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，鄒 平，王飛飛

（1．北方礦業(yè)有限責任公司，北京100053；2．長沙礦山研究院有限責任公司，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)和學者的重視［3－7］。但目前針對排土場可能發(fā)生的災害機理與產(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礦山排土場災害防治工作。目前，離散元方法在礦山領域得到廣泛應用［9－10］。為了揭示排土場邊坡破壞機理與災害形成過程，本文以現(xiàn)場調(diào)查結果為基礎，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造帶外部褶皺推覆帶的一部分，區(qū)域地層構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，結構松散、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，一般堆積物無規(guī)則，結構松散，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。

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

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，主要承擔南Ⅱ礦體和東Ⅱ礦體露天境界采出的廢石排棄任務。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)。從排土場踏勘結果看，排土場整體穩(wěn)定。

1．4 巖土體力學參數(shù)

經(jīng)室內(nèi)試驗得到排土場巖土體力學參數(shù)見表1。

表1 排土場邊坡巖土體力學參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2．1 顆粒流細觀參數(shù)確定

對強風化巖石和中風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，再將其導入到PFC中，根據(jù)繪制好的圖形，生成相應的模型及單元［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)生滑坡災害，需要采取措施防范災害發(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)生泥石流災害?？梢娕磐翀龌讓釉O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 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?？梢钥闯龊疇顟B(tài)下邊坡強度較小，降水時易發(fā)生滑坡災害。

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”。