[发明专利]一种露天矿边坡在地震中稳定性的分析方法

说明书

技术领域

    本发明涉及采矿安全工程技术领域，特别涉及一种露天矿边坡在地震中稳定性的分析方法。

背景技术

露天矿边坡有着其自身特点使其与一般自然形成边坡有一定的区别。露天矿边坡自由面原本在自然状态下是在地表以下的，但是由于人工开采使其暴露于外界环境中，自由面上不会形成残积土层，且由于采动作用一般以碎石堆积为主；自然边坡常因造山运动而形成，依附山体，边坡构造面向地下延伸方向常有断层存在，而露天矿边坡为人工开采，自由面并不延伸至地表下，边坡下基岩仍是完整的(依原地质条件而定)；自然边坡往往较高，如汶川5.12大地震触发了大量的边坡崩滑，但露天矿边坡一般只有100m至300m比自然边坡小得多；自然边坡多数处于山区，失稳造成损失较小，露天矿边坡在人机作业范围内，一旦失稳后果严重。所以应针对露天矿边坡的自由面附近存在碎石，不同岩层接触面的平行不整合，及复杂岩体构造进行有针对性的研究，保证人机安全。

目前对于边坡在地震情况下的稳定性研究较少，对露天矿边坡地震研究鲜见。实际上，边坡自由面一定深度内由于采动以形成非连续介质；原地质条件也可能是破碎岩体；不同岩层接触面可能存在平行不整合，考虑到这些因素使用连续介质理论进行这种模拟并不妥当。

PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimensions)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。

上述研究，并不适应露天矿边坡的特点，而且基本上是通过基于连续性介质条件对边坡破坏的研究。但实际上，边坡自由面一定深度内由于采动以形成非连续介质；原地质条件也可能是破碎岩体；不同岩层接触面可能存在平行不整合，考虑到这些因素使用连续介质理论进行这种模拟并不妥当。