(fā)生機理一致，在坡腳均產(chǎn)生了較大位移，不利于排土場的整體穩(wěn)定性，邊坡易發(fā)生滑坡、垮塌，在強降雨條件下易發(fā)生泥石流災(zāi)害。可見排土場基底層設(shè)計對排土場穩(wěn)定性有一定影響。

由圖4可知，含水條件下，即降雨時，5個剖面的排土場邊坡產(chǎn)生較大位移，邊坡滑動模式為“圓弧型滑動”。

圖4 含水狀態(tài)下的邊坡位移云圖

對比圖4與圖3可知，含水狀態(tài)下排土場邊坡變形量大于自然狀態(tài)，主要是水分弱化了排土場強度，導(dǎo)致其易發(fā)生變形。含水狀態(tài)下，剖面3-3與4-4中的邊坡變形具有分層現(xiàn)象，不同巖層變形差異較大，主要原因是不同巖層滲透系數(shù)有差異，不同巖體受水的影響程度亦不同。

圖4中，5個剖面在坡腳分別產(chǎn)生40 m、30 m、70 m、55 m和70 m滑移。排土場邊坡坡頂下沉量較大，坡底擠壓變形較為明顯，說明坡體處于滑動狀態(tài)，繼續(xù)發(fā)展可能會發(fā)生滑坡。

3 結(jié) 論

依托卡莫亞銅鈷礦1＃排土場邊坡，采用離散元PFC2D數(shù)值分析軟件建立了排土場邊坡模型，并對排土場邊坡進行了穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究。得到了排土場邊坡在自然與含水狀態(tài)下的顆粒位移變化云圖：

1）自然狀態(tài)下，排土場剖面1-1和2-2均為穩(wěn)定狀態(tài)；剖面3-3、4-4和5-5穩(wěn)定性較差，由于巖層關(guān)系，邊坡容易順著巖層發(fā)生滑坡。

2）含水狀態(tài)下，5個邊坡剖面均不穩(wěn)定。可以看出含水狀態(tài)下邊坡強度較小，降水時易發(fā)生滑坡災(zāi)害。

3）排土場整體破壞滑面形狀為近圓弧型，因此邊坡滑動模式為“圓弧型滑動”。