[发明专利]一种露天矿边坡爆破过程稳定性的分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤炭露天开采工程，特别是涉及一种露天矿边坡爆破过程稳定性分析方法。 

背景技术

岩体在爆破作用下将会产生破碎和损伤，其作用原理被普遍认为是爆炸冲击波与应力波和爆生气体共同作用的结果。首先爆炸产生的压应力将岩石压碎，随后环向拉应力与应变波的应力使岩石破裂，最后爆生气体的膨胀使岩石裂纹扩展，由此产生对应的爆破区域划分为压碎区、破裂区、振动区。压碎区半径一般为3-7R，而破裂区半径一般为8-150R，其中R为炮孔半径。所以破裂区是工程岩体在爆破时产生破坏的主要部分，在这个区域中的岩体虽然没有完全粉碎，但由于裂纹的出现已使其承载能力下降。在破裂区外围的振动区在动应力作用下虽然没有产生明显宏观裂缝，但其岩石力学性质已经产生一定的劣化。 

目前对爆破过程的研究尚不充分。研究一般基于连续介质理论，其模拟研究难以实现爆破岩体的碎裂过程，也无法根据实际情况控制各破碎岩块的状态，更无法就细观层面上的爆破过程进行模拟。 

尝试使用基于颗粒流的PFC3D(Particle Flow Code in3Dimensions)作为爆破过程的模拟平台，以海州矿某边坡作为模拟对象，对不同高度，埋深和装药量的起爆点进行了细观模拟。模拟了爆炸稳定后边坡形态并分析了其稳定性。 

PFC3D是Itasca公司2008年发布的一款高端产品，特别适合于复杂机理性问题研究。它是利用显式差分算法和离散元理论开发的微/细观力学程序，它是从介质的基本粒子结构的角度考虑介质的基本力学特性，并认为给定介质在不同应力条件下的基本特性主要取决于粒子之间接触状态的变化，适用研究粒状集合体的破裂和破裂发展问题、以及颗粒的流动等大位移问题。在岩土体工程中可以用来研究结构开裂、堆石材料特性和稳定性、矿山崩落开采、边坡解体、爆破冲击等一系列传统数值方法难以解决的问题。 

颗粒流理论是通过离散单元法来模拟圆形颗粒介质的运动及颗粒间的相互作用，允许离散的颗粒单元发生平移和旋转，可以彼此分离并且在计算过程中重新构成新的接触。颗粒流方法中颗粒单元的直径可以是一定的，也可按高斯分布规律分布，可以通过调整颗粒单元直径调节孔隙率。它以牛顿第二定律和力-位移定律为基础，对模型颗粒进行循环计算，采用显式时步循环运算规则。根据牛顿第二定律确定每个颗粒由于接触力或体积力引起的颗粒运动(位置和速度)，力-位移定律是根据2个实体(颗粒与颗粒或颗粒与墙体)的相对运动，计算彼此的接触力。 

颗粒流理论基于以下假设： 

1)颗粒单元为刚性体； 

2)接触发生在很小的范围内，即点接触； 

3)接触特性为柔性接触，接触处允许有一定的“重叠”量； 

4)“重叠”量的大小与接触力有关，与颗粒大小相比，“重叠”量很小； 

5)接触处有特殊的连接强度； 

6)颗粒单元为圆盘形. 

颗粒流理论的接触本构模型包括接触刚度模型、库仑滑块模型和连接模型。其中，接触刚度模型分为线弹性模型和非线形Hertz-Mindlin模型；连接模型分为接触连接模型和并行连接模型，接触连接模型仅能传递作用力，并行连接模型可以承受作用力和力矩。 

离散体和连续体主要的区别在于，离散体之间可以承受压力，但基本不承受拉力，也不能承受力矩；连续体可以承受压力、拉力和力矩。使用PFC3D中接触连接模型和并行连接模型可以满足对连续体和非连续体混合共存条件下的模拟，只是参数设置不同，采用不同的接触连接(Contact-Bond)和平行连接(Parallel-Bond)对颗粒进行设置，以模拟砂岩层、砂质泥岩层、砂岩层、煤层、泥岩和砂质页岩不同的拉、压、剪的性质。 

边坡的模型建立使用通常的PFC3D的建模步骤，根据PFC3D用户手册PROBLEM SOLVING WITH PFC^3D中的介绍，岩土问题数值分析的一般步骤如图1所示。 

对于任意建模过程，具体来说包括：颗粒的生成、边界条件和初始条件的设置、选择接触模型和材料属性、加载，解算和模型修改、结果分析。国内对于PFC3D建模研究不多，建立尾矿库模型的颗粒流实际模型步骤，如图2所示。 

发明内容